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 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 и обратные затворы. Обратные клапаны бывают подъемные, могут быть горизонтальными (для горизонтальных трубопроводов) и вертикальными (для вертикальных трубопроводов), односедельные и многоседельные.
Обратные клапаны с сеткой, предназначенные для водо- и нефтесборных устройств, называются приемными.
Обратный клапан – обратная арматура, конструктивно выполненная в виде клапана.
Приемный клапан – обратный клапан, устанавливаемый на конце трубопровода перед насосом.
Подъемный обратный клапан – обратный клапан, в котором запирающий элемент совершает возвратно-поступательное движение перпендикулярно направлению движения рабочей среды в трубопроводе.
Все обратные клапаны устанавливаются на линии с учетом направления движения рабочей среды «под клапан» при открытом положении. Чтобы сделать обратный клапан более чувствительным к перемене направления потока и ускорить его закрытие, 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 или промежуточном положении. Обратные клапаны создают некоторое гидравлическое сопротивление в связи с поддержанием запирающего элемента потоком в открытом положении.
Обратные клапаны позволяют обеспечивать надежную герметичность, однако при работе на загрязненных средах возможно заедание запирающего элемента в направляющей части крышки. Поэтому 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.
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 широкого применения не получили 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.
Обратный затвор (нрк. захлопка) – обратная арматура, конструктивно выполненная в виде затвора дискового.
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 плоскости прохода 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 показан такой затвор с проволочным крючком, используемым для облегчения его установки.
Затворы с расположением вала в плоскости прохода имеют два варианта – с расположением вала выше или ниже оси прохода. Вариант с расположением оси выше оси прохода 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, то есть 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 коническом 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 указанные недостатки не возникают, так как 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 на диске не устанавливают, а выводят вал наружу и закрепляют на нем рычаг с грузом, который, опускаясь, закрывает затвор.
Модификации конструкций используются 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 двустворчатых обратных затворах 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 ГОСТ 33423-2015 «Арматура трубопроводная. Затворы и клапаны обратные. Общие технические условия».
Традиционно совместно с обратной в схемах используется запорная арматура.
В последнее время появилась тенденция размещать обратный затвор с устройствами защиты деталей затворов и насосов в едином корпусе обратного затвора. Это решение потребовало применения в конструкции регулировочных устройств. Они использовались разработчиками и для исключения недостатков традиционных конструкций, например вибраций диска в потоке среды при работе затвора, а также исключения ударов диска об уплотнительную поверхность затвора. Одной из удачных в этом отношении конструкций является разработка хорватской компании Hydromat, спроектировавшей обратный затвор DN2600 с гидравлической системой для Курской АЭС-2. Обратный затвор изготовлен турецкой компанией.
Конструкция этой арматуры обладает несколькими удачными техническими решениями. Гидравлическая система, названная разработчиками «гидропривод», выполняет несколько функций. Во-первых, при работе насоса система работает в качестве демпфера, гася колебания диска, возникающие от нестабильности параметров потока воды. Эти колебания вызывают повреждения цапф и втулок опор. С подобными повреждениями работают практически все обратные затворы на атомных станциях и в системах водоканалов городов, независимо от размеров арматуры. Во-вторых, в некоторых режимах работы систем не удается избежать ударов диска об уплотнительные поверхности седел. Эти удары приводят к ускоренному износу уплотнений, а в некоторых случаях вызывают гидравлические удары, приводящие к авариям. Гидравлические системы хорватских обратных затворов регулируют скорость поворота диска при закрытии затворов. Кроме того, их используют для установки диска в положении «открыто» для обеспечения минимального гидравлического сопротивления системы, обеспечивающего минимальные затраты электроэнергии в системах охлаждения крупных энергетических установок. При ремонтных работах гидропривод способен дополнительно прижать диск к седлу для повышения контактных напряжений в уплотнении и вывести диск в открытое положения при производстве ремонтных и профилактических работ, создавая дополнительные удобства для ремонтного персонала, использующего его в качестве смотровой или монтажной площадки. В положениях «открыто» и «закрыто» диск фиксируется цилиндрическими штифтами.
К недостаткам хорватских систем следует отнести обилие электромагнитных клапанов и микровыключателей, снижающих надежность системы.
В настоящее время обратные затворы с гидроприводами успешно работают на двух крупных энергетических объектах Европы. По-видимому, за системами обратной арматуры с защитными устройствами, расположенными в одном корпусе, будущее, поскольку они позволяют сэкономить большие средства.
В России продвижением новой конструкции хорватских разработок занимается чебоксарская компания «Арматура ГМПХ», генеральный директор Е. В. Ефимов.
Из воспоминаний
Летом 1982 года мне было приказано немедленно вылететь в Тольятти. На одной из газоперекачивающих станций произошла крупная авария с тяжелыми последствиями. На место аварии из Москвы уже вылетел вновь назначенный заместитель министра химического и нефтяного машиностроения Николай Васильевич Архипов. Поскольку Мингазпром сразу заявил, что в аварии виноват обратный затвор, изготовленный Усть-Каменогорским арматурным заводом, для работы в комиссии были вызваны главный инженер завода Олег Георгиевич Волянский и я, главный инженер ЦКБА.
С большим трудом удалось достать из брони Обкома КПСС билет на рейс «Аэрофлота» в Куйбышев. В куйбышевском аэропорту меня встретили сотрудники «Куйбышевтрансгаза» и доставили в гостиницу «Волга», где уже находился О. Г. Волянский. Он рассказал, что на газоперекачивающей станции произошел взрыв с разрывом трубопровода и воспламенением газа. Горящий газ из трубопровода с диаметром 1000 мм как гигантской паяльной лампой сжег все на расстоянии более 100 метров. Многих работников станции, бросившихся бежать после взрыва, обожгло сзади горящим факелом. Пострадало более 40 человек.
На следующий день нас привезли на станцию. Несмотря на предварительное знакомство с результатами аварии, вид места происшествия произвел гнетущее впечатление. В глубине котлована длиной около 30 и шириной 10 метров виднелись рваные оплавившиеся края метрового трубопровода. От него котлован, промытый в грунте струей сжатого газа, направлялся в сторону здания газоперекачивающей станции. Стальные подкрановые пути, расположенные около здания, согнулись под собственным весом из-за высокой температуры. Сосновый лес за зданием желтел обгоревшими ветками. Нас удивило, что емкости с дизельным топливом и машинным маслом, так же как легковой автомобиль, стоявшие за зданием, остались неповрежденными. Горящий факел обогнул сверху здание, стоящее на траектории струи как щит, и опустился дальше.
Мы с Олегом Георгиевичем еще раз прошли по месту аварии, прощупывая длинным стальным прутом грунт вокруг котлована, в надежде обнаружить корпус или диск затвора, но тщетно. Комиссия составила акт, возлагающий причину аварии на обратный затвор, но мы видели, что это не так. Нужно было писать особое мнение. Вечером в общежитии составили текст. Поскольку писали от руки, пришлось половину ночи переписывать документ начисто в трех экземплярах. На следующий день мы под расписку вручили один экземпляр начальнику газоперекачивающей станции, еще не пришедшему в себя от аварии, комиссии, разговоров с родственниками пострадавших, раздумий о предстоящих показаниях следователям и о своей судьбе. Тем не менее он по-товарищески попрощался с нами и дал машину, чтобы добраться до Тольятти. Из Тольятти в Куйбышев мы следовали на «Метеоре», любуясь живописными волжскими пейзажами.
Авария на Тольяттинской газоперекачивающей станции заставила Мингазпром и Минхиммаш проанализировать вероятность отказов в работе обратных затворов, изготовленных Усть-Каменогорским арматурным заводом, на всех объектах, где они были установлены. Центр потребовал от эксплуатационных служб провести ревизию затворов и опробование их в работе. С мест стали поступать сигналы о заклинивании дисков в уплотнениях затворов при закрытии. По иронии судьбы подобную конструкцию назвали безударной. При испытаниях же иногда нужно было увеличить давление газа для открытия затворов до 40 атмосфер. Громадным усилием диск вырывало из уплотнения со страшным грохотом. Налицо была ситуация, когда завод длительно поставлял продукцию без получения отзывов с мест эксплуатации, это давало повод для успокоения и не такого тщательного контроля, как полагалось для ответственного оборудования. Конструкторы также считали свою миссию оконченной, несмотря на невозможность проверить работу арматуры в реальных условиях эксплуатации.
Через несколько дней расчет потребовала прокуратура Российской Федерации, которая вела следствие по аварии. В Минхиммаше запрос прокуратуры вызвал замешательство. Ответственный за решение вопроса заместитель министра Н. В. Архипов потребовал, чтобы в работе с прокуратурой участвовал главный инженер Союзпромарматуры Алексей Александрович Зак. Мы с ним отправились в Институт судебной экспертизы на площадь 1905 года. Этому институту было поручено проведение следствия после отказа ряда НИИ и учебных институтов в проведении экспертизы. На наше счастье ведущий специалист института оказался специалистом по взрывам и устройствам, предотвращающим распространение взрывной волны, автором ряда изобретений в этой области. Следователь и на самом деле съездил на место аварии и закрыл дело.
В результате проверок и испытаний Минхиммаш был вынужден согласиться с необходимостью проведения ревизии и ремонта обратных затворов этой серии. Их накопилось больше сотни. Чтобы не везти затворы в Казахстан, министерство распорядилось отгрузить их на «Пензтяжпромарматуру». Внешне затворы, вырезанные из подземных трубопроводов, выглядели неважно, да и работоспособность их оставляла желать лучшего. Поднятый вручную и отпущенный диск падал на уплотнение и, как правило, заклинивался в его конусе. Чтобы открыть затвор, требовалось нанести довольно сильные удары по нижней части диска. В свободном положении диск не соприкасался с корпусом, и, чтобы подвести его к уплотнению, требовалось приложить значительное усилие. Тем самым в «безударной» конструкции при перемене направления движения потока удар был неизбежен, а угол конусности уплотнительных поверхностей выбран меньшим, чем угол самоторможения, поэтому и происходило заклинивание трущихся поверхностей. Жесткость корпуса, свальцованного из листа небольшой толщины, была недостаточной, чтобы исключить деформации при давлении более 60 атмосфер.
Находясь в командировке, в выходной день я сконструировал новый обратный затвор. Новые затворы изготавливались в Усть-Каменогорске под жестким контролем министерства. К концу лета работа завершалась. Я прилетел в Усть-Каменогорск и две недели следил за изготовлением первой партии новых обратных затворов. Литые противовесы, закрепленные на нижней части диска, выглядели очень внушительно. На заводских испытаниях диск поднимали на максимальную высоту и бросали на уплотнение. Звон от удара разносился по всему цеху, но ни разу не было заклинивания.
Готовые затворы погрузили на машину и отправили на приемочные испытания в Саратов на стенд с рабочей средой. Приемочная комиссия провела испытания и рекомендовала изделия к серийному производству.
В дальнейшем все-таки понадобилась доработка демпферов, поскольку конструкторы не приняли во внимание усилия от давления газа, действующие на их валы. Валы прижимались к крышкам и затрудняли поворот дисков. Я корил себя, что не проследил за проектированием демпферов. Их доработку пришлось производить на газоперекачивающей станции в поселке Починки Горьковской области, знаменитом своим конезаводом. В работах принимали участие начальник отдела ЦКБА Георгий Иванович Севастьянихин и два слесаря из «Пензтяжпромарматуры».
Но Мингазпром принял решение закупить обратные затворы в Италии, а вновь назначенный министр химического и нефтяного машиностроения В. М. Лукьяненко поручил спроектировать и изготовить обратные затворы Сумскому машиностроительному объединению им. М. В. Фрунзе. Их затворы с газовыми демпферами также были поставлены на производство.
Для объективности следует отметить, что, по-видимому, схема установки обратных затворов на газоперекачивающих станциях не была оптимальной, так как тяжелые аварии происходили позже на станциях как с итальянскими, так и сумскими обратными затворами.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №5 (92)
