Новая запорная арматура для магистральных трубопроводов

Добавлено: 31.03.2010, Изменено: 24.11.5086

Основным отличием предлагаемой запорной арматуры является принцип создания герметичности в затворе и его реализация. Герметичность в затворе обеспечивается созданием между затворными поверхностями необходимого постоянного по величине силового взаимодействия. Это силовое взаимодействие не зависит от величины и колебания давления транспортируемой среды, её агрегатного состояния – жидкость, газ или их смесь, и определяется физико-механическими свойствами материалов, применённых для изготовления затворных элементов, качеством поверхностей и геометрическими параметрами элементов запорного узла. Максимальное давление транспортируемой среды ограничивается, в основном, прочностными свойствами самого трубопровода, прочностью и жёсткостью корпуса арматуры и элементов затвора.

Создание герметичности осуществляется оригинальной конструкцией седла с элементом с затворной поверхностью, имеющим возможность управляемого продольного возвратно-поступательного перемещения. Герметизация в затворе производится перемещением этого подвижного элемента до смыкания с затворной поверхностью запорного элемента арматуры и созданием между ними заданного силового взаимодействия (напряжённое состояние в одной из затворных поверхностей близко к напряжению смятия материала поверхности). Подвижный элемент седла также позволяет разъединить затворные поверхности до начала перемещения запорного элемента и исключить их соприкосновение.

Что получают потребители арматуры?
Потребители получают запорную арматуру, которая может использоваться в трубопроводах для транспортировки жидких и газообразных сред при любом их давлении. Отсутствие механического контакта между затворными поверхностями при перемещении запорного элемента существенно уменьшает их износ и продлевает срок службы арматуры и затраты на её эксплуатацию. Существенное уменьшение усилий на перемещение запорного элемента позволяет применять привод меньшей мощности и сократить энергозатраты при эксплуатации. Прогнозируемый срок службы арматуры превышает срок службы трубопровода.
Оснащение арматуры датчиками давления, расхода и положения запорного элемента позволяет в режиме реального времени контролировать параметры потока транспортируемой среды и оперативно управлять ими, уменьшить влияние «человеческого фактора» при принятии решений в критических ситуациях на трубопроводе. Возможность транспортировать продукты под высоким давлением существенно снижает затраты на строительство и эксплуатацию таких магистральных трубопроводов.

В наибольшей степени положительные свойства этой арматуры проявляются в шаровых кранах, что создаёт предпосылки для производства и применения на магистральных трубопроводах только одного типа запорной арматуры - шаровых кранов, обладающих рядом известных достоинств: компактностью, малым гидравлическим сопротивлением, двухконтурным уплотнением, полным проходом, условиями для диагностирования и прочее…

Что получают изготовители этой арматуры?
Изготовители запорной арматуры, перешедшие на производство арматуры предлагаемой конструкции, могут исключить применение полимерных материалов в затворе, уменьшить объём механообработки затворных поверхностей, уменьшить количество в конструкции дорогих высококачественных специальных сталей и покрытий. Применение приводов малой мощности для перемещения запорного элемента арматуры позволяет уменьшить затраты на их приобретение, снизить массу и габариты арматуры и её себестоимость.
Предлагаемая конструкция седла легко встраивается в запорную арматуру для магистральных трубопроводов, изготавливаемую в настоящее время арматурными заводами.
Согласованное применение в трубопроводах только шаровых кранов позволит существенно сократить затраты на разработку, изготовление и содержание технологической оснастки и производство других типов запорной арматуры.
Принципы создания герметичности и исключения контакта затворных поверхностей при перемещении запорного элемента поясняется схемой запорной арматуры (рис 1).

Запорная арматура

Рис.1. Схема запорной арматуры.

1.- корпус арматуры; 2- запорный элемент арматуры; 3.- подвижный
запорный элемент седла; 4- затворный элемент седла; 5- силовой
цилиндр седла; 6- цилиндр - мультипликатор; 7- проточная полость;
8 -затворные вставки запорного элемента арматуры. 9 - канал
соединения силового цилиндра с мультипликатором; 10- шток мультипликатора.

В корпусе 1 арматуры расположена входная (условно) полость 7, запорный элемент 2 (шаровая пробка, шибер или клин), подвижный в осевом направлении элемент седла 3. Элемент 3 имеет форму кольца. К правому торцу кольца прикреплён элемент седла 4 с затворной поверхностью, а к левому торцу прикреплён силовой цилиндр 5, который также имеет форму полого кольца, боковые стороны которого выполнены в виде гофра.
Левый торец цилиндра 5 прикреплён к корпусу 1. Для перемещения элемента 4 и создания необходимого силового взаимодействия между затворными поверхностями элемента 4 и запорного элемента используется цилиндр-мультипликатор 6. Цилиндр 6 размещён в полости корпуса, постоянно соединённой с проточной полостью арматуры 7. Внутренние полости силового цилиндра 5 и мультипликатора 6 соединены каналом 9 и образуют герметичную единую изолированную полость, которую заполняют жидкостью, не изменяющей свои свойства (агрегатное состояние, коэффициент объёмного расширения) в условиях эксплуатации. Запорный элемент арматуры может быть выполнен с кольцевыми вставками 8. Сторона кольца, обращенная к седлу, имеет соответствующую затворную поверхность (сферу для шарового крана, плоскую для задвижек). Вставки выполняются из нержавеющих сталей с требуемыми физико-механическими свойствами. Применение таких вставок позволяет существенно уменьшить объём поверхностей, требующих высокую точность и чистоту обработки, запорный элемент можно изготавливать из менее дорогих марок сталей и производить обработку нерабочих поверхностей с меньшей точностью и чистотой поверхности.
Перемещение элементов 3 и 4 производится изменением положения штока 10 цилиндра-мультипликатора 6. Перемещение штока мультипликатора может производиться электродвигателем с редуктором. При перемещении штока 10 мультипликатора жидкость перетекает из полости цилиндра-мультипликатора в полость силового цилиндра 5. Для создания герметичности класса «А» в затворе мультипликатором необходимо создать удельное давление между
поверхностями в затворе не превышающее величины напряжения смятия более «мягкого» металла.
В положении, когда между затворными поверхностями нет контакта, давление в мультипликаторе 6, силовом цилиндре 5 и проточной полости одинаковы и боковые гофрированные стенки мультипликатора и силового цилиндра разгружены.
При смыкании затворных поверхностей давление в силовом цилиндре повышается мультипликатором до расчётного значения, обеспечивающего заданное силовое взаимодействие в затворе. В случае использования в качестве «мягкого» металла стали типа 12Х18Н9, для создания требуемой герметичности в затворе, величина превышения давления в цилиндре по отношению к давлению транспортируемой среды, составляет менее 1,0 МПа, а усилие на штоке мультипликатора не превышает 1600 кГ. при давлении транспортируемой среды 22,0 МПа. и диаметре штока мультипликатора равным 30 мм. Эти значения соответствуют запорной арматуре для DN=1420мм. и
РN = 22,0МПа. Для других размеров трубопроводов и параметров транспортируемой среды усилие на штоке мультипликатора и величина превышения давления, создаваемого мультипликатором, уменьшится.

Запорная арматура

На рис.2 показано сечение корпуса запорной арматуры в зоне расположения седла и седло, выполненного по одному из многих возможных конструктивных вариантов.
В корпус 1 арматуры устанавливается, в качестве комплектующего изделия, изготовленного на специализированном предприятии (такие предприятия есть в России, в странах Ближнего и Дальнего Зарубежья и готовы сотрудничать с арматурными заводами России) седло и мультипликатор.
Седло состоит из корпуса 2 с закреплённым в нём кольцом 16. К торцу кольца приварены оболочки 12 и 14, имеющие форму гофра. К другой стороне оболочек приварено кольцо 9 – подвижный элемент седла. На торце этого кольца закреплён запорный элемент 8 с затворной поверхностью. Этот элемент может быть выполнен, в частности, похожим на тарельчатую пружину для компенсации геометрических погрешностей затворных поверхностей. Втулка 5 ограничивает продольное перемещение элемента 9, служит направляющей и в ней размещены герметизирующие элементы 6 и сальниковая набивка 10 (например, из терморасширенного графита). Втулка 7 зажимает и удерживает набивку 10.
Кольца 9 и 16, оболочки 12 и 14 образуют герметичную полость 13, которая по каналу 4, выполненному в элементах 16, 2 и 4, соединяется с мультипликатором (на рисунке не показан). Кольцо 15 является экраном, способствующим уменьшению абразивного воздействия транспортируемой среды на элементы седла. Седло в корпусе арматуры может удерживаться стопорным кольцом 3.
Компьютерное моделирование затвора и расчёты, выполненные в нескольких фирмах (отечественных и зарубежных), специализирующихся на производстве сильфонной техники, подтвердили возможность изготовления таких устройств. Эти устройства обладают высокой надёжностью и длительным сроком службы. Фирмы готовы поставлять их арматурным заводам в требуемом количестве в качестве комплектующих изделий.

Запорная арматура

На рис.3 показан вариант компоновки сёдел и мультипликаторов в корпусе шарового крана.
Для поворота шарового запорного элемента можно применить привод с редуктором, в выходной ступени которого применён мальтийский крест. Применение такого привода исключит возникновение гидравлического удара в трубопроводе. На предлагаемую запорную арматуру выдан Патент RU 2 355 933 C1.

Барбин В.Г.

« Назад