10 февраля 2016

Автор:
Евсиков Владимир Евсеевич

В.Е. Евсиков. Разработка новых конструкций клапанов с разгруженными затворами

За последние годы в арматуростроении наметилась четкая тенденция к использованию разгруженных затворов для проведения запорных, запорно-регулирующих работ системы трубопроводов. Особенно ярко это наблюдается в клапанах, работающих на высоких давлениях рабочей среды и больших диаметрах. Все это вполне закономерно, ибо только разгруженный затвор позволяет существенно снизить усилия приводов, уменьшить весогабаритные характеристики, повысить быстродействие срабатывания и в то же время увеличить плавность и точность регулировки.

Представленный анализ наиболее распространенных запорно-регулирующих клапанов с разгруженными затворами выявляет все положительные и отрицательные стороны существующих конструкций.

Клапан двухседельный

Широко распространен для регулировки высокотемпературных рабочих сред. Имеет уравновешенный разгруженный затвор и требует небольших усилий для управления. Основной недостаток – отсутствие герметичного перекрытия проходного сечения в положении «Закрыто».

Клапан запорно-регулирующий клетковый

Наиболее распространенной конструкцией является клетковый запорно-регулирующий клапан. Дроссельный узел с разгруженным плунжером и радиальными уплотнительными кольцами представлен на рис. 1.

Рисунок 1 – Клапан запорно-регулирующий клетковый

Высокое давление рабочей среды подается во входной патрубок. В результате дросселирования рабочая среда выходит через выходной патрубок корпуса с пониженным давлением и повышенной скоростью. Дросселирование происходит за счет перекрытия отверстий трима (клетки) плунжером. Так как мягкие уплотнительные кольца в плунжерной паре препятствует прохождению рабочей среды из полости А в полость В, то в чистой среде износ уплотнительных поверхностей незначителен и надежность работы данного узла может быть гарантирована. Однако если в рабочей среде встречаются абразивные включения, способствующие износу уплотнений, слабозагрязненная рабочая среда под действием перепада давления заполняет образовавшиеся зазоры в плунжерной паре. Это приводит к повышению силы трения и увеличению усилия перемещения плунжера, вплоть до его остановки. Этот недостаток конструкции приводит к частым отказам.

Протечки через кольцевые уплотнения в процессе эксплуатации являются также причиной отсутствия герметичности затвора в закрытом положении, несмотря на то, что уплотнительные поверхности плунжера и седла обеспечивают герметичность затвора.

И наконец, одним из существенных недостатков конструкции является ограниченное использование ее по температурному интервалу рабочей среды (от -100°С до +220°С), так как для радиальных уплотнений в плунжерной паре используются мягкие материалы (резина, эластомер).
Использование же высокотемпературного материала в уплотнении типа «графлекс» без постоянного поджатия не обеспечивает необходимую герметичность в закрытом положении затвора.

Клапан запорно-регулирующий с пилотным управлением

Для запорно-регулирующей арматуры с разгруженным приводом, больших проходных сечений (DN), работающих на высоких энергетических параметрах, широко используется конструкция клапана с пилотным управлением. Такая конструкция представлена на рис. 2.

Рисунок 2 – Запорно-регулирующий клапан с пилотным управлением

Особенность этого клапана в отличие от клапана клеткового типа – только в конструкции плунжера, внутри которого размещен пилотный клапан, открывающий отверстие внутри плунжера в процессе открытия и регулирования.

При закрытии происходит перекрытие как основного уплотнения плунжера по седлу, так и затвора пилотного клапана. Радиальные уплотнительные элементы плунжера в виде колец не влияют на герметичность затвора в положении «закрыто». Поэтому их можно заменить, например, на обычные металлические поршневые кольца и использовать клапан на высокотемпературных средах.
Однако постоянное перетекание рабочей среды через радиальные уплотнительные кольца, как и в предыдущем клапане клеткового типа, при наличии в среде абразивных включений приводит к засорению зазоров в плунжерной паре. Практически в трубопроводах, особенно больших сечений, невозможно получить рабочую среду высокой чистоты. Поэтому данный конструктивный недостаток всегда снижает надежность клапана.

Новые запорные и запорно-регулирующие клапаны

На предприятии ООО «НПЦ «АНОД» разработаны и запатентованы два концептуально новых технических решения затворов (модель S, модель W), устраняющие вышеперечисленные недостатки существующих конструкций, позволяющие создать новую гамму клапанов запорных и запорно-регулирующих с различными конструкциями корпусов.

Рисунок 3 – Клапан запорно-регулирующий с разгруженным затвором модели S

Разгруженный плунжерный затвор модели S (альтернатива клапана запорно-регулирующего клеткового). На рис. 3 представлен разгруженный плунжерный затвор в регулирующем положении, который состоит из двух одинаковых сильфонов по ГОСТ 21744-83, последовательно соединенных через резьбовую муфту, перемещаемую приводом через шток. Верхний сильфон герметично соединен с колонной, а нижний сильфон герметично заглушен грибком с выступом под байонетное соединение. С муфтой непосредственно связан плунжер с уплотнительной поверхностью. В сборе данная конструкция образует выемную часть затвора.

Трим представляет собой полую втулку, на боковых поверхностях которой выполнены профилированные окна, а в верхней части – отверстие под байонетное соединение. При установке в корпус выемная часть затвора разворачивается на 90°, байонетный замок запирается и в таком положении фиксируется поджатием фланца через уплотнение к корпусу.

Предусмотренное сальниковое уплотнение по штоку используется как аварийно-страховочное и в процессе эксплуатации не работает, т. е. внутренняя полость сильфонов сообщена с внешней средой.
Усилие давления рабочей среды, действующее на сильфоны, воспринимается резьбовым соединением трима и корпуса, обеспечивая существенную разгрузку плунжера. Давление рабочей среды, подаваемое на затвор при регулировании клапана, беспрепятственно проходит в полость А и В. Плунжер полностью разгружен. В закрытом положении уплотнительная поверхность плунжера соприкасается с уплотнительной поверхностью седла и герметично перекрывает поток рабочей среды.

Конструктивные особенности клапана:

1. Высокая герметичность относительно внешней среды.

2. Высокая герметичность затвора (класс А по ГОСТ 9544-93) в положении «закрыто».

3. Возможность работы клапанов на средах (вода, газ, пар) с температурой от -260° до +600°С.
Особенности 1, 2, 3 обеспечиваются благодаря использованию в конструкции плунжерного затвора герметичных сильфонов.

4. Небольшое усилие привода клапана.
Обеспечивается как за счет наличия разгруженного затвора, так и за счет дополнительного усилия поджатия затвора. Затвор конструктивно выполнен так, что средний диаметр уплотнительной поверхности седла (Dср.упл.) больше, чем средний диаметр сильфона (Dср.сил.). Поэтому кроме усилия привода, действующего через шток, в конце закрытия на плунжер действует еще и дополнительное усилие, равное

где P – перепад давления между входным и выходным патрубками клапана.

5. Возможность работы клапанов в слабозагрязненных рабочих средах.
Эта особенность объясняется тем, что в процессе регулирования (рис. 4) плунжер полностью разгружен, т.е. давление полостей А и В равно давлению рабочей среды на входе. Это создает застойную зону, которая при работе клапана не обновляется загрязненной средой. Кроме того, радиальные направляющие плунжера имеют многочисленные пазы, уменьшающие площадь соприкосновения.

6. Надежность и снижение затрат на обслуживание.
В клапане отсутствуют мягкие подвижные уплотнения. Отсутствует необходимость подтяжки сальника.

Уплотнение затвора

Уплотнение в затворе может быть плоское или «конус по сфере».
Материалы уплотнительных поверхностей – «метал-по-металлу» с использованием твердосплавных антикоррозионных наплавок или «метал-по-эластомеру».

Управление клапаном

Управление клапаном производится при помощи:

- пневматического мембранно-исполнительного механизма (МИМ) по ГОСТ 13373-67 с позиционером;
- ручного привода;
- механизмов исполнительных электрических прямоходных (МЭП).

Испытания клапана и результаты

Пропускная способность и линейная характеристика запорно-регулирующего клапана были определены при испытаниях опытного образца на стенде ЗАО «НПФ «ЦКБА».
Клапан запорно-регулирующий успешно прошел сертификационные испытания на стенде ОАО НПО «ЦКТИ» при параметрах перегретого пара: давление – 3,25 МПа, температура – 425°С с совершением 3000 циклов «открыто-закрыто».

В результате проведенных работ были получены Сертификат соответствия № РОСС RU. НО03.А01592 от 13.07.2006 и Разрешение на применение № РРС 00-22128 от 13.09.2006 на целый ряд клапанов типа КЗ и КЗР. Конструкция клапанов защищена патентом РФ на изобретение №2298127 приоритетом от 12.09.2005 года.

Области применения клапанов

Клапаны запорные и запорно-регулирующие, работающие при температуре от -260° до + 550°С (уплотнение затвора «металл по металлу»), используются:

1. Для сред с высокоэнергетическими параметрами (вода, газ, пар).

2. Для криогенной техники.

3. Для жидких и газовых загрязненных сред.

Клапаны запорные и запорно-регулирующие, работающие при температуре от -196° до + 225°С (уплотнение затвора «металл по эластомеру»), используются:

1. Для криогенной техники.

2. Для жидких и газовых загрязненных сред.

В таблице 1 представлена номенклатура клапанов типа КЗР и КЗ с разгруженным затвором, которые могут быть изготовлены с использованием серийных сильфонов по ГОСТ 21744-83.

Таблица 1 ― Номенклатура клапанов ООО НПЦ АНОД с разгруженным затвором

Примечания:

1. Материалы корпусов – 25Л, 12Х18Н9ТЛ, 12Х18Н12М3ТЛ.
2. Типы корпусов – проходные и угловые.

Несмотря на все преимущества затвора модели S, широкое использование его при проектировании клапанов существенно уменьшается вследствие ограниченного ряда типоразмеров сильфонов по ГОСТ 21744-83.

Разгруженный плунжерный затвор модели W (альтернатива клапана с пилотным управлением, рис. 4) состоит из плунжера с уплотнительной поверхностью, шарнирно соединенного через шток с приводом. Верхняя часть плунжера герметично соединена с верхней концевой деталью сварного сильфона со складывающейся формой гофр, а нижняя концевая деталь сильфона герметично установлена между корпусом клапана и фонарем.

Рисунок 4 ― Клапан запорно-регулирующий с разгруженным затвором модели W

Плунжер направляется в корпусе тримом и в конце своего хода перекрывает поток рабочей среды, поджимаясь к уплотнительной поверхности седла.

Сильфон плунжера образует две автономных полости А и В. Полость А постоянно сообщена с полостью высокого давления рабочей среды, а полость В сообщена с полостью рабочей среды через каналы, выполненные в нижней концевой детали, и байпасную линию с клапаном малого проходного сечения.

Особенность этой конструкции заключается в том, что при регулировании потока давление в полостях А и В всегда одинаково. Металлический сильфон выдерживает многомиллионную цикличность с обеспечением необходимого хода затвора. В закрытом положении сильфон почти полностью сжимается и превращается в жесткую втулку.

Средний диаметр сильфона конструктивно больше среднего диаметра уплотнительных поверхностей затвора. Поэтому, если требуется создать необходимое усилие для герметизации затвора, достаточно перекрыть клапан байпасного соединения. При этом рабочая среда из полости В выходит в выходной патрубок клапана, тем самым нагружая соответствующим усилием уплотнение. Сильфон в почти сжатом состоянии способен воспринимать очень высокое наружное давление.

При открытии клапана байпасной линии давление в полости В становится равным рабочему давлению; далее затвор работает в разгруженном режиме.

При сопоставлении конструкций клапана с плунжерным затвором модели W и клапана с пилотным управлением можно найти общие принципы разгрузки плунжерного затвора. В обоих вариантах существует пилотный клапан, который позволяет выровнять давление верхней и нижней части плунжера, в обоих вариантах имеется возможность обеспечить поджатие затвора, используя при закрытии перепад давления рабочей среды.

Основные существенные отличия предлагаемого клапана заключаются в том, что пилотный (байпасный) клапан малого диаметра вынесен за пределы затвора арматуры и позволяет установить перед ним фильтр для очистки рабочей среды от абразивных и других включений, что практически невозможно выполнить в существующей конструкции, так как фильтры придется устанавливать перед входом в клапан с большим диаметром.

Использование новой конструкции позволит существенно повысить надежность клапана, так как перемещение плунжера с уплотнением относительно втулки происходит в постоянно отфильтрованной чистой рабочей среде. Практически устраняется возможность заклинивания плунжера.

В настоящее время на предприятии НПЦ «АНОД» разгруженный затвор модели W установлен на опытном образце клапана осевого потока DN 150, рассчитанного на параметры рабочей среды (газ, жидкость, пар) с температурой до 560°С и давлением до 20,0 МПа.

Клапан изготовлен и готовится к испытаниям на различных средах.

Для замера дебита газо-нефтяных скважин изготовлены 2 опытных образца клапана DN 32 PN 40 с электромагнитным приводом, где используется разгруженный затвор модели W. Затвор клапана полностью разгружен, то есть средний диаметр сильфона равен среднему диаметру уплотнительной поверхности клапана, поэтому байпасная линия отсутствует. Клапан обеспечивает многомиллионную цикличность и в закрытом положении затвора использует только усилие электромагнитного привода.

В ближайшее время клапаны будут смонтированы на действующей установке для проведения испытаний. После успешных испытаний опытных образцов и получения соответствующих документов НПЦ «АНОД» предлагает разработку и изготовление практически любого запорно-регулирующего и отсечного (запорного) клапана в пределах рабочих параметров PN 35МПа, Т 600°С, DN 300 с затвором модели W. Клапаны с затвором модели W защищены патентами РФ на изобретение №2241883 от 02.10.2003, №2267680 от 28.05.2004, №56532 от 27.12.2005.

Опубликовано в «Вестнике арматурщика» № 7 (27) 2015

Размещено в номере: "Вестник арматурщика" № 7 (27) 2015