Начальник отдела арматуры ООО НПЦ «АНОД»
За последние годы в арматуростроении наметилась четкая тенденция использования разгруженных затворов для проведения запорных, запорно-регулирующих работ системы трубопроводов. Особенно это наблюдается в клапанах, работающих на высоких давлениях рабочей среды и больших DN. 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.
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».
Наиболее распространенной конструкцией является клетковый запорно-регулирующий клапан. Дроссельный узел с разгруженным плунжером и радиальными уплотнительными кольцами представлен на рисунке 1.
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 минус 100°С до плюс 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.
Рисунок 1. Клапан запорно-регулирующий клетковый
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 рисунке 2.
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 высокотемпературные среды.
Однако, постоянное перетекание рабочей среды через радиальные уплотнительные кольца, аналогично, 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, этот конструктивный недостаток всегда снижает надежность клапана.
Рисунок 2. Запорно-регулирующий клапан с пилотным управлением.
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.
Разгруженный плунжерный затвор модели S (альтернатива клапана запорно-регулирующего клеткового). На рисунке 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.
Рисунок 3. Клапан запорно-регулирующий с разгруженным затвором модели S.
Седло с уплотнительной поверхностью герметично установлено в корпусе клапана и поджато к корпусу тримом (клеткой) через резьбовое соединение.
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.
где P - перепад давления между входным и выходным патрубками клапана.
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 производится при помощи:
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 - плюс 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.
Клапаны запорные и запорно-регулирующие, работающие при температуре от минус 260° до плюс 550°С (уплотнение затвора «металл по металлу») используется:
Клапаны запорные и запорно-регулирующие, работающие при температуре от минус 196° до плюс 225°С (уплотнение затвора «металл по эластомеру») используется:
В таблице1 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
| Тип клапана и PN | DN, мм | ||||||
| Клапан запорный и запорно-регулирующий PN<16 | - | 40 | 50 | 65 | 80 | 100 | 150 |
| Клапан запорный и запорно-регулирующий PN<25 | - | 40 | 50 | 65 | 80 | 100 | - |
| Клапан запорный и запорно-регулирующий PN<40 | 32 | - | 50 | 65 | 80 | 100 | - |
| Клапан запорный и запорно-регулирующий PN<63 | 32 | - | 50 | - | 80 | - | - |
| Клапан запорный и запорно-регулирующий PN<100 | 32 | - | 50 | - | 80 | - | - |
| Клапан запорный и запорно-регулирующий PN<160 | 32 | - | 50 | - | - | - | - |
| Клапан запорный и запорно-регулирующий PN<200 | 32 | - | 50 | - | - | - | - |
Примечания:
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) (рисунок 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 закрытие перепад давления рабочей среды.
Основные существенные отличия предлагаемого клапана заключаются в том, что пилотный (байпасный) клапан малого DN вынесен за пределы затвора арматуры и позволяет перед собой установить фильтр для очистки рабочей среды от абразивных и других различных включений, что практически невозможно выполнить в существующей конструкции, так как фильтры придется устанавливать перед входом в клапан с большим DN.
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 DN150, рассчитанного на параметры рабочей среды (газ, жидкость, пар) с температурой до 560С 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 DN32 PN40 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 установлены на действующей установки для проведения испытаний. После положительных испытаний опытных образцов, и получения соответствующих документов предприятие НПЦ “Анод” предлагает разработку и изготовление практически любого запорно-регулирующего и отсечного (запорного) клапана в пределах рабочих параметров PN35МПа, Т600С, DN300 с затвором модели W. Клапаны с затвором модели W защищены патентами РФ на изобретение №2241883 от 02.10.2003 года, №2267680 от 28.05.2004 года, №56532 от 27.12.2005 года.
