Клапан с приводом: типы, размеры и руководство по выбору

Что такое Клапан С приводом

Клапан с приводом представляет собой узел клапана в паре с механическим приводом, который открывает, закрывает или дросселирует клапан без маховика или рычага. Привод обеспечивает крутящий момент или усилие, необходимые для перемещения запорного элемента, и его можно активировать локально, из диспетчерской или автоматически по сигналу процесса. В более чем 95 процентах промышленных установок используются три типа приводов: пневматические, электрические и гидравлические. , с ручными редукторами, предназначенными для больших клапанов, которым необходимы механические преимущества, но не автоматизация.

Выбор правильной комбинации клапана и привода сводится к четырем вопросам: какой крутящий момент необходим клапану в худшем рабочем режиме, как быстро клапан должен двигаться, какой источник питания доступен на месте установки и должен ли клапан выйти из строя в безопасное положение при потере мощности или воздуха. Каждая рекомендация в этой статье основана на этих четырех вопросах, а не на предпочтениях или привычках бренда.

Комбинацию клапана и привода часто называют автоматическим клапаном, клапаном с электроприводом или клапаном с приводом в зависимости от отрасли и региона, но основная инженерная проблема в каждом случае одна и та же: согласовать выходную мощность привода с потребностями клапана на всем протяжении хода, в худшем состоянии, которое может возникнуть в процессе, а не только в среднем состоянии, которое наблюдается большую часть времени. Заводы, которые рассматривают выбор привода как второстепенный вопрос по сравнению с выбором клапана, являются теми, на которых наблюдается самый высокий уровень остановок, замедления работы или протечек автоматических клапанов в течение первых двух лет эксплуатации.

Как работает привод клапана

Четвертьоборотный привод клапана поворачивает шток клапана на 90 градусов, перемещая шар, диск или плунжер из полностью открытого положения в полностью закрытое. Вместо этого линейный привод толкает или тянет шток по прямой линии, что является движением, необходимым для шарового клапана или задвижки. Привод соединяется с клапаном через приводную муфту, которая передает крутящий момент или усилие, компенсируя при этом любое небольшое несоосность между двумя компонентами.

Внутри пневматического привода сжатый воздух толкает поршень, который соединен с кулисным или реечным механизмом, преобразуя линейную силу поршня во вращательное усилие. Электрический привод использует двигатель и зубчатую передачу для создания одинакового вращательного или линейного движения, используя источники питания 24 В постоянного тока, 110 В переменного тока или 220 В/380 В переменного тока в зависимости от места установки. В гидравлическом приводе вместо воздуха используется масло под давлением, и его выбирают, когда в компактном корпусе требуется очень высокий крутящий момент, например, на больших трубопроводных клапанах.

Независимо от источника питания, каждый привод имеет одну и ту же базовую архитектуру: силовой модуль, который генерирует чистую силу, трансмиссию, которая преобразует эту силу в правильное движение клапана, муфту, которая передает движение на шток клапана, и модуль управления, который сообщает силовому модулю, когда и как далеко нужно двигаться. На простых двухпозиционных клапанах модуль управления может представлять собой простой электромагнитный клапан, переключающий поток воздуха, а на модулирующих регулирующих клапанах он становится позиционером, сравнивающим фактическое положение штока с 4–20 мА или цифровым заданным значением много раз в секунду.

Типы приводов клапанов

Пневматические приводы

Пневматические приводы остаются наиболее широко используемым типом на водоочистных, нефтехимических и пищевых предприятиях, поскольку их соотношение цены и крутящего момента трудно превзойти, если на объекте уже существует сеть сжатого воздуха. Пневматический привод с кулисным механизмом обеспечивает максимальный крутящий момент в начале и конце хода, что соответствует требованиям к отрыву и посадке большинства четвертьоборотных клапанов. Реечный пневматический привод обеспечивает более стабильный и симметричный крутящий момент на протяжении всего хода и, как правило, является более компактным вариантом для клапанов малого и среднего размера.

• Двойного действия: давление воздуха приводит в действие как ход открытия, так и закрытие, создавая одинаковую силу в обоих направлениях.
• Пружинный возврат: воздух открывает или закрывает клапан, а сжатая пружина приводит в противоположный ход, обеспечивая защитное действие в случае потери подачи воздуха.
• Типичный диапазон давления питания составляет от 4 до 7 бар, а таблицы выходного крутящего момента публикуются для каждого уровня давления производителем привода.
• Мембранные приводы, третья пневматическая конструкция, используют гибкую мембрану вместо поршня и часто используются в линейных регулирующих клапанах, которым требуется плавная модуляция с низким коэффициентом трения.

Электрические приводы

Электрический привод клапана является правильным выбором в тех случаях, когда к клапану не доходит линия приборного воздуха, когда клапан находится в удаленном или необслуживаемом месте или где рабочий цикл медленный и нечастый. Полный ход типичного электропривода занимает от 15 до 60 секунд. , заметно медленнее, чем пневматические агрегаты, а двигатель и зубчатая передача увеличивают стоимость и усложняют проводку по сравнению с простой воздушной линией. Взамен электрические приводы обеспечивают точное позиционирование без отдельного позиционера и подключаются непосредственно к существующей электроинфраструктуре предприятия.

Электрические приводы далее подразделяются на двухпозиционные блоки, которые просто приводят клапан в полностью открытое или полностью закрытое положение и останавливаются с помощью моментных или концевых выключателей, и модулирующие блоки, которые оснащены более мощными двигателями и зубчатыми передачами, рассчитанными на непрерывное позиционирование. Использование электропривода с номиналом «открыто-закрыто» в модулирующем приложении является одним из самых быстрых способов сжечь двигатель, поскольку двигатель никогда не был предназначен для повторяющихся запусков, остановок и реверсов, которые требуются для регулирования.

Гидравлические приводы

Гидравлические приводы производят самую высокую плотность крутящего момента из трех типов и используются по умолчанию в шаровых кранах больших трубопроводов, подводных клапанах и запорных клапанах тяжелой промышленности, где пневматический или электрический блок был бы непрактично большим. Для них требуется специальный гидравлический силовой агрегат, что увеличивает стоимость установки, поэтому они предназначены для применений, где требования к крутящему моменту действительно превышают то, что пневматические или электрические варианты могут обеспечить экономично. Многие комплекты гидравлических приводов также включают в себя аккумулятор, в котором хранится масло под давлением, поэтому клапан может выполнить аварийный ход, даже если гидравлический насос теряет мощность.

Операторы ручного редуктора

Приводы с ручным редуктором не являются приводами с приводом в строгом смысле этого слова, но они относятся к одному и тому же разговору, поскольку решают одну и ту же механическую проблему: уменьшение крутящего момента, который человеку необходимо приложить вручную. Привод с червячной передачей позволяет одному человеку открывать или закрывать клапан, для которого в противном случае потребовалось бы гораздо большее усилие, чем могло бы создать только маховик, а приводы с червячной передачей часто устанавливаются между большим клапаном и приводом с приводом, чтобы уменьшить требуемый выходной крутящий момент привода.

Пневматические и электрические клапаны

В таблице ниже сравниваются два наиболее распространенных типа приводов по факторам, которые обычно определяют решение о покупке.

Ни один из типов привода не является лучшим в целом; Решающим фактором почти всегда является то, какая инфраструктура уже существует в месте установки. Завод с общезаводской сетью приборного воздуха почти всегда по умолчанию использует пневматические приводы по соображениям экономии, в то время как автономный удаленный трубопроводный клапан без близлежащего воздушного компрессора обычно по умолчанию работает на электричестве, иногда в сочетании с солнечной энергией и аккумулятором, где электроэнергия от сети также недоступна.

Определение крутящего момента привода: процесс расчета

Правильный выбор привода клапана — это единственный фактор, который больше всего влияет на надежную работу автоматического клапана в течение всего срока службы. Этот процесс состоит из трех этапов, которые следует выполнять каждый раз по порядку.

1. Рассчитайте общий требуемый крутящий момент или тягу при наихудших условиях процесса, а не при средних условиях эксплуатации.
2. Примените коэффициент запаса, обычно В 1,25–1,5 раза превышает расчетный крутящий момент , чтобы компенсировать увеличение трения из-за износа седла, колебаний температуры и незначительного смещения в течение срока службы клапана.
3. Выберите модель привода, которая обеспечивает как минимум этот крутящий момент при минимальном ожидаемом давлении воздуха или минимальном напряжении, которое может гарантировать площадка, но никогда при номинальных условиях питания.

Для приводов с пружинным возвратом определение размеров не ограничивается ходом воздуха. Ход пружины также необходимо проверить, поскольку только пружина должна закрывать или открывать клапан при наихудшей технологической нагрузке при нулевой подаче воздуха. Проверка только крутящего момента воздушного хода и игнорирование крутящего момента хода пружины является одной из наиболее распространенных ошибок при выборе размеров, о которых сообщают инженеры по автоматизации клапанов.

Пример рабочего размера

Рассмотрим 4-дюймовый шаровой кран с мягким седлом с заявленным моментом срыва 80 ньютон-метров и моментом посадки 70 ньютон-метров при максимальном номинальном давлении. Наибольшее из двух значений, 80 ньютон-метров, становится базовым значением крутящего момента. Применение коэффициента безопасности 1,4x увеличивает требуемую мощность привода до 112 ньютон-метров. Затем необходимо выбрать модель привода из таблицы крутящего момента производителя, которая обеспечивает не менее 112 ньютон-метров при минимальном гарантированном давлении воздуха на объекте, например 4,5 бар, а не номинальных 6 бар, на которые рассчитан компрессор, поскольку давление воздуха может падать в периоды высокого спроса на предприятии.

Срывной, посадочный, динамический и подшипниковый крутящий момент

Общий крутящий момент привода представляет собой не одно число, а сумму нескольких сил, действующих на клапан одновременно. Понимание каждого компонента в отдельности позволяет диагностировать, почему привод правильного размера все еще может заглохнуть на конкретном клапане.

Отрывной крутящий момент

Крутящий момент, необходимый для перемещения запорного элемента с его седла из полностью закрытого стационарного положения. Обычно это самый высокий требуемый крутящий момент за весь ход, особенно на шаровых кранах с плотными седлами, находящимися под постоянной нагрузкой.

Посадка Крутящий момент

Крутящий момент, необходимый в самом конце хода закрытия для сжатия седла и обеспечения герметичного закрытия. Недостаточный момент затяжки является частой причиной того, что после установки в клапанах возникает небольшая утечка.

Динамический крутящий момент

Присутствует в основном на дроссельных заслонках, где диск находится непосредственно на пути потока на полпути хода. Текущая жидкость оказывает на диск гидродинамическую силу, и эту составляющую необходимо рассчитывать отдельно от статического момента отрыва.

Крутящий момент подшипника

Трение от стержневых подшипников и уплотнений клапана присутствует на протяжении всего хода. Обычно это наименьший из четырех компонентов, но его все равно необходимо прибавлять к общей сумме, особенно на клапанах, рассчитанных на высокие перепады давления.

Крутящий момент не остается постоянным по мере старения клапана. Материал седла затвердевает или изнашивается, уплотнение затягивается или ослабляется, а подшипники штока покрываются окалиной или коррозией в зависимости от рабочей жидкости. Расчет крутящего момента, выполняемый только один раз при вводе в эксплуатацию, без учета этого дрейфа, является причиной того, что некоторые приводы, которые отлично работали в течение первого года, начинают периодически глохнуть на третий или четвертый год, хотя в самом процессе ничего не изменилось.

Стандарт крепления ISO 5211

Механический интерфейс между четвертьоборотным клапаном и его приводом стандартизирован в соответствии с ISO 5211, который определяет расположение болтов, размер резьбы болта и размер приводного квадрата для каждого класса размеров фланца. Любой привод, соответствующий стандарту ISO 5211, крепится непосредственно к любому клапану, соответствующему стандарту ISO 5211, с соответствующим размером фланца. , поэтому этот стандарт важен при покупке клапана и привода от разных производителей.

Соответствие только классу фланца не всегда достаточно, поскольку размер приводного квадрата внутри класса фланца может различаться у разных производителей при граничных значениях крутящего момента. Подтверждение диаметра окружности болта и размера приводного квадрата перед заказом позволяет избежать несоответствия, которое становится очевидным только после того, как привод физически прибудет на место и не сядет на верхнюю часть клапана.

Приводы отказоустойчивого действия и с пружинным возвратом

Отказоустойчивое действие определяет, что автоматически делает клапан, если он теряет источник питания, будь то сжатый воздух или электричество. В пневматическом приводе с пружинным возвратом одно направление движения приводится в движение воздухом, а другое — сжатой внутренней пружиной, поэтому клапан перемещается в безопасное положение в момент мгновенного падения давления воздуха без необходимости внешнего сигнала. Это делает пружинный возврат стандартным выбором для клапанов аварийного отключения или ESD в опасных технологических зонах.

Электрические приводы сами по себе не обеспечивают такого поведения, поскольку двигатель не имеет собственного безопасного направления после отключения питания. Безотказный электрический привод требует наличия резервной батареи или модуля механического пружинного возврата, добавленного к устройству, что увеличивает стоимость и размер. По этой причине пневматические приводы с пружинным возвратом остаются предпочтительными там, где выполнение аварийного отключения является требованием технологического процесса.

Любое изменение направления обеспечения безопасности клапана на существующей установке должно пройти формальную инженерную проверку и процесс управления изменениями, поскольку изменение действия по обеспечению безопасности без проверки было основной причиной серьезных технологических инцидентов в прошлом.

Менее распространенный, но все же важный вариант — это привод двойного действия в сочетании с внешним предохранительным аксессуаром, таким как объемный резервуар или воздушный резервуар, подключенный непосредственно к приводу. Эта конструкция локально хранит достаточно сжатого воздуха, чтобы выполнить один полный отказоустойчивый ход, даже если главный воздушный коллектор установки потерян, обеспечивая отказоустойчивое поведение приводов двойного действия, аналогичное устройству с пружинным возвратом, без ущерба для более компактной и легкой конструкции, которую механизмы двойного действия предлагают на клапанах большего размера.

Соответствие приводов распространенным типам клапанов

Не каждая пара клапана и привода ведет себя одинаково, поскольку профиль крутящего момента на протяжении хода меняется в зависимости от геометрии клапана. В таблице ниже суммировано, чего ожидать от четырех типов клапанов, которые чаще всего автоматизируются четвертьоборотным или линейным приводом.

Шаровые краны функционируют с поворотом на четверть оборота, который вращает шар внутри корпуса, поэтому они являются наиболее распространенным типом клапанов в сочетании с быстроходными пневматическими приводами для изолирующих функций. Поворотные затворы имеют самую сложную кривую крутящего момента из четырех, поскольку диск остается на пути потока на протяжении всего хода, а не только в начале и конце. Пробковые клапаны развивают большую часть своего сопротивления за счет конусности плунжера, трущегося о гильзу корпуса, что означает, что их кривая крутящего момента остается сравнительно плоской и предсказуемой по всему ходу хода по сравнению с дроссельной заслонкой.

Многооборотные приводы для задвижек и задвижек

В задвижках и многих проходных клапанах используется поднимающийся или не поднимающийся резьбовой шток, для перехода от полностью открытого положения к полностью закрытому требуется множество оборотов, а не один поворот на 90 градусов. Многооборотный привод имеет внутреннюю зубчатую передачу, отличную от четвертьоборотного привода, рассчитанную на выполнение полного количества оборотов штока за заданное время хода, при этом развивая достаточную тягу на последних оборотах, когда трение клина и нагрузка на посадку достигают пика на задвижке.

Многооборотные электрические приводы являются основным выбором для больших задвижек на водопроводных магистралях и линиях питательной воды электростанций, где клапану могут потребоваться десятки оборотов для полного хода, а ручное управление может занять несколько минут за цикл. Эти приводы обычно включают в себя концевые выключатели крутящего момента и положения, которые автоматически останавливают двигатель, как только клапан достигает полного открытия или полного закрытия, защищая ворота и седло от чрезмерного затягивания на последних нескольких оборотах хода.

Интеллектуальные позиционеры и типы управляющих сигналов

Автоматическим двухпозиционным клапанам обычно не требуется ничего, кроме простой команды открытия или закрытия, подаваемой посредством дискретного электрического сигнала или электромагнитного клапана, переключающего поток воздуха. Модулирующие регулирующие клапаны представляют собой совершенно другую проблему, поскольку приводу приходится удерживать любое положение между полностью открытым и полностью закрытым точно и повторяемо, часто в течение многих лет без повторной калибровки.

Интеллектуальный позиционер, установленный на приводе, считывает управляющий сигнал, чаще всего аналоговый ток силой 4–20 мА или сигнал цифрового протокола, и постоянно сравнивает фактическое положение штока или вала привода с этим заданным значением. Когда они расходятся, позиционер регулирует поток воздуха к пневматическому приводу или привод двигателя к электрическому приводу до тех пор, пока положение снова не совпадет. Современные интеллектуальные позиционеры могут обеспечить точность управления, сравнимую с электрическими сервосистемами, сохраняя при этом надежность пневматического оборудования. , что является одной из причин, по которой пневматические приводы удерживают свою долю на рынке, даже несмотря на улучшение электрических вариантов.

Цифровая связь между позиционером и системой управления также обеспечивает возможность удаленной диагностики, включая подсчет циклов, определение тенденций времени перемещения и раннее обнаружение увеличения трения задолго до того, как клапан фактически не сможет совершить ход, что дает командам технического обслуживания окно планирования вместо незапланированного отключения.

Распространенные ошибки при выборе размера и установке

Большинство отказов приводов в полевых условиях связано с небольшим количеством повторяющихся ошибок, а не с неисправным оборудованием. Просмотр этих данных перед оформлением заказа на поставку позволяет избежать дорогостоящих доработок после того, как привод уже установлен.

• Выбор привода для среднего рабочего давления вместо редкого случая высокого давления, которого действительно может достичь процесс.
• Выполнение регулирующего рабочего цикла на приводе, рассчитанном на работу в режиме «открыто-закрыто», приводит к перегреву двигателя из-за постоянного реверса.
• Недооценка момента срыва шаровых кранов из нержавеющей стали, поскольку седла из нержавеющей стали захватывают шар сильнее, чем седла из более мягких материалов, и требуют большего пускового крутящего момента.
• Проверка только крутящего момента хода пружины на приводе с пружинным возвратом и пропуск проверки крутящего момента хода пружины.
• Предполагая, что любой привод с правильным крутящим моментом подойдет к любому клапану, без подтверждения соответствия фланца ISO 5211 и квадрата привода.
• Монтаж электропривода вне помещения без подтверждения номинала его корпуса подходит для воздействия дождя, пыли или промывки на объекте.
• Игнорирование экстремальных температур окружающей среды, поскольку как пневматические уплотнения, так и смазочные материалы для электроприводов работают по-разному при очень высоких или очень низких температурах, чем предполагает номинальный крутящий момент привода, указанный в каталоге.

Защита корпуса и воздействие окружающей среды

Приводы, установленные на открытом воздухе, в зонах промывки или в пыльных средах, должны иметь достаточно герметичные корпуса, чтобы не допускать попадания воды и твердых частиц во внутреннюю электронику и шестерни. В технических характеристиках привода указан класс защиты от проникновения, описывающий, насколько хорошо корпус противостоит пыли и воде, и соответствие этого рейтинга реальным условиям на месте так же важно, как и соответствие выходного крутящего момента.

Устройство, рассчитанное только на воздействие небольшого дождя, преждевременно выйдет из строя, если оно установлено на станции очистки сточных вод, где клапаны ежедневно промываются из шлангов, в то время как более тяжелый корпус, рассчитанный на погружную работу, требует ненужных затрат на внутренний клапан с климат-контролем. Береговые и морские установки требуют дополнительного внимания, поскольку насыщенный солью воздух ускоряет коррозию незащищенных крепежных деталей и корпусов гораздо быстрее, чем установка внутри страны с таким же номинальным классом корпуса.

Выбор привода в разных отраслях

Одни и те же принципы проектирования клапанов и приводов применяются повсюду, но доминирующий тип и приоритет привода заметно различаются в разных отраслях.

Практика технического обслуживания для длительного срока службы

Правильно подобранная пара клапана и привода по-прежнему требует регулярного внимания для достижения ожидаемого срока службы. Для пневматических приводов это означает регулярную проверку качества воздуха в приборе, поскольку влага и частицы в подаваемом воздухе ускоряют износ уплотнений и внутренних компонентов гораздо быстрее, чем просто подсчет циклов. Фильтрация и регулирование воздуха на входе в привод — один из самых экономичных способов продлить срок службы привода.

Для электрических приводов периодическая проверка смазки шестерен и уплотнений клеммной коробки предотвращает два наиболее распространенных вида неисправности: сухая передача и попадание влаги в электронику. Циклическое прохождение клапана через полный ход открытия-закрытия по фиксированному графику, даже если процесс этого не требует, предотвращает прилипание седел и уплотнений. на клапанах, которые в противном случае остаются в одном положении месяцами. Устройства с пружинным возвратом следует повторно проверять натяжение пружины при плановых ремонтах, поскольку усилие пружины может незначительно меняться в течение тысяч циклов.

Ведение простого журнала технического обслуживания каждого автоматического клапана, запись времени хода, точек срабатывания моментного выключателя, а также любых утечек воздуха или необычного шума при каждой проверке превращает регулярное техническое обслуживание в систему раннего предупреждения. Постепенное увеличение времени хода в течение нескольких проверок часто является первым измеримым признаком увеличения трения задолго до того, как привод полностью выйдет из строя, что дает бригаде технического обслуживания недели или месяцы времени для планирования ремонта, а не реагирования на незапланированный выезд.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между приводом клапана и позиционером клапана?

Привод создает механическую силу, которая перемещает клапан, а позиционер представляет собой отдельное устройство управления, которое сравнивает фактическое положение привода с управляющим сигналом и корректирует любые отклонения. Простому двухпозиционному клапану часто требуется только привод, тогда как дроссельному регулирующему клапану обычно требуется и то, и другое.

Могу ли я заменить пневматический привод на электрический привод на том же клапане?

Да, при условии, что электрический привод обеспечивает равный или больший крутящий момент, чем оригинал в наихудшем состоянии клапана, и монтажный фланец соответствует стандарту ISO 5211. Компромиссом является скорость хода, поскольку электрические приводы движутся заметно медленнее, чем пневматические.

Как часто следует включать привод клапана, если процесс перемещает его редко?

Ежемесячная или ежеквартальная проверка полного хода является обычной практикой для резервных клапанов, таких как клапаны аварийного отключения, и точный интервал должен соответствовать собственной процедуре технического обслуживания на объекте и рекомендациям производителя привода.

Почему мой привод правильного размера все еще останавливается на шаровом кране?

Наиболее распространенной причиной является момент срыва, который был недооценен для материала седла, особенно для комбинаций седел из нержавеющей стали или с высоким коэффициентом трения, или давление питания на приводе, которое ниже, чем давление, использованное при первоначальном расчете размеров.

Все ли приводы клапанов нуждаются в коэффициенте запаса прочности при расчете крутящего момента?

Да, коэффициент запаса прочности, превышающий расчетный крутящий момент в 1,25–1,5 раза, является стандартной практикой при выборе пневматических, электрических и гидравлических приводов, поскольку трение седла и условия процесса изменяются по мере старения клапана.

В чем разница между четвертьоборотным и многооборотным приводом?

Четвертьоборотный привод поворачивает шток клапана на 90 градусов для перемещения между полностью открытым и полностью закрытым и подходит для шаровых, дроссельных и пробковых клапанов. Многооборотный привод многократно вращает резьбовой шток и подходит для задвижек и шаровых клапанов с выдвижным штоком, которым для прохождения полного хода требуются десятки оборотов.

Всегда ли больший привод обеспечивает лучшую производительность?

Нет, привод слишком большого размера увеличивает ненужный вес и стоимость, а в блоке с пружинным возвратом он также может создавать избыточное усилие посадки, которое повреждает мягкие седла клапанов при повторяющихся циклах. Правильная цель — это самый маленький привод, который по-прежнему соответствует требуемому крутящему моменту с указанным коэффициентом безопасности, а не самый большой из имеющихся.

Как узнать, нужен ли мне привод с пружинным возвратом или привод двойного действия?

Если технологический процесс требует, чтобы клапан автоматически перемещался в безопасное положение при потере мощности или воздуха, стандартным выбором является привод с пружинным возвратом. Если меры безопасности не требуются, а применение требует более легкого и компактного корпуса, привод двойного действия обычно является более экономичным вариантом.