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.

Клапан двухседельный

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».

Клапан запорно-регулирующий клетковый

Наиболее распространенной конструкцией является клетковый запорно-регулирующий клапан. Дроссельный узел с разгруженным плунжером и радиальными уплотнительными кольцами представлен на рис. 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.

Рис. 1. Клапан запорно-регулирующий клетковый

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.

Клапан запорно-регулирующий с пилотным управлением.

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 рис. 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.

Рис. 2. Запорно-регулирующий клапан с пилотным управлением.

Новые запорные и запорно-регулирующие клапаны

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 рис. 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.

Рис. 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.

Конструктивные особенности клапана:

1. Высокая герметичность относительно внешней среды.
2. Высокая герметичность затвора (класс А по ГОСТ 9544-93) в положении «закрыто».
3. Возможность работы клапанов на рабочих средах (вода, газ, пар) с температурой от минус 260° до плюс 600°С.

Все перечисленные особенности по п.1, 2, 3 обеспечиваются благодаря использованию в конструкции плунжерного затвора герметичных сильфонов.

1. Небольшое усилие привода клапана.

Небольшое усилие привода обеспечивается как за счет наличия разгруженного затвора, так и за счет дополнительного усилия поджатия затвора. Затвор конструктивно выполнен так, что средний диаметр уплотнительной поверхности седла (Dср.упл.) больше, чем средний диаметр сильфона (Dср.сил.). Поэтому, кроме усилия привода, действующего через шток, в конце закрытия на плунжер действует еще и дополнительно усилие равное:

где P - перепад давления между входным и выходным патрубками клапана.

1. Возможность работы клапанов в слабозагрязненных рабочих средах.
   Эта особенность объясняется тем, что в процессе регулирования плунжер полностью разгружен, т.е. давление полостей А и В равно давлению рабочей среды на входе. Это создает застойную зону, которая при работе клапана не обновляется загрязненной средой. Кроме того, радиальные направляющие плунжера имеют многочисленные пазы, уменьшающие площадь соприкосновения.
2. Надежность и снижение затрат на обслуживание.

В клапане отсутствуют мягкие подвижные уплотнения. Отсутствует необходимость подтяжки сальника.

1. Уплотнение затвора.

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».

1. Управление клапаном

Управление клапаном производится при помощи:

- пневматического мембранно-исполнительного механизма (МИМ) по ГОСТ 13373-67 с позиционером;
- ручного привода;

- механизмов исполнительных электрических прямоходных (МЭП).

Использован материал с сайта: www.anоd.ru