В ГОСТ 24856-2014 приводятся следующие термины и определения: Клапан (вентиль) – тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент перемещается параллельно оси потока рабочей среды. Пояснение в приложении А. Термином «вентиль» в рекламно-информационных источниках обычно называют запорный клапан, как правило, с ручным управлением. В технической документации применение этого термина не рекомендуется в связи с отсутствием у него однозначного толкования1.
Запорный клапан (клапан, вентиль) – запорная арматура, конструктивно выполненная в виде клапана.
Отсечной клапан – отсечная арматура, конструктивно выполненная в виде клапана.
Герметический клапан (гермоклапан, герметический затвор) – арматура для систем вентиляции, конструктивно выполненная в виде затвора дискового, у которого диск в конце хода совершает перемещение перпендикулярное и (или) параллельное оси трубопровода.
Электромагнитный клапан – клапан со встроенным или выносным электромагнитный приводом.
Осесимметричный клапан – осевой клапан, аксиальный клапан): Клапан, в котором подвижная часть затвора перемещается вдоль оси патрубков корпуса.
Проточная часть: Тракт, по которому протекает рабочая среда, сформированная корпусом арматуры и запирающим или регулирующим элементом.
Положительным качеством клапанов является сравнительно небольшой ход запирающего элемента, необходимый для полного открытия. Для этой цели тарелку достаточно поднять на 1/4 диаметра отверстия в седле, тогда как для открытия задвижки необходимо клин или диски переместить на величину, равную диаметру отверстия, т. е. увеличить ход в четыре раза. Поэтому клапаны имеют значительно меньшую строительную высоту, чем задвижки того же диаметра, но строительная длина у них больше, чем у задвижек, причем с увеличением диаметра прохода эта разница увеличивается.
Клапаны получили широкое распространение, часто они применяются на трубопроводах малого диаметра. По мере увеличения диаметра прохода трубопровода, начиная с DN 50, клапаны уступают место задвижкам. При диаметрах DN > 200–250 клапаны используются редко, так как при больших диаметрах и высоких давлениях усилие на шпинделе возрастает настолько, что клапаны становятся трудно управляемыми. Кроме того, запорные клапаны обычной конструкции имеют, как правило, высокий коэффициент гидравлического сопротивления. При больших диаметрах прохода применение клапанов создает значительные потери энергии в связи с большим количеством транспортируемой по трубопроводу среды. Это вызывает излишние расходы из-за необходимости повышать начальное давление в системе.
Мембранные (диафрагмовые) клапаны получили широкое применение и развитие. Они проявили себя настолько успешно, что быстро распространились в управлении рабочими средами. Сегодня трудно найти отрасль промышленности, строительства и транспорта, где не применяются мембранные клапаны.
Электромагнитные запорные клапаны предназначены для быстрого дистанционного отключения или включения трубопровода. В связи с ограниченными тяговыми усилиями применяемых электромагнитов диаметры электромагнитных клапанов прямого действия обычно имеют небольшое значение 6–40 мм.
Применение мембранных усилителей позволяет создавать электромагнитные клапаны DN 100–200.
Электромагнитные запорные клапаны применяются в трубопроводных системах, агрегатах, аппаратах с автоматическим управлением и при управлении процессами вручную. Они отличаются быстродействием и малыми габаритными размерами. При выборе электромагнитного клапана необходимо учитывать его технические данные, назначение, конструктивные особенности, так как не все электромагнитные клапаны допускают любое направление рабочей среды. Некоторые конструкции предназначены для работы только при заданном направлении потока, как правило, под золотник, в противном случае они полностью или частично теряют работоспособность или не обеспечивают герметичность затвора.
Распределительные клапаны, предназначенные для работы в системах отбора проб воздуха, имеют один входной патрубок, который может соединяться с одним из несколькими выходными патрубками.
Распределительные электромагнитные клапаны предназначены для направления рабочей среды в один из двух (или больше) обслуживаемых трубопроводов. В зависимости от числа патрубков для присоединения обслуживаемых линий распределительные клапаны подразделяются на трехходовые (три патрубка), четырехходовые (четыре патрубка) и многоходовые.
Чаще всего распределительные клапаны (распределители) используются для управления пневмо- и гидроприводами.
Они используются также для отбора проб воздуха из нескольких камер. При управлении пневмоприводом выпуск отработавшего воздуха может производиться в атмосферу или в емкость. Для управления распределительным электромагнитным клапаном используются один или два электромагнита. Применяются электромагниты тянущие, толкающие или реверсивные (тянущие и толкающие). Режим работы электромагнитного привода может быть с длительным или кратковременным нахождением обмотки электромагнита под напряжением.
В середине ХХ века появились новые конструкции клапанов. К ним относятся осесимметричные (осевые) клапаны. Пионером в разработке и производстве осевых клапанов стала голландская компания «Моквелд».
В 1955 году фирма «Моквелд», основанная в 1922 году, выпустила на рынок серию арматуры с использованием принципа осевого течения, нашедшего первичное применение в нефтегазовых установках. Начав с запорных клапанов высокого давления, в 1960 году фирма представила обратные осевые клапаны. В 1968 году компания начала производство регулирующих клапанов того же типа. С 1970 года она производит только осевую арматуру. В 1977 году компания предложила первые системы защиты от превышения давления с использованием осевых клапанов. В основе конструкции клапана лежит принцип осевого течения. В соответствии с этим принципом поток рабочей среды двигается вдоль оси клапана, обтекая внутренний корпус. Перемещение запирающего или регулирующего элемента осуществляется за счет реечной передачи, преобразующей движение штока. Реечный узел размещен в заполненной смазкой полости внутреннего корпуса и защищен от воздействия рабочей среды уплотнениями, т. е. находится под атмосферным давлением. Рейки изготавливаются из специальных высокопрочных и твердых сталей, что в совокупности со смазкой обеспечивает их долговременную эксплуатацию. Уплотнение штока выполняет дублирующую роль на случай, если выйдут из строя уплотнения реечного узла. Тогда после закрытия включается в работу встроенная в корпус резьбовая пробка. Плунжер и перфорированная втулка выполняются из специальных материалов, исключающих их заклинивание.
Конструкция плунжера и штока является разгруженной (сбалансированной) по давлению. За счет разгрузочных каналов на торцевые поверхности затвора и штока действуют одинаковые давления, независимо от направления подачи среды. При перемещении плунжера привод клапана преодолевает усилия от трения в реечной передаче и от трения радиальных уплотнений плунжера и штока, которые обычно составляют лишь незначительную часть от усилий для клапанов несбалансированных конструкций.
Осевая форма проточной части не оказывает значительного возмущающего воздействия на поток, что делает осевые клапаны менее шумными, а спокойно продвигающийся по клапану поток не оказывает разрушительного воздействия на стенки корпуса, а также на выходной участок трубопровода. Корпус осевого типа обладает низким гидравлическим сопротивлением движению потока, а конструкция запорного/регулирующего элемента позволяет выполнять клапан полнопроходным. Все это вместе способствует увеличению пропускной способности.
Расширение применения клапанов привело к появлению различных видов арматуры – обратной, запорной, смесительной, распределительной, резервуарной, дроссельной, отключающей, отсечной, переключающей. Производятся многообразные корпуса клапанов – проходной, прямоточный, угловой и другие. Развитие разных отраслей обеспечивалось специальными конструкциями – для ядерных установок, химии, нефтехимии, нефтепереработки, пищевой промышленности, добывающей, металлургии и других.
Широко распространены три основных конструкции корпусов для клапанов – это проходной, прямоточный и угловой корпус.
По ГОСТ 24856-2014:
Проходная арматура – арматура, присоединительные патрубки которой соосны или взаимно параллельны.
Прямоточный клапан (клапан с наклонным шпинделем) – клапан, в котором ось шпинделя или штока не перпендикулярна оси присоединительных патрубков корпуса.
Примечание. Угол между осями шпинделя и патрубков прямоточного клапана для уменьшения коэффициента сопротивления обычно принимают близким к 45°.
Угловая арматура – арматура, в которой оси входного и выходного патрубков расположены перпендикулярно или не параллельно друг другу. Терминология по корпусам указанных разновидностей арматуры и клапана в ГОСТ 24856-2014 отсутствует, однако на практике они называются в соответствии с их названиями. Самой простой конструкцией и наиболее распространенной для применения в воде является проходной корпус. Установка седла в нем позволяет шпинделю и диску перемещаться под прямым углом к оси трубы, что обеспечивает симметричную форму, которая упрощает изготовление, установку и ремонт.
На рисунке 6 показан типичный прямоточный клапан. Эта конструкция является средством защиты от высокого перепада давления. Седло и шпиндель расположены под углом примерно 45°. Этот угол обеспечивает более прямую траекторию потока (при полном открытии) и обеспечивает шток, крышку и упаковку относительно устойчивой к давлению в оболочке.
Прямоточные клапаны лучше всего подходят для работы под высоким давлением и других тяжелых условий эксплуатации. В небольших размерах для нестабильных потоков потеря давления может быть не столь важна, как другие соображения, благоприятствующие конструкции прямоточного корпуса.
Особое преимущество конструкции углового корпуса заключается в том, что он может функционировать как клапан, так и отвод трубопровода.
Большинство клапанов используют одну из трех основных конструкций дисков: плоский, с мягкой вставкой и игольчатый.
Седла клапанов либо объединены с корпусом клапана, либо ввинчены в него. Многие клапаны имеют верхнее уплотнение, которое обеспечивает герметичность между штоком и крышкой. Когда клапан полностью открыт, диск прижимается к верхнему уплотнению. Для низкотемпературных применений запорные и угловые клапаны обычно устанавливаются таким образом, чтобы давление подавалось под золотник.
Это помогает защитить сальник и устраняет эрозионное воздействие на седло и диск. Для применения на высокотемпературном паре клапаны устанавливаются таким образом, чтобы подача среды производилась на диск. В противном случае шток будет сжиматься при охлаждении и стремиться поднять диск с седла.
Из воспоминаний
В Ленинградском научно-производственном объединении арматуростроения «Знамя Труда им. И. И. Лепсе» серийно изготавливались запорные клапаны на 16, 40 атмосфер и другие давления с жестким уплотнением для сред с высокими температурами. Производственники не любили эти заказы, так как обеспечить герметичность в затворах с уплотнением «металл по металлу» было трудно. В производстве массово применялась конструкция клапанов с плоскими золотниками с запрессованными фторопластовыми кольцами для работы при температуре до 200 градусов. А для работы со средами с высокими температурами монтировались такие же золотники, но без фторопластовых колец. Золотники с коническими уплотнительными поверхностями свободно устанавливались на штоках. При каждом открытии и закрытии их уплотнительные поверхности соприкасались с кромками седел в новых точках. Конструкторы, по-видимому, не придавали значения основному правилу проектирования арматуры высокого давления – конический золотник, смяв при первом закрытии острую кромку седла, должен при последующих циклах приходить в соприкосновение с теми же точками, с которыми контактировал ранее. Если это условие не выполнялось, никакая притирка в крупносерийном производстве не могла привести к положительному результату.
Генеральный директор объединения и ЦКБА С. И. Косых, обеспокоенный состоянием сдачи продукции и плохими перспективами выполнения плана, направил в цех начальника научно-исследовательского отдела уплотнений Виктора Андреевича Соловьева. Незадолго перед этим на научно-техническом совете объединения был заслушан доклад с изложением содержания диссертации сотрудника Украинского филиала ЦКБА Давида Ароновича Мендельсона по уплотнениям клапанов. Он исследовал разные виды уплотнений и одним из наиболее эффективных определил упругое уплотнение в седле, образованное тонкостенным кольцевым выступом, которое деформировалось коническим золотником, обеспечивая надежную герметизацию соединения. Это устройство Д. А. Мендельсон назвал «обтюратор», что в переводе обозначало «запирающий элемент».
Слово «обтюратор» произвело на В. А. Соловьева очень сильное впечатление. Придя в цех, он заявил заместителю начальника, что с небольшой доработкой корпуса самого плохого клапана добьется герметичности без всякой притирки. Видавший виды производственник, конечно, не поверил этому. Было заключено пари на стандартных для арматурщиков условиях. Соловьев начертил эскиз, корпус быстро доработали, собрали клапан и поставили на стенд. Клапан оказался герметичным даже при малом усилии на маховике. Удивлению изготовителей не было предела.
К сожалению, в короткие сроки не удалось создать нормативный документ по методам расчета и конструктивным особенностям эластичного уплотнения, завод старался принимать заказы на клапаны с фторопластовыми уплотнениями, а позже начался крутой перелом в жизни страны, и хорошая идея в ЦКБА была забыта.
Дальнейшее развитие это направление получило учеными сначала ведомственной лаборатории герметичности, организованной во Львове по инициативе Украинского филиала ЦКБА, а после развала СССР специалисты перебрались в вузы в Орле, Самаре, Братске, в которых провели серьезные научные исследования уплотнений с упругими седлами клапанов. С их работами я познакомился на конференции, организованной НПАА, где с докладом выступил бывший научный сотрудник Львовской лаборатории герметичности Алексей Митрофанович Долотов, доктор технических наук, профессор Иркутского государственного университета путей сообщения, написавший книгу об уплотнениях в пневмосистемах летательных аппаратов и более 200 научных публикаций. К сожалению, он рано ушел из жизни, не успев окончить научную работу по теоретическому обоснованию герметичности трубопроводной арматуры. Его ученики успешно создали математические модели уплотнений, но, не будучи конструкторами, не разработали нормативный документ по эластичным уплотнениям арматуры.
