Что такое клапан? Типы, направляющие шаровых клапанов и принцип их работы

Что такое клапан?

Клапан — это механическое устройство, которое контролирует поток, давление и направление жидкости, газа или суспензии, движущейся по трубе или воздуховоду, открывая, закрывая или частично перекрывая проход. С практической точки зрения клапан действует как привратник внутри системы трубопроводов: он запускает поток, останавливает поток, дросселирует поток до заданной скорости или перенаправляет поток между различными линиями. Практически каждый промышленный процесс, связанный с перемещением жидкости, от городских сетей водоснабжения до химических заводов, зависит от безопасной и предсказуемой работы клапанов.

Клапаны обычно группируются по способу достижения такого контроля. А шаровой кран , например, использует вращающуюся сферу с отверстием в центре, чтобы разрешить или заблокировать поток на четверть оборота, в то время как задвижка поднимает или опускает плоский клин, чтобы открыть или закрыть проход. В каждой конструкции учитываются скорость работы, герметичность уплотнения, перепад давления и стоимость, поэтому выбор правильного типа клапана для конкретного применения имеет такое же значение, как и выбор правильного размера трубы.

Без клапанов трубопроводная сеть была бы фиксированным, неконтролируемым трубопроводом. Каждый раз, когда систему необходимо изолировать для технического обслуживания, перенаправить в другой резервуар, защитить от избыточного давления или отмерить определенный расход, клапан является компонентом, выполняющим эту работу. Вот почему клапаны рассматриваются как важнейшее оборудование безопасности и управления, а не просто трубопроводная арматура, и почему инженеры тратят много времени на выбор правильного типа, материала и размера для каждой точки системы.

Почему клапаны важны в системе трубопроводов

Системы трубопроводов перемещают жидкость из одной точки в другую, но сам поток редко должен течь неограниченно и непрерывно. Производственные графики меняются, оборудование необходимо отключать для ремонта, необходимо соблюдать ограничения безопасности, а разные этапы процесса требуют разных скоростей потока. Клапаны являются связующим звеном между жесткой трубопроводной сетью и динамичными, постоянно меняющимися потребностями реальной эксплуатации.

Помимо простого управления включением/выключением, клапаны выполняют в типичной системе несколько различных функций:

• Изоляция - отделение секции трубопровода или оборудования от остальной части системы для технического обслуживания или аварийного отключения.
• Регулирование — регулировка скорости потока или давления в соответствии с требованиями процесса в режиме реального времени.
• Контроль направления — направление жидкости по одному из нескольких возможных путей, например, с помощью трехходовых или многоходовых клапанов.
• Предотвращение обратного потока - обеспечение потока только в одном направлении для защиты оборудования, расположенного выше по потоку, от загрязнения или повреждения.
• Сброс давления — автоматический сброс избыточного давления до того, как оно может привести к разрыву трубопроводов или сосудов.

Один промышленный объект может содержать тысячи клапанов, выполняющих эти функции одновременно: от больших запорных клапанов на главных коллекторах до небольших контрольно-измерительных клапанов на отдельных линиях датчиков. Надежность всей операции во многом зависит от того, правильно ли каждый из этих клапанов выполняет свою функцию.

Как на самом деле работает клапан

Каждый клапан, независимо от типа, имеет три основные функциональные части: тело который соединяется с трубопроводом и содержит внутренний канал потока, запорный элемент (диск, шар, затвор, пробка или диафрагма), который физически блокирует или открывает проход, а также исполнительный механизм например, ручка, шестерня или моторизованный привод, который перемещает запорный элемент.

Когда запорный элемент полностью выведен из канала потока, сопротивление минимально и клапан считается полностью открытым. Когда элемент движется по пути, он ограничивает площадь поперечного сечения, доступную для жидкости, что увеличивает скорость и перепад давления в этой точке. Этот принцип используется для регулирования дросселирования. Когда элемент полностью блокирует проход и плотно прилегает к седлу, клапан закрывается, и перепад давления на клапане удерживается.

Ручное и автоматизированное управление

Клапаны меньшего размера часто управляются вручную с помощью рычага, маховика или привода. Клапаны большего размера или клапаны, которые должны быстро реагировать на изменения процесса, обычно оснащены приводом — пневматическим, электрическим или гидравлическим — который автоматически перемещает запорный элемент в ответ на управляющий сигнал. Автоматизированные клапаны распространены там, где требуется дистанционное управление, быстрое время отклика или интеграция с системой управления (например, ПЛК или сетью SCADA).

• Четвертьоборотные клапаны (шаровые, дроссельные, пробковые) открываются и закрываются с поворотом на 90 градусов, что обеспечивает быстроту их эксплуатации и простоту автоматизации.
• Многооборотные клапаны (шиберные, проходные) требуют нескольких полных оборотов маховика или штока, что обеспечивает более точное управление, но более медленную работу.
• Самосрабатывающие клапаны (обратные клапаны, предохранительные клапаны) перемещаются автоматически в зависимости от направления потока или давления, без ручки или привода.

Основные типы клапанов и где каждый из них подходит

Не существует единой конструкции клапана, которая бы работала лучше всего в любой ситуации. Инженеры обычно выбирают одно из следующих семейств в зависимости от расхода, класса давления, типа среды и частоты срабатывания клапана.

Подробный обзор шарового крана: почему он доминирует в запорных устройствах

Среди всех типов клапанов шаровой кран наиболее широко используется для двухпозиционного запирания в системах водоочистки, нефти и газа, системах отопления, вентиляции и кондиционирования, а также в системах промышленного газа. Его запорный элемент представляет собой сферу с обработанным отверстием, соответствующим диаметру трубы. Когда отверстие совпадает с трубой, поток проходит с минимальными ограничениями; четверть оборота поворачивает отверстие перпендикулярно тракту потока, почти мгновенно герметизируя его.

Структурные преимущества

Поскольку уплотнительные поверхности (шар и его седла) относительно малы и точно обработаны, шаровой кран обычно обеспечивает герметичное закрытие , что означает практически нулевую утечку через закрытый клапан. Полнопроходные шаровые краны, у которых диаметр отверстия соответствует внутреннему диаметру трубы, практически не создают перепада давления в открытом состоянии, поэтому их предпочитают в системах, где эффективность потока имеет такое же значение, как и надежность перекрытия.

Распространенные конфигурации шаровых кранов

Шаровые краны производятся в нескольких вариантах корпуса, каждый из которых подходит для различных задач установки или обслуживания:

• Двухсекционный корпус — простой, экономичный и компактный, но корпус обычно необходимо снимать с линии для внутреннего обслуживания.
• Трехсекционный корпус — центральную секцию можно снять, не нарушая соединения труб, что значительно упрощает техническое обслуживание в линии.
• Конструкция с плавающим шаром - шар удерживается на месте только седлами и слегка смещается вниз по потоку под давлением для усиления уплотнения; часто встречается в клапанах меньшего и среднего размера.
• Конструкция с цапфой — шар фиксируется на верхней и нижней цапфах, что снижает требования к крутящему моменту и делает этот тип пригодным для больших диаметров и более высоких давлений.

Компромиссы, которые следует учитывать

Шаровые краны обычно не выбирают для точного регулирования. Поскольку площадь потока изменяется очень резко, когда шар отклоняется от положения полностью открытого положения, зависимость между положением рукоятки и скоростью потока является нелинейной, а режим частичного открытия может ускорить износ седла. По этой причине шаровые краны обычно предназначены для полностью открытого или полностью закрытого режима, в то время как проходные или регулирующие клапаны предназначены для применений, требующих точной линейной модуляции потока.

Материалы клапанов и номинальные давления

Материалы корпуса клапана и трима выбираются в зависимости от обрабатываемой среды, рабочей температуры и требуемой коррозионной стойкости. Общие семейства материалов включают:

• Латунь и бронза для питьевой воды, воздуха низкого давления и общей сантехники, где важна экономическая эффективность.
• Нержавеющая сталь (304, 316) для агрессивных жидкостей, линий по производству продуктов питания и напитков, а также морской или прибрежной среды.
• Углеродистая сталь для работы с нефтью, газом и паром под высоким давлением, где прочность важнее коррозионной стойкости.
• Легированная сталь и дуплексная нержавеющая сталь для экстремальных температур, сред с высоким содержанием хлоридов или высококоррозионных технологических химикатов.
• ПВХ и ХПВХ для химических технологических линий, перекачивающих кислоты или агрессивные жидкости при умеренных температурах.

Номинальные значения давления обычно выражаются с использованием системы классов ANSI/ASME (класс 150, 300, 600 и выше) или обозначений PN (PN10, PN16, PN25 и т. д.) в соответствии со стандартами ISO/EN. Например, клапан класса 150 обычно подходит для давления примерно до 19,6 бар при температуре окружающей среды, хотя точное допустимое давление снижается с повышением рабочей температуры в соответствии со стандартными таблицами номинальных значений давления и температуры.

Материалы седла и уплотнения

Материал корпуса определяет прочность конструкции, а материалы седла и уплотнения определяют характеристики уплотнения и химическую совместимость. Седла из ПТФЭ (тефлона) широко распространены из-за их низкого трения и широкой химической стойкости, но они имеют температурные пределы, обычно значительно ниже тех, которые может выдержать клапан с металлическим седлом. Для работы в условиях высоких температур или абразивных материалов вместо них используются металлические седла или армированные композитные седла, обычно за счет несколько менее совершенного уплотнения.

Приводы клапанов и автоматизация

Ручного управления достаточно для клапанов, которые редко регулируются, но многие современные системы полагаются на приводы для автоматического открытия, закрытия или регулирования клапанов. Три наиболее распространенных типа приводов:

• Пневматические приводы — используйте сжатый воздух для перемещения клапана, обеспечивая быстрое время отклика и надежную отказоустойчивость в сочетании с механизмом пружинного возврата.
• Электрические приводы — использовать двигатель для привода штока или шара клапана, который хорошо подходит для удаленных мест без подачи сжатого воздуха и для применений, требующих точной обратной связи по положению.
• Гидравлические приводы — генерировать высокий крутящий момент или усилие для очень больших клапанов, обычно используемых на трубопроводах и в подводных условиях, где требования к усилию срабатывания экстремальны.

Автоматизированные клапаны обычно интегрированы с системой управления, поэтому операторы могут удаленно контролировать и регулировать поток, регистрировать историю положения клапана и запускать автоматическое отключение в ответ на аномальные условия, такие как скачок давления или сигнал обнаружения утечки.

Клапаны для разных отраслей

Одни и те же основные принципы работы клапанов применяются в самых разных отраслях, но конкретные требования, стандарты и предпочтительные материалы меняются в зависимости от отрасли.

Очистка воды и сточных вод

Муниципальные системы водоснабжения в значительной степени полагаются на задвижки и дроссельные заслонки для изоляции большого диаметра, а также шаровые краны и обратные клапаны во всех распределительных сетях и насосных станциях. Коррозионная стойкость и долгосрочная надежность при почти постоянном погружении или захоронении являются первоочередными задачами.

Нефть, газ и нефтехимия

Шаровые, задвижки и обратные клапаны высокого давления являются стандартными в инфраструктуре добычи и переработки нефти и газа, часто изготавливаются в соответствии со стандартами API, имеют пожаробезопасную конструкцию и уплотнение штока с низким уровнем выбросов для контроля неорганизованных выбросов при работе с легковоспламеняющимися газами.

Продукты питания, напитки и фармацевтика

Здесь доминируют мембранные и гигиенические шаровые краны с полированными поверхностями из нержавеющей стали, бесщелевой конструкцией и уплотнениями, совместимыми с процедурами очистки на месте (CIP) и пропаривания на месте (SIP) для предотвращения загрязнения.

ОВК и строительные услуги

Шаровые и дроссельные клапаны широко используются в линиях охлажденной, горячей воды и пара для изоляции и балансировки, часто в сочетании с приводами, подключенными к системам управления зданием для автоматического контроля температуры.

Как выбрать правильный клапан для вашего применения

Выбор между шаровым краном, задвижкой или другим типом сводится к ответу на несколько практических вопросов, прежде чем указывать номер детали:

1. Какова основная функция: полное отключение, дросселирование или предотвращение обратного потока?
2. Какое максимальное рабочее давление и температура выдерживает клапан?
3. Является ли среда чистой, абразивной, коррозионной или склонной к затвердеванию внутри корпуса клапана?
4. Как часто клапан будет включаться и нужно ли его автоматизировать с помощью привода?
5. Какие ограничения по пространству и ориентации существуют в компоновке трубопроводов?
6. Требуется ли для приложения пожаробезопасная конструкция, упаковка с низким уровнем выбросов или другие функции соответствия?
7. Какова приемлемая общая стоимость установки в течение ожидаемого срока службы клапана, а не только цена его покупки?

Общее практическое правило, используемое в технологическом процессе: укажите шаровой кран для быстрого, плотного и частого отключения; а задвижка для нечастой изоляции полного открытия/полного закрытия с минимальным перепадом давления; а шаровой клапан для регулируемого дросселирования; и обратный клапан В любом месте обратный поток должен предотвращаться автоматически.

Рекомендации по установке, влияющие на производительность клапана

Правильно выбранный клапан все равно может работать хуже, если он установлен неправильно. Несколько факторов установки постоянно влияют на долгосрочную надежность:

• Ориентация — некоторые конструкции клапанов, особенно некоторые обратные клапаны, чувствительны к ориентации установки и могут не обеспечивать надежное уплотнение, если они установлены неправильно по отношению к силе тяжести.
• Зазор вверх и вниз по течению - регулирующие клапаны, в частности, нуждаются в наличии достаточных прямых участков трубопровода до и после установки, чтобы избежать турбулентности, которая искажает измерение расхода или точность регулирования.
• Опора и напряжение трубы — более тяжелые клапаны нуждаются в независимой опоре, чтобы напряжение трубопровода не передавалось через корпус клапана, что может со временем деформировать уплотнительные поверхности.
• Промывка линии — строительный мусор, оставшийся в новом трубопроводе, является одной из наиболее частых причин преждевременного выхода из строя седел вновь вводимых в эксплуатацию систем.

Распространенные виды отказов клапанов и практика технического обслуживания

Даже хорошо спроектированный клапан со временем потребует обслуживания. Наиболее часто сообщаемые виды отказов при полевом обслуживании включают износ седла в результате повторяющихся циклических циклов, разрушение набивки штока, приводящее к внешним утечкам, а также внутреннюю коррозию или эрозию из-за абразивных или химически агрессивных сред.

Контрольный список профилактического обслуживания

• Периодически проверяйте редко используемые клапаны, чтобы предотвратить заедание седла и заклинивание штока.
• Во время плановых проверок проверяйте набивку штока и прокладки на наличие видимых утечек.
• Убедитесь, что настройки крутящего момента привода соответствуют спецификациям производителя клапана, чтобы избежать чрезмерного затягивания седла.
• Промойте линии перед установкой, чтобы мусор не поцарапал уплотняющие поверхности при первой эксплуатации.
• Цикл гусеничного цикла рассчитывает на то, что критически важные автоматические клапаны предвидят замену седла до того, как произойдет незапланированная утечка.

Распознавание ранних предупреждающих знаков

Операторы, которые обнаруживают небольшие проблемы на ранней стадии, обычно избегают более крупных затрат на ремонт, связанных с полной заменой клапана. Увеличение крутящего момента ручки или привода, необходимого для работы клапана, видимые подтеки на штоке или соединениях корпуса, а также нестабильное закрытие (когда клапан больше не удерживает герметичное уплотнение в закрытом положении) — все это сигналы о том, что следует запланировать техническое обслуживание до того, как проблема перерастет в незапланированное отключение.

Словарь терминов по клапанам

Краткий справочник терминов, часто встречающихся при описании или обсуждении клапанов:

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между клапаном и краном?

Смеситель — это тип клапана, разработанный специально для раздачи воды в точках использования, обычно управляемый вручную на раковине или приспособлении. Клапан — это более широкий инженерный термин, охватывающий любое устройство, которое регулирует поток в любом месте трубопроводной системы, в том числе внутри стен, под землей или глубоко внутри промышленных технологических линий.

Шаровой кран лучше задвижки?

Ни то, ни другое не лучше в целом; они служат разным приоритетам. Шаровой кран обычно обеспечивает более быструю работу, более плотное уплотнение и большую долговечность при частой езде на велосипеде. Задвижка обычно обеспечивает очень низкий перепад давления в полностью открытом положении и часто предпочтительна для редко используемых точек изоляции большего диаметра.

Можно ли использовать шаровой кран для регулирования потока?

Стандартные шаровые краны не идеальны для непрерывного дросселирования, поскольку реакция потока вблизи закрытого положения сильно нелинейна, что ускоряет износ седла. Для дросселирования существуют специально разработанные шаровые краны с характерным или V-образным отверстием, но стандартный полнопроходной шаровой кран лучше всего использовать для полностью открытого или полностью закрытого режима.

Как долго обычно служат промышленные клапаны?

Срок службы широко варьируется в зависимости от среды, частоты циклов и выбора материала, но правильно подобранный и обслуживаемый шаровой кран в чистом виде обычно надежно работает в течение многих лет, прежде чем потребуется замена седла или уплотнения. Жесткие носители, большое количество циклов или плохое соответствие материалов могут значительно сократить этот процесс.

Что означает «полнопроходной» на шаровом кране?

Полнопроходной клапан, иногда называемый полнопроходным, означает, что диаметр отверстия шара соответствует внутреннему диаметру соединительной трубы, поэтому поток проходит через открытый клапан практически без ограничений. Шаровой кран с уменьшенным (или стандартным) отверстием имеет меньший диаметр отверстия, чем труба, что приводит к некоторому дополнительному перепаду давления, но обычно стоит дешевле.

Почему в некоторых шаровых кранах используется конструкция с цапфой вместо плавающего шара?

Шаровые краны, установленные на цапфе, фиксируют положение шара с помощью верхней и нижней опор, поэтому шару не нужно упираться в седло, чтобы оставаться в центре. Это снижает крутящий момент, необходимый для вращения шара, что становится важным по мере увеличения размера клапана и класса давления, что делает конструкции с цапфой частым выбором для трубопроводов большого диаметра и высокого давления.

Что вызывает утечку клапана, даже когда он полностью закрыт?

Внутренняя утечка в закрытом положении чаще всего вызвана изношенными или поврежденными седлами, мусором, попавшим между запорным элементом и седлом, или материалом уплотнения, который ухудшился из-за химической несовместимости или чрезмерной температуры. Регулярный осмотр и правильный выбор материала на этапе спецификации — наиболее эффективные способы предотвратить это.

Всем ли клапанам нужен привод?

Нет. Многие клапаны, особенно небольшие или редко используемые, идеально подходят для ручных рукояток или маховиков. Приводы добавляются, когда дистанционное управление, быстрое реагирование, интеграция с автоматизированными системами управления или высокий рабочий крутящий момент делают ручное управление непрактичным.