В процессе эксплуатации трубопроводных систем могут возникнуть условия, (например при аварийной остановке насоса или компрессора, технологическом снижении давления на каком-либо участке, при разрыве трубопровода и т. д.), когда поток среды изменит направление на обратное. Для того чтобы исключить эту возможность, применяется обратная арматура, которая пропускает рабочую среду только в одном нужном направлении.
При изменении направления потока на обратное она закрывается, прекращая обратное движение рабочей среды. ГОСТ 24856-2014 дает следующее определение: «Обратная арматура – арматура, предназначенная для автоматического предотвращения обратного потока рабочей среды».
К обратной арматуре относятся обратные клапаны (рис. 1) и обратные затворы. Обратные клапаны бывают подъемные, горизонтальные (для горизонтальных трубопроводов) и вертикальные (для вертикальных трубопроводов), односедельные и многоседельные. Обратные клапаны с сеткой, предназначенные для водо- и нефтезаборных устройств, называются приемными.
Все обратные клапаны устанавливаются на линии с учетом движения рабочей среды «под клапан» при открытом положении. Чтобы сделать обратный клапан более чувствительным к перемене направления потока и ускорить его посадку, тарелку снабжают пружиной или дополнительным грузом, однако это повышает потерю напора и расход энергии на перемещение рабочей среды в трубопроводе. В некоторых случаях обратные клапаны используются как невозвратно-запорная арматура, для чего они комплектуются шпинделем или другим устройством, позволяющим прижать тарелку к седлу и зафиксировать ее в таком положении. Обратные клапаны создают некоторое гидравлическое сопротивление в связи с поддержанием запирающего элемента потоком в открытом положении.
Обратные клапаны позволяет обеспечить надежную герметичность, однако при работе на загрязненных средах возможно заедание запирающего элемента в направляющей части крышки. С учетом приведенного, обратные клапаны обычно используются для малых диаметров прохода и чистых сред, в остальных случаях применяются обратные затворы.
Следует иметь в виду, что запирающий элемент обратного клапана при его открытом положении постоянно находится в движении в связи с гидродинамическими возмущениями, создаваемыми в потоке. При этом происходит интенсивный износ хвостовика.
В обратных клапанах при подъеме тарелки не должно происходить торможения (демпфирования) в направляющем отверстии. Для этого в полом хвостовике делается небольшое отверстие, соединяющее низ направляющего отверстия с полостью клапана. При сплошном хвостовике отверстие в стенке полой направляющей крышки сверлится вверху. Приемные клапаны, снабженные предохранительной сеткой, используемые в насосных установках при всасывании воды или нефти, могут быть подъемными или поворотными с одной или несколькими створками.
Вертикальные подъемные клапаны, снабженные перепускным устройством и демпфером, применяются в энергетических установках. Они устанавливаются на вертикальном трубопроводе за питательным насосом. Когда тарелка садится на седло, предотвращая обратный поток воды, автоматически начинает действовать перепускное устройство. При подъеме тарелки перепуск прекращается. Перепуск воды в данных условиях необходим для того, чтобы предотвратить «запаривание» насоса при закрытом обратном клапане.
Принцип работы невозвратно-запорной арматуры состоит в том, что в ней закрытие или ограничение хода может быть осуществлено принудительно. Другими модификациями обратной арматуры являются шаровые и поршневые обратные клапаны, в которых вместо золотников используются шары или поршни. Такие клапаны изготавливаются, как правило, малых проходов и могут быть полностью покрыты фторопластом для использования в комплекте с футерованными шаровыми и пробковыми кранами на коррозионных средах.
Обратные клапаны могут иметь затвор и в виде упругой резиновой манжеты, но они не получили широкого применения из-за ограниченного срока службы резины и невысоких допустимых энергетических параметров рабочей среды, ограниченных свойствами резины.
В древние времена в качестве обратной арматуры использовались обратные затворы, появившиеся одновременно с первыми примитивными водяными насосами. Бронзовый диск обратного затвора был обнаружен при раскопках руин города древней Ассирии.
Обратные затворы используют диски того же диаметра, что и диаметр отверстия в корпусе. Диск опускается под действием своей массы и давлением потока прижимается к уплотнительной поверхности, а поднимается при действии прямого потока среды.
Обратные затворы изготавливают с расположением оси поворота диска вне прохода или с расположением в проходе затвора. Конструкции фланцевых обратных затворов с расположением вала вне прохода, с легкой руки разработчиков – ВНИИНЕФТЕМАШ, ошибочно называют клапанами обратными поворотными (КОП). Это обозначение прочно закрепилось в продукции Благовещенского арматурного завода. В арматуре на низкие давления широко применяются легкие обратные затворы для бесфланцевой установки (на рисунке 2 показан такой затвор с проволочным крючком, используемым для облегчения его установки).
Затворы с расположением вала в проходе имеют два варианта – с расположением вала выше или ниже оси прохода. Вариант с расположением оси выше оси прохода (рис. 3) обладает существенными недостатками, а именно требует применения противовеса для приближения диска к уплотнению. В конструкциях для высоких давлений масса противовеса велика, а сам противовес существенно загромождает проход. Кроме того, не выполняется важное требование о соприкосновении уплотнительных поверхностей диска и седла при перемене направления потока, т. е. при нулевом перепаде давления, что приводит к сильным ударам при возникновении обратного потока. Если конструкция корпуса недостаточно жесткая, удары могут привести к заклиниванию диска в уплотнении. Вдобавок диск никогда не фиксируется в открытом положении, что вызывает его высокочастотные колебания из-за толчков давления при работе насосов, приводящих к коррозии в местах контакта вала и подшипников опоры, а также возникновению кавитации в зазорах.
При расположении оси поворота вала ниже оси прохода (рис. 4) указанные недостатки не возникают, т. к. диск в отрытом положении прижат к упорам и полностью неподвижен. Для закрытия затвора с легким диском при небольших давлениях груз отливают непосредственно вместе с диском на меньшей по площади его части, а для высоких давлений груз не устанавливают, а выводят вал наружу и закрепляют на нем рычаг с грузом, который, опускаясь, закрывает затвор.
Есть модификации конструкций, использующиеся для исключения «хлопанья» диска о седло для исключения износа при работе так называемого «водного молотка». С этой целью снаружи затвора устанавливают демпфер. Демпфер используется также для плавного закрытия прохода.
В двухстворчатых обратных затворах (рис. 5) две половины разрезанного диска монтируются на центральной оси и прижимаются к седлу пружинами.
Обратные затворы могут быть укомплектованы стопорными устройствами для фиксации диска в открытом или закрытом положении. В этом случае обратная арматура называется невозвратно-запорной («stop and go»). Если возникает необходимость регулировать степень открытия затвора, стопорное устройство позволяет ограничить перемещение диска, а арматура в этом случае называется запорно-регулирующей.
Основные параметры обратных клапанов и затворов регламентированы ГОСТом 33423-2015 «Арматура трубопроводная. Затворы и клапаны обратные. Общие технические условия».
1. Гуревич, Д.Ф. Справочник конструктора трубопроводной арматуры / Д.Ф. Гуревич, О.Н. Шпаков. – Л. : Машиностроение, 1987.
2. Шпаков, О.Н. Трубопроводная арматура : справочник специалиста / О.Н. Шпаков. – Москва ; Санкт-Петербург, 2007. – 463 с., [8] л. : ил.
