Часть 1. Шиберные задвижки
Существует два типа отличающихся друг от друга клапанов, выполняющих одну и ту же задачу регулирования потока рабочей среды: это самый распространенный запорно-регулирующий клапан, перекрывающий в трубопроводе поток поперек течения и самый сложный запорно-регулирующий клапан осевого потока, перекрывающий поток по оси течения.
Идея перекрытия трубопроводов простым перемещением заслонки поперек потока осталась неизменной на протяжении тысячелетий, а техническое воплощение этого в настоящее время поражает разнообразием материалов, форм и сложностью конструкторских решений шиберных задвижек (рис. 1).
Но сложная конструкция требует большого количества деталей, их сопряжения в статике и в динамике в разных плоскостях относительно друг друга, смазки скользящих поверхностей, что приводит к длинной технологической цепочке производства, трудностям технического обслуживания и значительным усилиям механического привода.
Такие шиберные задвижки состоят из большого количества разных деталей, плюс болтовое соединение частей корпуса и редуктора. Каждую деталь необходимо изготовить различными инструментами на разных станках, части корпуса и редуктора разной формы отлить и обработать для последующего соединения всех деталей вместе. Такая сложная технологическая цепочка заранее требует запаса всех деталей, чтобы нехватка любой из них не остановила весь конвейер сборки и не привела к срыву договорных поставок. Техническое обслуживание этой модели требует не только значительного времени, но и специального оборудования и обученных специалистов.
При работе с такими задвижками, например, в условиях Персидского залива, возникают определенные трудности: мелкий перетертый в муку песок пустыни прилипает на смазку открытого винта привода и на шток, превращаясь в абразивную смесь, и после каждой погрузки приходится менять набивку и сальники.
В условиях Крайнего Севера, когда температура опускается до –40 °С и ниже, например, после перехода танкера через штормовое Баренцево море, когда палубу с трубопроводами, переходным мостиком и арматурой намертво сковывает льдом, эксплуатировать шиберную задвижку становится еще сложнее. Ведь каждый клапан перед открытием необходимо освободить от наледи (причем сделать это таким образом, чтобы не сломать маховик привода), а винтовой шток отогреть острым паром, после чего возникает необходимость в замене набивки и сальников. Действовать приходится в сложнейших условиях: и каждый раз, поочередно закрывая каждый клапан, волей-неволей легендарными «морскими» выражениями вспоминаешь конструкторов, работающих за чашечкой кофе в чистых кабинетах с кулерами и кондиционерами.
Я убедился в этом на собственном опыте, и предпочитаю иметь дело с простой и надежной арматурой. А примеров такой арматуры немало. Рассмотрим некоторые наиболее известные типы.
Дисковая штуцерная задвижка ЗДШ 65 (50, 100) – 210 (140, 160, 350) М (рис. 2). Ее корпус состоит всего из двух одинаковых частей, которые можно изготавливать разными способами (литье, прокат, штамповка). Между частями расположено простое кольцо 6, внутри которого поворачивается заслонка (шибер) 3 и зубчатый привод поворота заслонки (шибера) 5 с рычагом. Такая конструкция по весу легче в разы, имеет короткую технологическую цепочку, а минимум деталей делает сборку на конвейере простой и быстрой с минимальными сбоями ритма.
Дисковая револьверная задвижка ЗДШ 65 (100) – 210 (140, 160, 50) Мр (рис. 3). Она имеет аналогичные штуцерной задвижке технические характеристики, предназначена для ступенчатого регулирования расхода жидкости (техническая вода, нефть и т. д.) и газа. Устанавливается на трубопроводах высокого давления взамен штуцерных камер. В шибере револьверного типа установлены несъемные штуцера с многослойным покрытием. Изменение проходного сечения происходит за счет поворота шибера на требуемый угол по лимбу указателя.
Вероятно, представленные варианты задвижек являются тем идеалом, который стоит принять с благодарностью судьбе и пользоваться им вечно. Но можно ли сохранить такую простую идею перекрывающего клапана, прямо поворачивая шибер? Потому что соединение частей корпуса через кольцо 6 требует дополнительного уплотнения, что повышает возможность нарушения герметичности в месте соединения. На изготовление самого кольца нужно время, материал, инструменты и станки. Для зубчатого привода поворота 5 необходимо уже не только время, но и специальный инструмент для изготовления и технология сборки узла, соединения с корпусом. Важна его смазка, он может заклинивать при эксплуатации и требует дополнительных затрат на техобслуживание.
Рассмотрим предлагаемую модель задвижки с поворотным шибером (рис. 4), конструкция которой предельно приближена к идеалу, хотя нет предела совершенству.
Конструкция задвижки представляет собой две простые одинаковые части корпуса с отверстиями для трубопровода и вала поворота задвижки. Эти детали можно изготавливать литьем, штамповкой, прокатом, а для особо прочных ответственных участков – ковкой с упрочением металла корпуса задвижки до прочности толстостенных трубопроводов.
Фланцевое соединение с широким плечом позволяет использовать любые уплотнения с их дублированием. Сам шибер (задвижка) изготавливается прокатом, штамповкой или ковкой точно по размеру внутренней полости корпуса. Можно избежать дополнительной обработки, кроме шлифовки боковых поверхностей, скользящих по уплотнительным кольцам седел.
Отверстие в шибере для вала поворота имеет зубчатую форму, в него свободно входит такая же зубчатая часть вала, что позволяет вручную собирать узел поворота при соединении частей корпуса и уплотнения концов вала, выходящих через соответствующие отверстия корпуса задвижки.
Один конец вала можно использовать для механического привода, а второй – для ручного в аварийном режиме и указателя положения шибера. При повороте шибера из одного положения в другое его поверхность скользит по внутренней поверхности корпуса, что предотвращает попадание любых частичек мусора из рабочей среды в полость корпуса, не занятую шибером. При перемещении шибера рабочая среда перетекает внутри корпуса из одной части в другую по специальному каналу по ребру шибера, не создавая сопротивления его движению. Короткая технологическая цепочка позволяет автоматизировать сборку задвижки простым устройством без участия людей. Отсутствие смазывающихся трущихся частей не требует специальных навыков и особого технического обслуживания с привлечением дополнительного оборудования. Замену седел уплотнения можно осуществлять на трубопроводе, разъединив части корпуса путем смещения труб.
Возможно, некоторые руководители арматурных компаний, прочитав статью о задвижке с поворотным шибером (с представленными описанием и эскизом), решат ее изготавливать.
Хочу заранее посоветовать им не торопиться, и еще раз внимательно взглянуть на традиционную российскую продукцию, не претерпевшую в течение века выпуска практически никаких изменений, и задуматься о последствиях применения нового конструктива.
Во-первых, новые задвижки окажутся в 3 раза легче существующих (даже с учетом механического привода). Простая технология изготовления небольшого количества деталей задвижки и автоматическая сборка снизят их себестоимость в 5-10 раз, что в свою очередь приведет к сокращению большей половины персонала.
Во-вторых, первые покупатели этих задвижек повторно больше не обратятся к продавцам для замены установленных, потому что срок службы задвижки с поворотным шибером, по сути, ничем не ограничен, а смена уплотнений не займет много времени и средств.
В-третьих, для сохранения доходов придется увеличить объем продаж, при этом существенно снизив цену изделий, чтобы сделать её привлекательной для большинства потребителей. Важно убедить людей, что такая простая конструкция лучше прежней, сложной, громоздкой, ненадежной, требующей значительных затрат на техобслуживание и ремонт.
Таким образом, первым производителям новых задвижек придется столкнуться с достаточным количеством препятствий и трудностей. Придется задуматься, как новую задвижку сделать привлекательной для покупателей, и одновременно избежать собственных потерь. Ведь новое не всегда всем по «шиберу»!
Жизнь не стоит на месте, важно развиваться, двигаться вперед, чтобы не просто производить в стране импортоповторение, а осуществлять реальное импортозамещение путем внедрения собственных российских разработок.
Часть 2. Осевому потоку – осевой привод
Восстановление экономики Европы в послевоенные годы потребовало значительных объемов нефтепродуктов, для перекачки которых начали использовать трубопроводы больших диаметров. Таким образом, возникла необходимость в новых моделях клапанов.
Благоприятные возможности управления потоком с помощью осесимметричного запора позволили компании Mokveld более 60 лет назад изготовить удачную модель клапана регулирования потока передвижением запирающего элемента вдоль трубопровода. Для привода цилиндрического запорного элемента использовали самую простую передачу из двух зубчатых реек, двигающихся под прямым углом друг к другу. Однако простая, на первый взгляд, конструкция потребовала материалов особой прочности и специальных станков высокой точности, а также сложного уплотнительного устройства для линейного движения штока привода вертикальной рейки. Новый тип клапана (рис. 1) обрел новую форму литого корпуса, который получился неразборным, сложным, стали необходимыми большие затраты времени и средств на отливку и обработку. Тщательная отработка технологии изготовления клапанов осевого потока позволила компании Mokveld занять монопольную позицию в мире арматуры на десятилетия, сделала эти клапаны образцом качества и надежности для нефтяных гигантов, включая российские компании (тем более что других моделей в то время не существовало).
Недостатки реечного привода и сложность изготовления корпуса заставили многих изобретателей разрабатывать новые модели клапанов осевого потока с различными типами приводов и сборными корпусами. Но только после 2010 года английская компания Goodwin разработала и запустила в промышленное производство новую модель клапана осевого потока (рис. 2), в котором заменила зубчатые рейки скольжения на привод качения «рейка-шестерня-рейка», что сделало их производство проще и уменьшило требуемое усилие привода. Другим принципиальным новшеством явился сборный корпус из трех частей, которые стало возможно изготавливать не только отливкой, но и штамповкой и ковкой, что снизило затраты времени и средств на производство и повысило надежность клапана, хотя и потребовало дополнительного времени на сборку.
Для техобслуживания или ремонта обе представленные модели клапанов необходимо снимать с трубопровода для доставки в цех, а на их место ставить другие, это увеличивает время и эксплуатационные затраты. Рассмотрим модели клапанов осевого потока, произведенные в Российской Федерации (рис. 3- 5).
Предлагаемая конструкция корпуса клапана осевого потока МОИ (рис. 6) похожа на модель Mokveld по отливке, запорному седлу, тримму и запорному поршню, двигающемуся внутри тримма для закрытия/открытия прохода.
Основная идея заключается в отказе реечного привода и привода «рейка-шестерня-рейка» запорного поршня для повышения надежности работы, уменьшения усилия привода, применения вращения штока привода, для дистанционного аварийного закрытия клапана. Это достигается путем использования специального круглого приводного цилиндра, перемещающегося внутри обтекаемого пилона. Этот цилиндр имеет продольное сквозное отверстие по всей длине, через которое проходит шток с резьбой, входящей в ползун с подшипниками. По бокам этого отверстия имеются пазы прямоугольной формы, наклонные под 45 градусов, и по ним перемещаются подшипники качения на осях ползуна, двигающегося по резьбе штока при вращении, благодаря чему перемещается сам цилиндр и связанный с ним запорный поршень.
Для такой схемы необходимо меньше силы привода, не требуется применение высокопрочных металлов и высокой точности обработки, которые нужны для приводов Mokveld и Goodwin. При вращении штока привода применяются простые уплотнения, которые дольше сохраняют герметичность, при этом требуется меньшая мощность привода.
Для перекачки загрязненных сред клапан дополняется кольцом защиты уплотнения, которое закрывает сальник в открытом положении и не нарушает плотность закрытия в положении «закрыто» (рис. 7).
Возникает резонный вопрос, можно ли в клапане осевого потока применить осевой привод для движения перекрывающего поршня? Да, можно. И нужно. При этом все элементы привода находятся на одной прямой линии с вращением относительно друг друга, что требует минимальных усилий привода и простого уплотнения сальника приводного штока. Корпус – основная часть клапана для надежного соединения участков трубопровода – состоит из трех частей: основная часть (осесимметричная обтекаемая втулка для крепления тримма и движения внутри него запорного элемента с помощью осевого привода), пилон с втулкой (для крепления внутри тримма с движением в нем запорного поршня) и крышка закрытия отверстия основной части клапана. Корпус и пилон с втулкой можно изготавливать литьем, а крышку штамповкой, или для особо прочных изделий – поковкой. Такая конструкция (рис. 8) позволяет проводить техобслуживание и ремонт внутренних элементов (перекрывающего поршня и тримма, привода, уплотнительных элементов) без вытаскивания всего клапана с трубопровода, а только путем снятия крышки с заменой изнашивающихся частей на приготовленные и заранее приработанные в цехе.
Запорно-регулирующий осесимметричный клапан с осевым приводом работает следующим образом:
• в открытом положении поршень находится в тримме 6 внутри втулки, поток рабочей среды проходит осесимметрично вокруг обтекаемой втулки 5 внутри корпуса 1, закрытого съемной крышкой 3. Поршень 7 за счет разгружающих отверстий 8 разгружен, давление в полостях входа и выхода потока выравнено, соответственно, нагрузка на привод минимальная;
• для закрытия клапана вал привода 10 вращается, винтовая насадка через карданное соединение перемещает поршень 9 до упора в уплотнение седла 14, герметично отсекает полость входа от полости выхода с помощью уплотнений 19, 15 и 11. Рабочее давление среды в закрытом положении действует через прорези тримма на боковые поверхности поршня, поэтому сопротивление его открытию минимально;
• для ремонта, техобслуживания уплотнений, контроля состояния пары тримм-поршень необходимо установить поршень в положение «открыто», винтовая насадка 16 войдет в центрирующую трубку 17. После этого нужно освободить стопорное кольцо 20 вала снаружи изогнутой входной части клапана, выкрутить вал из винтовой насадки карданного соединения с поршнем и вытащить его из уплотнения втулки 11 и уплотнения корпуса клапана 12. После чего откручивают болты крепления крышки с пилоном и втулкой. Тримм 6, устанавливаемый торцом вплотную к поверхности кольцевого посадочного седла 14, скользит по ней при разъединении крышки с корпусом. Таким образом, отработавший плановый срок узел меняют на готовый к замене. В такой корпус можно устанавливать другие элементы запорной, контрольной и прочей арматуры.
Приглашаем конструкторов арматуры, эксплуатационников, а также всех заинтересованных в разработке нашей простой и надежной модели клапана осевого потока принять участие в обсуждении предлагаемой конструкции, чтобы не просто производить, но и продавать за границу арматуру, произведенную в России. Это будет настоящее ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ, а не просто импортоповторение.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 6 (48) 2018
