Типы задвижек

Задвижка, затвор, шаровой кран —  что выбрать?

В данной статье автор не ставит своей целью дать полную характеристику таким видам запорной арматуры, как задвижки, поворотные дисковые затворы и шаровые краны. Предпринята попытка  показать преимущества и недостатки того или иного типа арматуры, оставив право покупателю самому отдать предпочтение какому-то из рассматриваемых типов арматуры.
Задвижка – это тип арматуры, у которой запирающий элемент перемещается перпендикулярно оси потока рабочей среды возвратно-поступательно или возвратно-поворотно. Основное назначение задвижки – это перекрытие потока рабочей среды с определенной степенью герметичности в затворе. В некоторых  технологических системах допустимо применение задвижек в качестве запорно-регулирующей арматуры (при кратковременно частично открытом затворе), когда возможно  дискретное регулирование потока рабочей среды.
По степени герметичности задвижки бывают: класса А, В, С, D, В1, С1 и D1 по ГОСТ 9544-2005.
В настоящее время выпускается большое количество конструктивных типов задвижек, отличающихся:

• конструкцией запирающего элемента — с клиновым запирающим элементом задвижка клиновая или с параллельным запирающим элементом задвижка параллельная;
• расположением ходового узла – задвижки с выдвижным шпинделем, у которых ходовая резьба шпинделя располагается снаружи (в бугельном узле), и перемещается по резьбе резьбовой втулки, не находясь в контакте с рабочей средой, и задвижки с невыдвижным шпинделем, у которых шпиндель осуществляет только вращательное движение, а резьбовая его часть постоянно находится во внутренней полости корпуса задвижки;
• конструкцией проходной части – полнопроходные (диаметр прохода задвижек практически равен диаметру трубопровода), неполнопроходные (диаметр прохода задвижек меньше внутреннего диаметра соединительных фланцев);
• типом привода – с ручным управлением от маховика, с ручным управлением через редуктор, с электроприводом, пневмоприводом, гидроприводом;
• способом подсоединения к трубопроводу – фланцевый, муфтовый, при помощи сварки (стальные задвижки);
• типом формообразования корпусных деталей – литые, сварные;
• типом уплотнения подвижных элементов относительно внешней среды – сальниковые, сильфонные;
• материалом изготовления корпуса: стальные (некоррозионностойкие и коррозионностойкие), чугунные.

Преимущества задвижек:

• незначительное гидравлическое сопротивление при полностью открытом затворе, что особенно ценно при использовании задвижки на трубопроводе, через который постоянно движется жидкая среда с большой скоростью (магистральные трубопроводы);
• отсутствие поворотов потока рабочей среды, как, например, у вентилей, что не приводит к потерям энергии, особенно при больших диаметрах прохода;
• относительно небольшая строительная длина;
• возможность подачи рабочей среды в любом направлении;
• широкая линейка типоразмеров (задвижки со сплошным клином, задвижки с упругим клином, двухдисковые задвижки, шиберные задвижки, шланговые задвижки), что позволяет выбрать наиболее оптимальный тип задвижки под заданные условия эксплуатации.

К недостаткам задвижек следует отнести:

• невозможность применения для сред с кристаллизирующимися включениями;
• сравнительно небольшой допустимый перепад давления на затворе;
• невысокая скорость срабатывания, что не позволяет произвести экстренное перекрытие потока среды в аварийной ситуации;
• возможность получения гидравлического удара в конце хода;
• возможность заклинивания затвора при колебаниях температуры рабочей среды у задвижек малых диаметров с жестким клином;
• трудности ремонта изношенных уплотнительных поверхностей при эксплуатации;
• высокая стоимость ремонта при относительно низкой цене задвижки (стоимость ремонта задвижки составляет 70-80% от стоимости новой задвижки);
• сравнительно большая строительная высота и масса.

Выбирая тот или иной тип задвижки, следует помнить, что каждому виду задвижек помимо общих преимуществ и недостатков присущи некоторые особенности и отличия, которые необходимо знать и которыми нельзя пренебрегать. Например, известно, что наименьшей металлоемкостью и, как следствие, массой, обладают задвижки с цельным клином, но в то же время с точки зрения  обеспечения герметичности по затвору они являются и самыми проблемными. Этим и объясняется применение в затворе задвижек с цельным клином вторичных эластичных уплотнений, что не делается в задвижках с другим типом клина. Так, для целей водоснабжения с успехом используется чугунная задвижка с обрезиненным клином типа МЗВ (МЗВГ) 30ч39р.
Для задвижек с цельным клином характерна еще одна особенность — односторонняя герметичность в затворе. Это, казалось бы явный недостаток. Но, работая на жидкой среде и будучи закрытой (при этом в крышке задвижки образуется полость, заполненная жидкостью), ни одна задвижка с цельным клином, благодаря этому недостатку, не будет разрушена из-за повышения давления жидкости в полости крышки вследствие изменения ее температуры, в то время как у задвижек с другими клиньями поломка возможна.
Если для задвижек с цельным клином существует большая вероятность заклинивания задвижки при работе с высокими температурами рабочей среды (300 оС и более), что требует периодической проверки ее работоспособности или применения устройств для расклинивания, то задвижки с упругим клином лишены этого недостатка.
Двухдисковые задвижки, наоборот, являются наиболее металлоемкими, но зато имеют высокую герметичность по затвору и обладают лучшей ремонтопригодностью по сравнению с клиновыми задвижками.
Как было отмечено выше, задвижки бывают с невыдвижым и выдвижным шпинделем. Нормальная работа резьбовой пары шпиндель-ходовая гайка может протекать лишь при постоянном наличии смазки и систематическом техническом обслуживании конструкции. Это выполнимо только в том случае, если ходовой узел доступен для технического обслуживания. В задвижках с невыдвижным шпинделем ходовой узел погружен в рабочую среду, к нему закрыт доступ, он подвержен воздействию коррозии и абразивных частиц рабочей среды, если она засорена, что накладывает ограничения на применение таких задвижек. Они применимы для трубопроводов, транспортирующих минеральные масла, нефть, воду, не засоренные твердыми частицами и не имеющие коррозионных признаков. Так как они имеют меньшую строительную длину, чем задвижки с выдвижным шпинделем, то их целесообразно применять для подземных коммуникаций и колодцев, в качестве фонтанной арматуры на нефтяных скважинах.
У задвижек с выдвижным шпинделем ходовая резьба шпинделя и гайки находятся вне полости затвора, поэтому для них не характерны отмеченные выше недостатки, что позволяет применять эти задвижки на ответственных объектах и участках трубопроводной сети.

В качестве альтернативы традиционным типам задвижек в последнее время все большее применение среди запорной арматуры находят дисковые поворотные затворы и шаровые краны.

Дисковый затвор по своей конструкции представляет собой короткий отрезок трубы с запирающим или регулируемым элементом в виде диска, поворачивающегося вокруг оси, расположенной перпендикулярно к оси прохода. Ось диска является одновременно и штоком затвора с сальниковым уплотнением в местах прохода через корпус. Диск может быть плоским или двояковыпуклым (линзовым). Материал, используемый для изготовления дисков – никель-чугун, хром-чугун. Кромки поворотного диска притерты к внутренней поверхности корпуса.  Для обеспечения герметичности затвора применяются металлические или мягкие (резиновые, фторопластовые) кольца. Дисковые затворы могут использоваться как запорная и как регулирующая арматура. Для использования в качестве регулирующей арматуры предусмотрено несколько фиксированных промежуточных положений, для чего такие затворы оборудованы приспособлением, фиксирующим положение поворотного диска. В открытом положении диск устанавливается вдоль оси корпуса, создавая минимальное сопротивление потоку. В закрытом положении диск устанавливается перпендикулярно оси корпуса, соприкасаясь своими кромками с уплотнительными кольцами, которые могут располагаться как на самом диске, так и на корпусе затвора. Затвор устанавливается на трубопроводе между фланцами трубопровода, стягиваемым шпильками. Поворотные затворы могут монтироваться в любом положении, однако затворы больших диаметров рекомендуется устанавливать в горизонтальном положении, так как при вертикальной установке не исключена вероятность заклинивания, связанная с попаданием твердых частиц в область штока. Дисковые затворы могут изготавливаться с эксцентрично установленными дисками. Такое расположение диска создает ему благоприятные условия взаимодействия с уплотнительными кольцами, исключает гистерезис, присущий дискам с нулевым эксцентриситетом.
Управление дисковыми затворами может осуществляться вручную, с использованием редуктора, при помощи электропривода, пневмопривода или гидропривода.

Популярность применения дисковых затворов определяется рядом преимуществ перед другими типами запорной арматуры:

• сравнительно низкое гидравлическое сопротивление;
• малое время открытия и закрытия затвора (диска);
• отсутствуют застойные зоны, в которых могут скапливаться механические примеси и грязь, поступающие в затвор вместе с рабочей средой;
• отсутствие резьбовых рабочих пар в конструкции (по сравнению с задвижками, где применяется резьбовая пара «втулка-шпиндель»), что повышает эксплуатационные качества при воздействии неблагоприятных условий внешней среды;
• сравнительно небольшие габариты и масса;
• большие диаметры прохода;
• большой ресурс работы при соблюдении правил эксплуатации (нормативный срок службы – 30 лет);
• простота и удобство монтажа-демонтажа.

К недостаткам затворов можно отнести:

• пониженная герметичность запорного органа;
• большие крутящие моменты на валу из-за больших неразгруженных усилий, действующих на диск затворов больших диаметров прохода;
• трудность получения расчетных пропускных характеристик при работе затвора в качестве регулирующей заслонки.

Затворы поворотные обычно применяются в водоснабжении, пивоварении и пищевой промышленности, где используются чистые среды.
Основные параметры дисковых затворов регламентированы ГОСТ 1251-89 и ГОСТ 25923-89.

Краны шаровые также как и задвижки, и дисковые затворы предназначены для установки в качестве запорного устройства, перекрывающего потоки жидких и газообразных рабочих сред на трубопроводах в системах водо- и газоснабжения, на предприятиях теплоэнергетики, в химической, пищевой, нефтеперерабатывающей, газовой и других отраслях промышленности.
В качестве объекта анализа здесь рассматриваются стальные шаровые краны. О шаровых кранах, изготавливаемых из латуни или бронзы малых диаметров (Ду 15-50мм), используемых при установке сантехнического оборудования, речь здесь не идет.
Запорным элементом в шаровом кране является собственно шар (пробка, выполненная в виде шара), имеющий сквозное отверстие для прохода рабочей среды и изготовленный из нержавеющей стали.
Существуют два базовых исполнения шаровых кранов — краны с плавающей пробкой, когда шар поддерживается уплотнительными кольцами, и краны с пробкой (шаром) в опорах. Последние более приемлемы для высоких давлений и больших диаметров. В этих кранах нагрузка от перепада давлений в закрытом положении воспринимается подшипниками опор, а не уплотнительными седлами. Шаровые краны с плавающей пробкой используются при низких давлениях и температурах.
Перекрытие трубопровода происходит при переводе рычага крана в крайнее закрытое положение (без остановки в промежуточных положениях). При этом шар внутри крана поворачивается вокруг своей оси стороной, в которой нет сквозного отверстия для прохода рабочей среды. При установке крана в открытое положение пробка принимает такое положение, при котором отверстие в шаре совпадает с осью трубопровода, тем самым, обеспечивая проход рабочей среды.

Преимущества шаровых кранов:

• высокая степень герметичности (как правило, класс герметичности «А»);
• низкое гидравлическое сопротивление;
• небольшая масса и габариты;
• малое время открытия и закрытия;
• не требуется технического обслуживания в процессе эксплуатации (подтягивания, смазки и т.д.);
• большая «линейка» кранов по рабочим параметрам (условному диаметру прохода, давлению, температуре), по способу монтажа («фланцевое», «муфтовое», «под приварку»), по виду исполнения (цельносварной корпус или разборный корпус).

Так, например, стальные шаровые краны «BREEZE», производства завода «Олбризсервис» (Украина, г. Киев) представлены в двух видах исполнения: серия EUROPE- в цельносварном корпусе, серия SILVER – в разборном корпусе. Краны поставляются в трех модификациях присоединения: СВАРКА, ФЛАНЕЦ, РЕЗЬБА. Линейка диаметров кранов  «BREEZE» различных модификаций от 15 до 300 мм, рабочее давление 1.6, 2.5 или 4.0 МПа, рабочая температура от минус 30 до 200 оС.  Заводом изготовляются два наименования крана 11с33п и 11с41п с фланцевым присоединением, у которых строительная длина равна строительной длине таких распространенных в эксплуатации стальных задвижек, как 30с41нж, что позволяет без особых усилий производить замену вышедших из строя задвижек на краны. Имеются краны с удлиненным штоком для подземной установки.

На предприятии Луганский завод трубопроводной арматуры «Спецавтоматика» через Торговый Дом «МАРШАЛ» можно заказать широко известные покупателю шаровые краны, выпускаемые под торговой маркой «МАРШАЛ»: из углеродистой стали или из коррозионностойкой стали, сварной разборный или цельносварной неразборный, литой разборный или литой неразборный, укороченный или неукороченный, с фланцевым, муфтовым или под приварку соединением, полнопроходной или неполнопроходной, без привода, с редуктором или под привод (электрический, пневматический, гидравлический).

Для выбора того или иного крана необходимо знать определенный минимум характеристик, которые, как правило, указываются в паспортах на изделие.
В качестве примера ниже приведен перечень технических характеристик, указываемых в паспорте на кран шаровой  марки «МАРШАЛ»  11с67пСФ:
Условный диаметр…………………………………….200 мм (250,300, 350,400,500,600мм)
Рабочее давление, не более…………………………..1.6МПа; (2.5МПа;4.0МПА)
Температура рабочей среды………………………….от -40 оС до 180оС
Рабочая среда………………………………………….вода, газ, нефтепродукты и другие неагрессивные среды, нейтральные к материалам деталей крана
Класс герметичности………………………………….А ГОСТ 9544-2005
Климатическое исполнение…………………………..У1, ХЛ1 ГОСТ15150
Температура окружающей среды……   ……….не ниже — 40 оС (У1), не ниже — 40 оС (ХЛ1)
Количество рабочих циклов…………………………..не мене 10 000
Полный срок службы………………………………….не менее 10 лет
Присоединение к трубопроводу………………………..фланцевое
Управление…………………………………………….редукторное
Краны изготовлены в соответствии   с    ГОСТ28343 (ИСО7121)
Строительные длины………………………………….ГОСТ 28908, ГОСТ3706 (ИСО5702)
Размер фланцев………………………………………..ГОСТ12815 (ИСО7005).

Наряду с достоинствами шаровые краны обладают и рядом недостатков, которые необходимо учитывать при выборе арматуры.
Недостатки шаровых кранов:

• невозможность использования стандартных шаровых кранов в качестве регулирующей и дроссельной арматуры;
• повышенные требования к чистоте рабочей среды, проходящей через кран, особенно к наличию твердых частиц;
• возможно «прикипание» шара при длительной эксплуатации в закрытом или открытом положении;

Таким образом, проведя краткий анализ современных запорных устройств, можно сделать вывод о том, что каждый из рассмотренных типов запорной арматуры обладает определенными преимуществами и недостатками, зная которые можно наилучшим образом определиться с выбором арматуры под заданные требования и условия эксплуатации.