Запорный и регулирующий клапан ― две отдельные единицы трубопроводной арматуры, последовательно установленные на технологических трубопроводах, выполняющие каждая свою функцию. В случае отказа одного из клапанов требуется остановка всего технологического процесса для проведения внепланового ремонта, что является дорогостоящим мероприятием. Существует ли арматура, которая могла бы в экстренной ситуации, до следующего планового ремонта, выполнять функцию регулирующей (точного регулирования потока среды) и функцию запорной быстродействующей (двусторонняя герметичность класса «А» с уплотнением «металл-металл») в одном устройстве? И существует ли потребность в подобной арматуре?
В данной статье авторы рассказывают о результатах проведенных испытаний запорно-регулирующего клапана «тип КЗР» с разгруженным плунжером, который обеспечил заданную регулирующую характеристику и герметичность класса «А» по ГОСТ Р 54808 в обоих направлениях потока рабочей среды после отработки 1500 циклов при температуре 425°С.
С развитием технологий появляется потребность тонкого регулирования таких параметров, как давление, расход, уровень рабочей среды, концентрация катализатора или технологических жидкостей.
Для выполнения функции регулирования, как правило, применяют клапаны с разгруженным плунжером. Особо эффективно они работают на высоких давлениях рабочей среды, так как только разгруженный плунжер позволяет существенно уменьшить усилие приводов, соответственно, снизить весогабаритные характеристики, повысить быстродействие и, в то же время, увеличить плавность и точность регулировки, сохранив при этом высокую герметичность и показатели надежности.
Наиболее распространенной конструкцией запорно-регулирующей арматуры с разгруженным плунжером является клетковый запорно-регулирующий клапан, дроссельный узел которого представлен на рисунке 1.
Протечки через кольцевые уплотнения в процессе длительной эксплуатации также являются причиной отсутствия герметичности клапана в закрытом положении, несмотря на то, что на уплотнительных поверхностях плунжера и седла будет обеспечена герметичность.
И наконец, одним из существенных недостатков конструкции является ограниченное использование ее по температурному интервалу рабочей среды (от минус 100°С до плюс 220°С), так как для радиальных уплотнений в плунжерной паре используются мягкие материалы (резина, эластомер). Применение же высокотемпературного материала в уплотнении типа «графлекс» без постоянного поджатия не обеспечивает необходимую герметичность в закрытом положении плунжера.
На рис. 2 представлена принципиальная схема работы запорного сильфонного клапана «классической конструкции» для работы на высоких температурах. Клапан состоит из корпуса с установленным в нем седлом, штока и плунжера, который герметично соединен с корпусом через сильфон. Арматура заявлена производителями как двусторонне герметичная. Рассмотрим силовую схему в процессе работы клапана (рис. 2). Направление потока рабочей среды под плунжер (справа налево). На шток клапана воздействует усилие привода, равное сумме следующих сил: F2 – F1, возникающего от действия давления рабочей среды на плунжер; сила упругости сильфона; сила от перепада давления, действующая на площадь, определяемую разницей средних диаметров используемого сильфона и уплотнительной поверхности; усилие, обеспечивающее удельные давления в затворе; сила трения в узлах клапана.
Максимальное усилие в данной силовой схеме ― усилие F2, возникающее на плунжере под действием перепада давления рабочей среды. Остальные усилия будут примерно одинаковы для обоих рассматриваемых решений (рис.2, рис.3), поэтому ими в дальнейшем расчете пренебрежем.
На рис.3 представлена принципиальная схема разгрузки плунжера клапана ООО НПЦ «АНОД». Данный клапан спроектирован для работы в качестве быстродействующей запорной, регулирующей или запорно-регулирующей арматуры. Сравним данную силовую схему работы клапана с «классической конструкцией» на рис.2. Клапан состоит из корпуса, с жестко закрепленным в нем седлом и тримом; плунжера, герметично соединенного с одной стороны с тримом клапана через сильфон №2, а с другой стороны с корпусом клапана через сильфон №1. При такой конструктивной схеме основное усилие от перепада давления F3, действующее на плунжер, воспринимается тримом, закрепленным в корпусе, а не подвижным плунжером, как в клапане с неразгруженным плунжером.
Рассмотрим силовую схему работы клапана. Направление потока рабочей среды под плунжер (справа налево). В закрытом положении на плунжер клапана приходятся несколько усилий: усилие от действия перепада давления F2, приходящееся на небольшую часть площади между средним диаметром уплотнительной поверхности седла Dупл и средним диаметром сильфона Dсильф. Второй силой, как и на рис.2, является усилие, обеспечивающее удельные давления на затворе. Усилие F3, возникающее от действия перепада давления рабочей среды на средний диаметр сильфона, замыкается на трим, жестко закрепленный в корпусе клапана. Усилие F3 в процессе работы клапана никакого воздействия на плунжер не оказывает, поэтому мы исключаем его из дальнейшего расчета. В открытом положении силы F1 и F2, действующие на плунжер, уравновешиваются, тем самым разгружая его.
Разгрузка плунжера позволяет клапану обеспечивать надежное двустороннее запирание потока рабочей среды за минимальное время независимо от направления потока в режиме непрерывного срабатывания. Основное усилие от перепада давления (F3) в процессе работы клапана замыкается на корпус, тем самым позволяя применять приводы меньшей мощности. При необходимости клапан может эксплуатироваться в режиме точного регулирования потока среды или в качестве быстродействующей отсечной арматуры.
В требованиях отраслевого стандарта «СТО Газпром 2-4.1- 212-2008» ― «Общие технические требования к арматуре, поставляемой на объекты ОАО «Газпром», раздела «Требования к конструкции клапанов» п.7.3.1.2 сказано: «Краны обеспечивают герметичность затвора в любом направлении потока газа». Такое же требование выставляют Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии «НП-068-05» ― «Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие технические требования» п. 2.3.29 ― «Запорная арматура, кроме запорной арматуры с ЭМП, должна быть разработана на полный рабочий перепад давления при двусторонней подаче среды» (ЭМП – электромагнитный привод). Аналогичные требования предъявляются к трубопроводной арматуре, эксплуатируемой на опасных промышленных объектах.
Принимая во внимание эти требования, произведем сравнительный расчет максимальных усилий, воспринимаемых штоком сильфонного клапана DN 100 PN 100 в процессе работы. Силой трения в сальниковом узле, жесткостью сильфона, усилием, обеспечивающим удельные давления в затворе, в данном расчете пренебрежем, т.к. они в обоих случаях будут примерно одинаковые. Максимальное усилие, приходящееся на шток клапана, будет возникать при направлении потока рабочей среды под плунжер (рис. 2, 3 направление потока рабочей среды справа налево). Учтем это в расчете.
Конструкторами ООО НПЦ «АНОД» был разработан новый сильфонный запорно-регулирующий клапан «серия КЗР» с разгруженным плунжером (рис. 4), в котором сохранены достоинства клеткового клапана (рис.1) и при этом доработаны два главных явных его недостатка ― работоспособность клапана в температурном диапазоне от ‒100°С до +200°С и работа только на чистых средах (наличие примесей нарушает заявленную герметичность плунжера класса «А» по ГОСТ Р 54808). Функцию герметизирующего элемента подвижных соединений выполняет сильфон.
При наработке на отказ в 1500 циклов при рабочих параметрах клапан сохранил заявленную герметичность (класс «А» ГОСТ Р 54808).
Особо важно обеспечить требование стабильной двусторонней герметичности клапана, эксплуатируемого на объектах атомной промышленности. Клапан «тип КЗР» «серия А» спроектирован специально для работы в сложных условиях на объектах атомной промышленности при высоких энергетических параметрах.
По результатам консультации с проектным институтом АО «НИАЭП» было выяснено, что сильфонная арматура для энергоблоков делится на две основные группы ― низкого (PN до 4,0 МПа) и высокого (PN более 10,0 МПа) рабочего давления. С увеличением рабочего давления усилие F2, воспринимаемое штоком от перепада давления (рис.2) возрастает в разы, что приводит к необходимости применения более мощных приводов. Приводы отсечной арматуры отрегулированы таким образом, чтобы обеспечить герметичность клапана в экстренной ситуации, т.е. чтобы быстро отсечь направление потока рабочей среды, направленного под плунжер. В таком случае усилие на приводе максимальное! В процессе постоянной работы, направление потока рабочей среды обратное, т.е. направлено на плунжер. И получается, что усилие, действующее на плунжер клапана от привода, постоянно избыточно, т.е. превышает расчетное значение требуемого усилия для герметизации в несколько раз. Постоянное действие избыточного усилия привода в процессе работы разбивает уплотнительную поверхность седла. Это является основной причиной потери герметичности клапана даже после небольшой наработки. В конструкции клапана ООО НПЦ «АНОД» такой проблемы не существует, потому что усилие, действующее на плунжер от перепада давления при направлении потока рабочей среды «под плунжер» и «на плунжер» примерно равны. А основное усилие от перепада давления воспринимает корпус клапана. И чем выше рабочее давление клапана, тем эффективнее работает принцип разгрузки плунжера. Проведенные стендовые испытания при температуре рабочей среды плюс 425°С доказали, что при такой схеме работы клапан обеспечивает герметичность класса «А» даже после отработки 1500 циклов.
Особо стоит отметить, что клапан ООО НПЦ «АНОД» «тип КЗР» позволяет в аварийной ситуации скорректировать технологический процесс и применять его не только в качестве быстродействующей отсечной арматуры двустороннего действия, но и в качестве регулирующей даже в ручном режиме и наоборот.
Клапан запорно-регулирующий ООО НПЦ «АНОД» «тип КЗР» обладает следующими достоинствами:
• Двусторонняя герметичность клапана класса «А» по ГОСТ Р 54808 при наработке на отказ в 1500 циклов.
• Высокая герметичность клапана относительно внешней среды. Подвижные элементы клапана герметизируются сильфоном.
• Возможность работы клапанов на рабочих средах (вода, газ, пар, продукты нефтехимии) в температурном диапазоне от минус 260°С до плюс 600°С.
• Работа клапана в слабозагрязненных рабочих средах, за счет свободных посадок в направляющих плунжера.
• Высокое быстродействие клапана обеспечено за счет разгрузки плунжера. Время срабатывания определяется быстродействием привода.
• Небольшое усилие привода клапана обеспечено за счет разгрузки плунжера.
• Выполнение двух технологических операций одним устройством: регулирования и запирания потока рабочей среды с сохранением заявленной герметичности.
• Обеспечение требуемой регулирующей характеристики клапана.
• Надежность и снижение затрат на обслуживание. В клапане отсутствуют мягкие подвижные уплотнения. Отсутствует необходимость подтяжки сальника.
• Высокая циклическая долговечность клапана.
Области применения клапанов «серия КЗР»
Клапаны запорные и запорно-регулирующие «тип КЗР» предназначены для работы в температурном диапазоне от минус 260°С до плюс 600°С (уплотнение затвора «металл- металл») на жидких и газообразных средах:
• на объектах теплоэнергетики на высокоэнергетических параметрах для регулирования подачи питательной воды, пара;
• на объектах нефтепереработки для регулирования и запирания потока рабочих сред;
• на станциях получения сжиженного природного газа (СПГ), в технологических процессах сжижения метана или попутного нефтяного газа, где рабочее давление достигает 20,0 МПа при температуре -160 ... -180 °С;
• на объектах атомной промышленности, в качестве быстродействующей отсечной, регулирующей или запорной арматуры на I, II контуре энергоблока;
• на объектах, где предъявляются высокие требования безопасности и надежности арматуры в аварийных ситуациях.
Конструкторами предприятия ООО НПЦ «АНОД» была разработана линейка запорно-регулирующих клапанов (таблица 2) для высоких параметров, отвечающих современным требованиям нормативных документов для опасных промышленных объектов. Отдельная серия клапанов «серия А» разработана в соответствии с требованиями нормативной документации в области атомной промышленности.
Особенно эффективно применение клапанов «тип КЗР» в технологических процессах, где требуется переменно прямая и обратная подача рабочей среды.
Опубликовано в «Вестнике арматурщика» №2 (22) 2015
Размещено в номере: "Вестник арматурщика" № 2 (22) 2015
