Особенности конструкций вентилей для различных параметров рабочей среды

Размещено на http: //www. allbest. ru/

1. ВЕНТИЛИ

К вентилям относят запорную арматуру с поступательным перемещением' затвора в направлении, параллельном потоку транспортируемой среды. Затвор перемещается, как правило, при помощи системы винт-ходовая гайка. Если к надежности и герметичности перекрытия прохода предъявляются высокие требования, широко применяют вентили для перекрывания потоков газообразных или жидких сред в трубопроводах с диаметрами условных проходов до 300 мм (а в некоторых случаях и до 400 мм) при рабочих давлениях до 2500 кгс/см2 и температурах сред от --200 до +450 °С.

Иногда, в отличие от задвижек и кранов, на базе вентилей достаточно просто могут быть созданы дросселирующие устройства с любой расходной характеристикой. арматура маховик вентиль золотник

По сравнению с другими видами запорной арматуры вентили имеют следующие преимущества: возможность работы при высоких перепадах давлений на золотнике и при больших величинах рабочих давлений; простота конструкции, обслуживания и ремонта в условиях эксплуатации; меньший ход золотника (по сравнению с задвижками), необходимый для полного перекрытия прохода (обычно 0,25 Бу); относительно небольшие габаритные размеры и масса; применение при высоких и сверхнизких температурах рабочей среды; герметичность перекрытия прохода; использование в качестве регулирующего органа; установка на трубопроводе в любом положении (вертикальном или горизонтальном); исключение возможности возникновения гидравлического удара.

Для перекрытия потоков в трубопроводах с небольшими условными проходами (до 250 мм) и высокими перепадами давлений наряду с клапанами широко применяют вентили. Изготовление вентилей экономически целесообразно, так как их габаритные размеры, масса и стоимость при малых условных диаметрах ниже, чем аналогичных задвижек.

К недостаткам, общим для всех конструкций вентилей, относятся: высокое гидравлическое сопротивление (по сравнению с задвижками, дисковыми затворами и кранами); невозможность применения на потоках сильно загрязненных сред, а также на средах с высокой вязкостью; большая строительная длина (по сравнению с задвижками и дисковыми затворами); подача среды только в одном направлении, определяемом конструкцией вентиля.

Если сравнивать вентили с другими видами запорной арматуры (задвижками, дисковыми затворами, кранами), применяемыми для перекрытия потоков сред в трубопроводах с диаметрами условных проходов 250 мм и более, то они имеют большие массу, габаритные размеры и, следовательно, большую стоимость.

Вследствие того, что усилия, возникающие на золотнике под действием перепада давлений, действуют по оси шпинделя, в вентилях с большим диаметром условного прохода возрастают усилия трения в резьбе и возникает необходимость применения мощных приводов. Кроме того, применение вентилей на магистральных трубопроводах из-за их большого гидравлического сопротивления вряд ли рационально, так как это требует повышения мощности перекачивающего оборудования для повышения давления на входе системы. Отсюда дополнительные затраты, повышение расхода электроэнергии и т. п.

Вентиль (рис. IV. 1 состоит из корпуса 1, в котором смонтирован узел затвора, верхней 'крышки 5 с сальниковым устройством 6 и шпинделя 4). Внутренние поверхности корпуса 1 и верхней крышки 5 образуют рабочую полость вентиля. Корпус вентиля, представляющий собой литую конструкцию, симметричную относительно продольной плоскости, снабжен двумя соосными патрубками, имеющими фланцы для присоединения к трубопроводу. Узел затвора, состоящий из золотника 3 и кольцевого седла 2, предназначен для перекрытия потока среды.

Золотник по форме представляет собой тело вращения с плоским основанием, на котором закреплено уплотнительное кольцо, изготовленное из металла, резины или фторопласта.

Конструкция узла соединения золотника 3 со шпинделем 4 обеспечивает возможность смещения оси тарелки по отношению к оси шпинделя, что способствует плотному прилеганию уплотнятелыгого кольца золотника к седлу. Рабочая среда подается через входной патрубок (в данном случае под золотник).

Рисунок 1 - Проходной вентиль с золотником тарельчатого типа 1 - корпус; 2 -седло; 3 - золотник; 4 - шпиндель; 5 - крышка; 6 - сальник; 7 - стойка; 8 - ходовая гайка; 9 - маховик

Уплотнение в месте выхода шпинделя из рабочей полости осуществляется сальником 6, конструкция которого не отличается от конструкции сальниковых устройств, применяемых в других видах запорной арматуры. Несмотря на то, что для полного закрытия вентиля приходится преодолевать усилия среды, такое конструктивное решение позволяет заменить набивку сальника без отключения линии (при закрытом положении затвора). Можно заменить сальниковую набивку и при открытом положении затвора. Для этой цели предусматривается верхнее уплотнение. В верхней части золотника имеется коническая -фаска, а в крышке -- соответствующая проточка, -которая выполняет роль уплотнительного седла. Когда шпиндель полностью поднят, эти конические поверхности соприкасаются и прекращают доступ среды по шпинделю к сальнику. Когда сальник необходимо перенабить без остановки технологического процесса, это уплотнение выполняют более тщательно. Уплотни-тельные поверхности наплавляют специальными сплавами, а затем при сборке вентиля притирают.

В качестве привода использован маховик 9, соединенный со шпинделем. При вращении маховика золотник приходит в движение и перекрывает проход.

Система винт - гайка предназначена для преобразования вращательного движения маховика привода в поступательное перемещение шпинделя. При монтаже вентилей предусматривают дополнительное свободное место с учетом хода шпинделя, а тчкже защищают резьбовую часть шпинделя от загрязнения и механических повреждений резьбы. Ходовая гайка (см. рис. 1У.1) жестко крепится в зерхней части бугельской стойки. При этом шток (шпиндель), совершая поступательное движение, еще и вращается. Это несколько ухудшает работу сальникового уплотнения.

Конструкции вентилей классифицируют по нескольким признакам, так как при проектировании различных технологических установок и схем, помимо гидравлических характеристик вентилей, большое значение имеет способ его монтажа на трубопроводе.

По конструкции корпуса вентили подразделяют на проходные, прямоточные, угловые и смесительные. По назначению их классифицируют на запорные, запорно-регулирующие и специальные. В свою очередь регулирующие вентили подразделяют по конструкции дроссельных устройств на вентили с профилированными золотниками и игольчатые. Аналогично запорные вентили то конструкции затворов (золотников) -подразделяют на -вентили тарельчатые и диафрагмавые, а по -способу уплотнения шпинделя -- на сальниковые и сильфовные.

Приведенная классификация достаточно полно учитывает все остальные конструктивные типы вентилей. Ниже рассмотрены некоторые из наиболее часто встречающихся конструкций.

1.1 Проходные вентили

Проходными называют вентили, которые имеют корпус с соосными или параллельными патрубками. Они предназначены для установки в прямолинейных трубопроводах, широко применяются в практике и имеют преимущества, общие для всех вентилей.

Проходные вентили имеют недостатки: относительно высокое гидравлическое сопротивление; наличие зоны застоя; большие строительные размеры; сложность конструкции корпуса и относительно большую массу.

Высокое гидравлическое сопротивление корпуса обусловливается там, что поток рабочей среды делает по крайней мере два поворота. Это соответственно и увеличивает потери энергии. В нижней части корпуса, как правило, образуется зона застоя, которая является местом скопления твердых частиц, различных включений и др. В современных конструкциях проходных вентилей образование зоны застоя пытаются исключить специальными закругленными формами внутренней полости корпуса.

Большие строительные размеры корпусов проходных вентилей обусловливаются их конструкцией. Корпусы в вентилях с фланцевым и линзовым присоединениями к трубопроводу имеют наибольшие размеры.

Проходной вентиль (рис. 1У.2) состоит из литого корпуса 1, на перемычке которого закреплено седло 2.



Рисунок 2в - Проходной запорный вентиль с усиленным золотником 1 - корпус; 2 - седло; 3 - золотник; 4 - крышка со стойкой; 5 - шпиндель; 6 - ходовая гайка; 7 - маховик

К корпусу крепится крышка 4, отлитая вместе с бугельной стойкой. На крышке смонтированы сальник и ходовая гайка 6, в которую ввинчен шпиндель 5. Последний связан с золотником 3 тарельчатого типа. Герметизация прохода в закрытом положении осуществляется по торцовой поверхности седла 2 и уплотнительного кольца, закрепленного на золотнике. Маховик закрепляют на шпинделе, который при вращении маховика совершает винтовое движение. Конец шпинделя, связанный с золотником, закруглен и упирается в подпятник. Это обеспечивает самоустановку золотника по седлу, что устраняет перекосы и негерметичность и практически исключает вращение уплотняющего кольца по торцу седла после их соприкосновения. Ходовая гайка предохраняется от вращения при помощи неподвижного шпоночного соединения или винтовым стопором.

Для уплотнения между крышкой и корпусом устанавливают прокладку, закрепленную между фланцами корпуса и крышки.

Нижняя часть корпуса усилена ребром жесткости, что увеличивает его сопротивление моменту изгиба, возникающего обычно при неправильном монтаже вентилей на трубопроводе. В целях уменьшения гидравлического сопротивления внутренняя полость корпуса вентиля выполнена закругленной. Подобная конструкция проходных вентилей наиболее распространена (за исключением золотника, конструкций которых очень много).

1.2 Прямоточные вентили

К прямоточным относят вентили, корпус которых имеет соосные патрубки, а ось шпинделя расположена под углом к оси прохода.

Преимущества вентилей этого типа по сравнению с проходными следующие: относительно малое гидравлическое сопротивление; компактность конструкции; отсутствие зон застоя.Недостатки прямоточных вентилей-- большая по сравнению с проходными длина и относительно большая масса.

В прямоточных вентилях угол между осями прохода и патрубков составляет 45--60°. Вентиль (рис. 1У.З) состоит из корпуса 1 с навинченными на него фланцами. Уплотнительная кромка получена при обработке корпуса.



Рисунок 3в - Прямоточный вентиль 1 - корпус; 2 - золотник; 3 - шток; 4 - крышка; 5 - сальник; 6 - стоика; 7 - маховик; 8 - ходовая гайка; 9 - шпиндель; 10 - сцепка

В этой конструкции крышка 4 крепится к корпусу вместе со стойкой 6'. Сальниковое устройство 5 обычной конструкции с нажимным фланцем. На стойке жестко посажена ходовая гайка 8. Наиболее интересным в рассматриваемой конструкции является то, что узел соединения 10, штока 3 со шпинделем 9 вынесен за пределы корпуса. Таким образом, шпиндель, вращаясь и поступательно перемещаясь, передает штоку, а с ним и золотнику только поступательное движение. Этим устраняется вращение золотника, а также улучшаются условия работы сальниковой набивки. Золотник состоит из тарелки с приваренным к ней полым штоком. Этим облегчается конструкция затвора.

Не меньший интерес представляет конструкция прямоточного вентиля (рис. У1.4), в котором в качестве запорного элемента применена диафрагма (мембрана), связанная с тарелкой плунжера. Верхняя часть мембраны служит одновременно уплотнительным элементом, разделяющим рабочую полость вентиля и окружающую атмосферу. Это уплотнение прижимается к верхнему фланцу корпуса / крышкой 5. В прямоточном вентиле данной конструкции отсутствует сальник, что позволяет существенно уменьшить его габаритные размеры. Перекрытие прохода достаточно герметично. Ось шпинделя в отличие от приведенной ранее конструкции перпендикулярна оси патрубков.

Рисунок 4в - Прямоточный мембранный вентиль 1 - корпус; 2 - мембрана; 3 - маховик; 4 - шпиндель; 5 - крышка

В прямоточном вентиле (рис. 1У.5, а), несмотря на обычное решение общей компоновки (ось шпинделя 5 наполнена под углом к оси патрубков), корпус состоит из двух частей простой конфигурации, очень удобной для массового производства, -- собственно корпуса / и патрубка 2 с двумя фланцами. Седло 3 одновременно является соединяющим и центрирующим элементом патрубка и корпуса. В такой конструкции отпадает необходимость в верхней крышке, так как этот разъем практически не нужен. Доступ к дроссельной паре возможен со стороны патрубка. Сальниковое устройство 6 смонтировано непосредственно на корпусе. Это существенно уменьшает габаритные размеры вентиля. Отсутствие крышки позволяет отлить стойку вместе с корпусом. При этом конструкция его становится монолитной и надежной. Однако недостаток такого конструктивного решения заключается в том, что уплотнение (золотник и седло) оказывается под непосредственным воздействием усилий, действующих на патрубок со стороны трубопровода. Это при неправильном монтаже может достаточно легко нарушить герметичность вентиля. Кроме того, привод развивает достаточно большое усилие, необходимое для герметизации прохода, поэтому шпильки, соединяющие патрубок с корпусом, воспринимают значительную суммарную нагрузку. Оригинальность такого конструктивного решения заключается еще и в том, что прямоточный вентиль легко можно превратить о угловой. Для этого достаточно переставить патрубок, как показано на рис. 1У.5, б.

Рисунок 5в - Запорный вентиль а - прямоточный; б - угловой; 1 - корпус; 2 - входной патрубок; 3 - седло; 4 - золотник; 5 - шпиндель; 6 - сальник; 7 - нажимная гайка; 8 - ходовая гайка

Интересным является также и конструктивное решение сальникового устройства, исключающее применение нажимного фланца для затягивания набивки сальника. Его роль выполняет гайка 7, одновременно служащая направляющей для шпинделя и элементом, предохраняющим от попадания грязи в резьбовую часть шпинделя.

1.3 Угловые вентили

Угловые вентили имеют корпус с перпендикулярно расположенными патрубками, причем один из патрубков соосен или параллелен оси дроссельной пары (седла и золотника). Вентили этого типа предназначены для соединения двух частей трубопровода, расположенных перпендикулярно друг другу (например, горизонтально и вертикально) или для монтажа на повороте.

Эти вентили по сравнению с проходными более компактны по конструкции, меньше по массе и не имеют застойных зон в корпусе. К недостаткам угловых вентилей относятся: относительно высокое (посравнению с прямоточными) гидравлическое сопротивление .и (большая высота.

Угловой вентиль (рис. 1У.6) предназначен для работы при давлениях рабочей среды, меньших 64 кгс/см2, и при невысоких температурах. Он состоит из корпуса 1, на котором закреплена крышка 4, отлитая вместе со стойкой. На стойке крепится ходовая гайка 6 и сальник 5. Набивка саль:1и:п состоитиз уплотнительных колец. Ходовая гайка предохраняется от вращения вокруг оси при помощи винтов.



Рисунок 6в - Угловой запорный вентиль 1 - корпус; 2 золотник; 3 - шпиндель; 4 - крышка; 5 - сальник; 6 - ходовая гайка; 7 - маховик

В этой конструкции седло заменяется уплотнитель-ной поверхностью, полученной обработкой перемычки корпуса. Тарельчатый золотник 2 соединен со шпинделем 3. Это предотвращает вращение золотника в закрытом положении затвора. Маховик закрепляется на шпинделе.

Недостаток вентиля -- отсутствие сменного седла в корпусе. При износе уплотнительной кромки и потере герметичности требуется механическая обра-йп«" -кпгтчгя Это достаточно сложботка корпуса. с>то достаточно ^шл-но в условиях эксплуатации, особенно если вентиль с большим условным проходом.

Между патрубками проходит ребро жесткости, которое воспринимает изгибающие усилия от трубопроводов при монтаже вентиля. Приведенная конструкция незначительно отличается от других конструкций угловых запорных вентилей. Эти различия касаются в основном затвора, сальниковых устройств и расположения системы винт--гайка.

1.4 Диафрагмовые вентили

Диафрагмовым (или мембранным) называется вентиль, у которого запорный элемент -- эластичная диафрагма (мембрана), перекрывающая проход. Диафрагмовые вентили предназначены для перекрывания потоков сред при невысоких температурах (до 100--150 °С) и невысоких рабочих давлениях. К преимуществам вентилей относятся: простота конструкций; отсутствие сальника, зон застоя и карманов; невысокое гидравлическое сопротивление; небольшие габаритные размеры и масса.

Основной недостаток вентилей этого типа -- относительно небольшой срок службы мембраны. Применение мембраны в качестве запорного элемента, который одновременно служит и для разделения рабочей полости вентиля с окружающей атмосферой, исключает необходимость в сальниковом устройстве, что существенно упрощает конструкцию. Однако, учитывая, что обычные мембраны не в состоянии «совершать» большой ход, предусматривают в рабочей полости корпуса в месте перекрытия потока значительное сужение потока. Это существенно увеличивает гидравлическое сопротивление корпуса. Наконец, появляется и проблема полного исключения вращательного движения тарелки во избежание «скручивания» мембраны, которое может привести к ее разрыву. При этом маховик соединяется ходовой гайкой, а шток совершает поступательное движение. Одновременно предусматриваются и аварийные устройства, сохраняющие герметичность вентиля в случае разрушения (прорыва) мембраны.

Диафрагмовый вентиль (рис. 1У.7) состоит из корпуса 1, на котором закреплена крышка 6. Запорным элементом служит мембрана 2, одновременно герметизирующая рабочую полость. Мембрана перемещается под действием золотника (грибка) 3, поверхность которого по профилю совпадает с узкой частью корпуса. Для предотвращения разрыва мембраны от давления среды предусмотрена телескопическая опора из колец 8.



Рисунок 7в - Диафрагмовый вентиль 1 - корпус; 2 - мембрана; 3 - золотник; 4 - шпиндель; 5 - ходовая гайка; 6 - крышка; 7 - маховик; 8 - опорные кольца

Мембрана прижимается к корпусу крышкой 6, на которой крепится, ходовая гайка 5, связанная с маховиком. В этой конструкции грибок, присоединяемый к шпинделю 4, фиксируется при вращении.

Мембранные вентили часто выпускают с футеровкой внутренних поверхностей коппуса оезиной. полиэтиленом или эмалированными.

1.5 Сильфонные вентили

Сильфонными называют вентили, в которых в качестве уплотнительного элемента, разделяющего рабочую полость и окружающую атмосферу в месте выхода шпинделя, используют сильфоны.

Сильфонные вентили предназначены для работы в средах, утечка которых в окружающую атмосферу недопустима из-за ее высокой стоимости, агрессивности, токсичности, взрыво- или пожароопасности, ядовитости и др. Основные преимущества сильфонных вентилей -- полное исключение утечки рабочей среды и надежность уплотнительного элемента.

К недостаткам, общим для всех конструкций сильфонных вентилей, относятся: высокие сложность и стоимость конструкции; трудность ремонта в условиях эксплуатации и большая величина усилия, необходимого для перекрытия потока.

Сильфонные вентили должны удовлетворять требованиям: 1) в целях исключения разрушения сильфона шпиндель должен совершать только поступательное движение, вращение его вокруг оси недопустимо; 2) в крышке должно быть предусмотрено дополнительное аварийное сальниковое устройство, препятствующее утечке среды из рабочей полости вентиля в случае усталостного разрушения сильфона; 3) шпиндель должен быть надежно связан с сильфоном; 4) при перемещении шпинделя сильфон должен работать только на сжатие; 5) давление среды допустимо только снаружи сильфона; 6) уплотнение между сильфоном, корпусом и шпинделем должно быть надежным и герметичным; 7) золотник и седло должны быть сцентрированы во избежание перекоса сильфона.

Приведенный выше перечень основных требований не учитывает особых требований к изготовлению сильфонов, которые являются наименее надежными элементами конструкций таких вентилей.

Сильфоны, предназначенные для работы при больших давлениях среды, имеют высокую жесткость. Поэтому при закрывании вентиля необходимо приложить довольно большие усилия. Для уменьшения необходимого усилия уплотнения затвора в вентилях с подачей среды под золотник сильфонный узел при закрытом проходе должен находиться в свободном (несжатом) состоянии.

В конструкции такого вентиля (рис. 1У\8) учитываются все требования, предъявляемые к сильфонным вентилям. Наибольший интерес представляет узел сильфона 5 и конструктивное решение узла соединения шпинделя с зо лотником.



Рисунок 8в - Сильфонный запорный вентиль 1 - золотник; 2 - корпус; 3 - шпонка; 4 - промежуточный корпус; 5 - сильфон; 4 - контрольное отверстие; 7 - крышка; 8 - аварийный сальник; 9 - шпиндель;10 - ходовая гайка; 11 - маховик; 12 - разжимное кольцо

Вентиль состоит из литого корпуса 2, на котором закрепляется крышка 7. Уплотнение и центрирование между крышкой и корпусом осуществляются при помощи фланца промежуточного корпуса 4, внутри которого смонтирован сильфон 5, который с одной стороны соединен со шпинделем 9, а с другой -- приварен к верхней части промежуточного корпуса 4. Последний, таким образом, является защитой сильфона от механических повреждений при эксплуатации вентиля и препятствует проникновению среды в полость крышки даже при прорыве сильфона.

Такая конструкция позволяет избежать создания промежуточного разъема в крышке, уменьшающего надежность вентиля, что обычно имеется в конструкциях сильфонных вентилей.

В нижней части корпуса сильфона предусмотрена направляющая движения шпинделя со шпонкой 3, препятствующей вращению шпинделя вокруг оси, так как это вращение привело бы к разрушению сильфона. Золотник 1 (см. рис. 1У.8)-- тарельчатый. Способ его соединения со шпинделем позволяет тарелке уплотнительной поверхности точно садиться на уплотнительную поверхность корпуса.

Интересен способ законтривания шпоночного соединения маховика И на ходовой гайке 10 при помощи кольца 12 (см. рис. III.8), одновременно препятствующего и выпадению шпонки из соединения. Аварийный сальник 8 обычной конструкции закреплен на крышке. Высота набивки меньше, чем в обычных вентилях. Отверстие 6 служит для присоединения контрольной линии. При разгерметизации вентиля (при разрушении сильфона) рабочая среда попадает в контрольную линию. При обычной эксплуатации отверстие заглушено пробкой. Крышка 7 отлита вместе со стойкой; это, несмотря насложность обработки деталей, увеличивает прочность конструкции и упрощает обслуживание.

В другой конструкции сильфонного вентиля (рис. 1У.9) отсутствует аварийное сальниковое уплотнение. На золотнике 2 расположены направляющие, которые при полном его подъеме не выходят из кольцевого прохода.

Такое конструктивное решение исключает перекосы золотника при посадке его на уплотнительные кромки.

Существенным недостатком, общим для всех конструкций сильфонных вентилей, является небольшое допустимое сжатие сильфона. Для увеличения хода соединяют несколько сильфонов, что резко снижает надежность вентиля и невыгодно из-за увеличения размера его по высоте. Для замены вышедшего из строя сильфона необходимо полностью разобрать конструкцию, а также применять сварку, что не всегда можно просто и быстро осуществить в условиях эксплуатации.



Рисунок 9в - Сильфонный стальной вентиль 1 - корпус; 2 - золотник; 3 - сборка сильфона со шпинделем; 4 - крышка; 5 - маховик

1.6 Смесительные вентили

В практике достаточно часто возникает необходимость смешивать два потока жидкой среды с целью стабилизации ее температуры, концентрации реагентов, разжижения основной среды, введения в нее катализатора, поддержания качества и т. д. Такие задачи часто решают при помощи двух вентилей, через которые в смесительный резервуар подается поток составных частей среды. Эти схемы получаются громоздкими, дорогими и сложными в эксплуатации. При регулировании потоков приходится управлять сразу двумя вентилями. Кроме того, эта схема предусматривает резервуар, что еще больше удорожает конструкцию.

Проще использовать смесительные вентили, в которых два потока смешиваются непосредственно в корпусе одного вентиля. Такие вентили можно смонтировать непосредственно на рабочем резервуаре. Их применение дает высокий экономический эффект за счет того, что вместо двух вентилей и специального смесителя применяют только один вентиль. С уменьшением числа элементов значительно увеличивается надежность схемы. По габаритным размерам, массе и стоимости смесительные вентили не отличаются от проходных, но их гидравлическое сопротивление в 1,5--2 раза ниже.

Эти вентили без изменения конструкции с успехом можно использовать и в качестве разделл-тельных.

Корпус смесительного вентиля имеет так называемую «трехходовую» конструкцию (с тремя патрубками). Два входных патрубка соосны, через них подаются потоки смешиваемых сред. Ось третьего выходного патрубка перпендикулярна осям входных патрубков и, как правило, соосна с осью дроссельной пары (золотник и седло). При помощи патрубка вентиль соединяется с резервуаром.

Чтобы разделить поток рабочей среды на две части (это бывает необходимо в специальных случаях), достаточно подать поток в выходной патрубок.

Смесительный вентиль (рис. IV. 10) предназначен для непосредственного монтажа на резервуаре, что сказалось и на его конструкции: седло одновременно является уплотнительным элементом и зажимается при монтаже между фланцем резервуара и выходным патрубком. Это позволило уменьшить размеры вентиля и упростить его конструкцию за счет перемычки, на которой в обычном случае крепится седло.

Рисунок 10в - Смесительный вентиль

Необходимо отметить, что число выпускаемых конструкций смесительных вентилей невелико

1.7 Запорно-регулирующие вентили

Выше рассматривались конструкции запорных вентилей, надежно работающих лишь в двух положениях -- полностью закрыт и полностью открыт. Однако в практике часто требуется арматура, которая обеспечивала бы возможность ручного или дистанционного управления подачей продукта путем изменения гидравлического сопротивления дроссельной пары с надежным фиксированием промежуточных положений (даже при авариях) в линии питания привода, или при затруднительном доступе к вентилю, а также достаточно надежно перекрывала бы трубопровод.

Идеальным типом запорной арматуры для широкого применения в подобных условиях являются запорно-регулирующие вентили.

Запорно-регулирующие вентили, помимо перекрывания потока, дросселируют его.

Регулирующие (дроссельные) характеристики вентилей аналогичны характеристикам регулирующих клапанов и соответствуют специальной профилировке золотника.

Конструкция запорно-регулирующих вентилей в основном не отличается от обычных конструкций проходных или угловых запорных вентилей, однако им присущи особенности: золотник имеет профилированную рабочую поверхность (чаще всего применяют золотники пробкового типа); золотник и седло имеют хорошо обработанные и притертые уплотняющие кромки; направляющая движения шпинделя должна быть четко сцентрирована с седлом; золотник и седло в целях повышения надежности изготовляют из специальных сплавов.

Запорно-регулирующие вентили могут быть с профилированным золотником и игольчатые.

В вентилях, работающих при высоких перепадах давлений рабочей среды, профилированная (рабочая) поверхность золотника подвержена воздействию значительных скоростей потока и при возникновении кавитации или загрязненности среды она быстро изнашивается. В условиях эксплуатации изготовить новый золотник достаточно сложно, поэтому на золотниках пробкового типа рабочую поверхность обычно получают наплавкой твердыми сплавами, которые значительно увеличивают срок службы золотников, хотя и усложняют технологию их производства.

В основном разнообразные конструкции запорно-регулирующих вентилей ничем не отличаются от рассмотренных выше конструкций.

При малых диаметрах условных проходов вентилей (до 6 мм) золотник в. форме «тарелки» или «пробки» с успехом может быть заменен конусом. Вентили с золотником в виде конуса в практике называют игольчатыми. Они могут быть как запорными (рис. 1У.11,а), так и регулирующими (рис. IV.11, б, а). Эта конструкция вентилей имеет преимущества: отсутствие седел; герметизация прохода обеспечивается по поверхности конуса; в процессе эксплуатации с увеличением срока непрерывной работы герметичность прохода не уменьшается, так как плунжер достаточно «притирается» к уплотнительной поверхности, полученной при обработке корпуса.



Рисунок 11в - Запорно-регулирующий вентиль а - запорный; б - регулирующий с уплотнительной поверхностью в виде усеченного конуса; в - регулирующий с плунжером в виде иглы; 1 - корпус; 2 - плунжер; 3 - крышка;4 - сальник; 5 - нажимная гайка; 6 - маховик

Одновременно игольчатые вентили имеют и существенные недостатки: невозможность применения для регулирования потоков загрязненных сред; необходимость тщательной обработки и индивидуальной пригонки конусов, что усложняет их производство и исключает взаимозаменяемость; возможность заедания затвора.

Расходная характеристика запорно-регулирующих игольчатых вентилей близка к линейной. Игольчатые вентили широко применяют в регулировании и дросселировании малых потоков газов, при больших величинах перепадов давлений на дроссельном устройстве. В этих условиях они имеют достаточно высокие эксплуатационные характеристики.

Проходной игольчатый вентиль (см. рис. IV.11, в) состоит из корпуса 1, в который ввинчена крышка 3 с сальником 4, затягиваемым гайкой 5. Шпиндель выполнен вместе с золотником-плунжером 2. Ходовую гайку заменяет резьба, нарезанная во внутренней полости крышки. На шпиндель надет маховик 6. В качестве дроссельного устройства служат коническое отверстие в корпусе и конический конец шпинделя.

В конструкции углового игольчатого вентиля (см. рис. IV, 11, б) удалось обойтись без крышки за счет увеличения диаметра сальника. Этот вентиль предназначен для перекрывания потока воздуха или газа при давлениях 4 кгс/см2.

1.8 Особенности конструкций вентилей для различных параметров рабочей среды

Каждый из описанных выше типов вентилей изготовляют в нескольких вариантах (исполнениях) с учетом конкретных условий их применения.

Конструкции вентилей одного типа в зависимости от величины параметров могут значительно отличаться друг от друга.

При конструировании вентилей учитываются параметры среды: максимальное рабочее давление; максимальный перепад давления на дроссельной паре; температура среды; агрессивность среды; пожаро- и взрывоопасность среды; ручное или автоматическое управление.

Рабочее давление в основном учитывают при конструировании корпуса, крышки и сальникового устройства.

В зависимости от величины рабочего давления корпус изготовляют литым (при давлении до 64 кгс/см2) или кованым (при давлении выше 100 кгс/смг). Корпусы вентилей, работающих при давлениях до 6--10 кгс/см2, могут быть изготовлены из специальной пластмассы. Вентили из чугуна, как правило, изготовляют для давлений до 16 кгс/см2.

Перепад давлений на золотнике, незначительно отличающийся от рабочего давления, существенно влияет на направление подачи рабочей среды к золотнику и на его конструкцию.

Поток подается через входной патрубок. Как правило, среда подается под золотник. При этом усилие, необходимое для уплотнения прохода, довольно большое, так как для обеспечения герметичности прохода и положения «закрыто» необходимо одновременно не только преодолевать усилие, возникающее под действием перепада давления, но и дополнительно создавать усилие уплотнения на запорных кромках дроссельной пары. Поэтому в конструкциях вентилей, предназначенных для работы при повышенных давлениях рабочей среды, а также в вентилях с относительно большими условными проходами среда подается «на золотник». При этом уплотнение прохода получается более герметичным. Однако в такой конструкции сальниковое устройство постоянно находится под действием полной величины рабочего давления, что ухудшает его работу, увеличивает трение между шпинделем и набивкой и в случае прорыва сальника приводит к серьезным последствиям.

В вентилях этой конструкции заменять набивку сальника при эксплуатации, не отключая линию, практически невозможно. В вентилях с подачей среды «под золотник» эти недостатки полностью исключены. Для замены набивки в таких вентилях обычно достаточно перекрыть проход и произвести соответствующие операции.

Кроме того, в регулирующих вентилях, работающих при высоком давлении, сальник практически постоянно работает под действием намного меньшего давления, чем полное давление рабочей среды, что также увеличивает его надежность.

Золотник обычно выполняют в виде тела вращения. По геометрической форме различают золотники: тарельчатый, пробковый и юбочный.

Золотник тарельчатого типа (см. рис. IV. 1) состоит из тарелки и узла соединения со шпинделем. На золотнике, как правило, укрепляют уплотняющее кольцо, выполненное из резины, кожи или фторопласта. В конструкциях, работающих при высоких перепадах давлений или температурах, уплотняющее кольцо отсутствует. При этом на тарелке обработкой получают уплотнительную кромку. Эту кромку в особых случаях при высоких скоростях рабочей среды и ее загрязненности получают наплавкой специальными износостойкими сплавами (например, стеллитом). При этом срок службы золотника и надежность вентиля резко увеличиваются.

Конструкция узла соединения тарелки золотника со шпинделем обеспечивает возможность смещения оси тарелки по отношению к оси шпинделя. Это необходимо для плотного прилегания уплотнительной поверхности золотника к уплотнительной поверхности седла.

Вследствие того, что в основном в вентилях шпиндель совершает винтовое движение, такая конструкция соединения одновременно уменьшает износ уплотнительных поверхностей, так как исключает жесткую связь шпинделя с золотником, который практически остается неподвижным после соприкосновения с седлом.

Тарельчатые золотники широко применяют в запорных вентилях с любыми диаметрами условных проходов. В конструкциях вентилей, предназначенных для работы при невысоких рабочих давлениях, тарелку выполняют облегченной формы.

Золотник пробкового типа в основном применяют в запорно-регулирующих вентилях (см. рис. IV. 11, а) или в вентилях, работающих при высоких перепадах давлений, а также в вентилях с очень малыми диаметрами условных проходов.

Рабочую поверхность золотника обычно профилируют или изготовляют в виде конуса. Недостатком такой конструкции золотника является высокое гидравлическое сопротивление, а также большой расход металла, что увеличивает его стоимость, массу и усложняет обработку.

Золотник юбочного типа -- разновидность тарельчатого золотника и встречается в конструкциях вентилей весьма редко. Основное преимущество такой конструкции заключается в том, что седло одновременно служит направляющей движения золотника. При этом после небольшой предварительной притирки надежность герметизации прохода возрастает.

Гидравлическое сопротивление такого золотника значительно ниже, чем золотника пробкового типа, расход металла и масса его также невысоки. Однако необходимость точной обработки седла и поверхности направляющей части и высокой точности монтажа шпинделей несколько усложняет изготовление такого золотника.

Золотники, в которых направляющая представляет, собой ребра, сходящиеся в центре тарелки, широко применяют в вентилях с большими диаметрами условных проходов.

В конструкциях вентилей с пробковыми и юбочными золотниками проход, как правило, герметизируют по коническим кромкам, полученным при обработке золотника и седла. Иногда такие золотники выполняют составными. При этом между верхней и нижней частями золотников закрепляют уплот-нительное кольцо.

В качестве приводов вентилей обычно используют устройства, имеющие вращающийся выходной резьбовой элемент, что обеспечивает четкую фиксацию положения золотника (затвора) относительно седла даже в случае аварии в сети питания привода, а также дает возможность применять компактные конструкции. Приводы к вентилям могут быть ручными и электрическими. Ручным приводом для небольших вентилей служит маховик, для больших вентилей -- редуктор.

Электрический привод предназначен для дистанционного управления вентилем. Привод состоит из электродвигателя, редуктора, муфты ограничения крутящего момента и путевого выключателя.

На выбор материалов, из которых изготовляют основные детали и узлы вентилей, в основном влияют температура и показатели агрессивности рабочей среды.

1.9 Конструкции вентилей для специфических условий работы

Вентили разделяют по следующим признакам: по параметрам среды (давление, температура, агрессивность и др.) и специальному назначению.

По параметрам среды вентили бывают: высокого давления, высоких температур, глубокого холода, высоких перепадов и т. д.

По специальному назначению вентили: для резервуаров (донные, сливные) и для специальных сред (шлама, сыпучих, сред с высокой вязкостью и др.).

При конструировании таких вентилей приходится учитывать некоторые специальные требования, предъявляемые к их конструкции.

При этом, кроме основных параметров среды, необходимо учитывать: способ присоединения к трубопроводу; взрывоопасность среды; величину перепада давления на дроссельной паре, что определяет направление подачи рабочей среды в корпусе и наиболее выгодную конструкцию золотника; вид энергии, подводимой к приводу.

Ниже приводится описание конструкций некоторых типов специальных вентилей, широко применяемых в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Вентили высокого давления

Вентили этого типа изготовляют с диаметрами условных проходов от 3 до 125 мм, рассчитанные на рабочие давления до 2500 кгс/см2. Отличительными особенностями конструкции вентилей высокого давления являются: кованый корпус; подача среды под золотник для уменьшения воздействия на сальник; линзовое присоединение к трубопроводу; усиленная конструкция шпинделя и золотника; большая величина момента, необходимого для закрывания вентиля; увеличенная, по сравнению с обычными вентилями, высота; отсутствие вращения шпинделя вокруг оси.

В широко распространенной конструкции запорного углового вентиля высокого давления (рис. IV.12) корпус ) вентиля соединяется болтами со стойкой 7. Уплотнение между стойкой и корпусом обеспечивается сжатием фланца корпуса сальника 5. Для исключения разгерметизации рабочей полости вентиля стойка сцентрирована на корпусе по посадке. Набивка сальника б затягивается нажимной гайкой 8, ввинченной в стойку. В затянутом положении гайка контрится болтом. Седло 2 поджимается к кромкам корпуса гайкой. Золотник 3 связан со шпинделем 10 посредством штока 4. Шток присоединяется к шпинделю при помощи сцепки 9, конструкция которой исключает вращение штока вокруг оси. Маховик 11 имеет достаточно большие габаритные размеры, так как при перекрывании вентиля, помимо усилия давления среды и создания необходимого уплотнения, приходится преодолевать и большие усилия трения между штоком и набивкой. Тщательно обработанные концы патрубков позволяют применять линзовые прокладки, затягиваемые при помощи "фланца 12.

Рисунок 12в - Запорный угловой вентиль высокого давления 1 - корпус; 2 - седло; 3 - золотник; 4 - шток: 5 - корпус сальника; 6 - набивка сальника; 7 - стойка (бугель); 3 - нажимная гайка; 9 - сцепка; 10 - шпиндель; 11 - маховик; 12 - присоединительный фланец

В игольчатом регулирующем угловом вентиле высокого давления (рис. IV. 13) также основное внимание уделяется надежности сальника 3, который затягивают при помощи контргайки 5, Крышка в конструкции отсутствует, поэтому сальник расположен непосредственно в кованом корпусе /. Стойка крепится к корпусу при помощи резьбового соединения. Нажимная гайка 6 перемещается по резьбе, нарезанной по наружной поверхности стойки. Недостатком конструкции является соединение нажимного элемента со стойкой. Наружная резьба, нарезанная на стойке, легко загрязняется и разрушается, тем более что в нарезанной поверхности имеются пазы. Это может привести к заеданию гаек 5 и 6.

Рисунок 13в - Игольчатый вентиль высокого давления 1 - корпус; 2 - игла; 3 - набивка сальника; 4 - стойка; 5 - контргайка: 6 - нажимная гайка

Игольчатые вентили такой конструкции можно применять в качестве запорного элемента для систем измерений и пробоотборных систем в установках синтеза высокого давления.

Область применения игольчатых вентилей высокого давления в настоящее время существенно расширилась в связи с появлением новых процессов синтеза. Игольчатые вентили современных конструкций могут быть использованы при температурах до 200 °С и давлениях рабочей среды до 2500 кгс/см2.

Вентили для сред высоких температур

В некоторых технологических процессах широко применяют вентили, рассчитанные для работы при температурах рабочих сред более 200"С.

Необходимо, чтобы конструкции этих вентилей удовлетворяли требованиям: сальниковое устройство должно быть предохранено от воздействия температуры среды, а привод -- от высокой температуры на его выходном элементе; вентиль должен быть изготовлен из специальных температуростой-ких сплавов; герметичность перекрывания прохода должна быть достаточно надежной.

Материалами, из которых изготовляют корпусы и крышки, а также седла и золотники, служат хро-моникелевые и хромоникелемолибденовые стали или жаропрочные чугуны.

Основной проблемой, разрешаемой изготовителями при проектировании вентилей этого типа, является способ снижения температуры на сальниковом устройстве до 100--150 °С. Наиболее широкое распространение получили два способа охлаждения при помощи: ребристой рубашки и отвода тепла паром или водой.

Охлаждение при помощи ребристой рубашки (рис. IV.14), являющейся переходным элементом между крышкой и сальником, наиболее простое. В вентилях, работающих при высоких температурах рабочей среды, крышка снабжена поперечными ребрами. Теплоотдача через ребра в окружающую атмосферу существенно уменьшает температуру на сальнике. Применение поперечных ребер наиболее рационально, так как при эксплуатации в основном существует только естественный обдув

Рисунок 14в - Крышка вентили с ребрами охлаждения

Поперечные ребра не препятствуют свободному обтеканию воздуха, что исключает возможность скапливания грязи и пыли на их поверхности. Высота оребренной части верхней крышки зависит от температуры среды. Для увеличения прочности крышку иногда изготовляют и с продольными ребрами. Однако в условиях эксплуатации ребра -- это не идеальный способ снижения температуры на сальнике, так как даже небольшое загрязнение значительно уменьшает коэффициент теплоотдачи. Таким образом, этот способ является недостаточно надежным. Его эффективность зависит от состояния поверхности ребер и качества обслуживания. Во многих случаях при монтаже требуется предусматривать специальный обдув ребер и т. д. Длина рубашки иногда достигает довольно больших размеров, что соответственно увеличивает массу и габаритные размеры вентиля.

Более эффективный способ отвода тепла -- охлаждение паром или водой. Этот способ заключается в создании специальной охлаждающей полости в крышке, в которую под относительно небольшим давлением подается поток охлаждающей среды. При этом размеры полости получаются, как правило, намного меньше размеров рубашки, рассчитанной на ту же температуру. Существенный недостаток этого конструктивного решения -- необходимость монтажа специальных линий подачи охлаждающей среды с соответствующим оборудованием, что удорожает эксплуатацию вентиля. Необходимо также отметить, что обычно охлаждающая среда подается загрязненной, поэтому время от времени требуется промывать охлаждающую полость для увеличения эффективности охлаждения.;

Вентиль с охлаждением водой (рис. IV. 15) предназначен для работы при давлениях, больших 200 кгс/см2, поэтому конструкция его золотника напоминает изображенную на рис. IV". 12. Охлаждающая полость 3 образована наружной поверхностью корпуса сальника / и стойки 2. Уплотнение в местах соединения осуществляется при помощи прокладки 4 и кольца 5, а подача и отвод охлаждающей среды -- при помощи отверстий. Вентиль рассчитан для работы при температурах среды до 500 °С.

Более простое решение конструкции охлаждающей полости -- получение ее методом наварки цилиндра на выточку крышки, однако при этом невозможно тщательно очистить охлаждающие поверхности от солей и грязи.

Рисунок 15в - Вентиль для работы при высоких температурах 1 - корпус сальника; 2 - стойка; 3 - охлаждающая полость; 4 - прокладка; 5 - уплотнительное кольцо

Недостатки конструкции вентилей с водяным охлаждением -- большое число мест уплотнений (что снижает надежность системы охлаждения), сложность монтажа, а также трудоемкость изготовления и высокая стоимость. Несмотря на указанные недостатки, эти вентили широко используют в процессах синтеза.

Вентили для коррозионных сред

Вентили этого типа широко применяют в современных технологических схемах. Вентили имеют следующие особенности: детали, соприкасающиеся с рабочей средой, а также золотник и седло изготовляют из материалов, стойких к коррозионному воздействию среды; повышенные требования к сальниковому устройству.

Прорыв коррозионной среды в окружающую атмосферу может привести к разрушению привода и окружающих конструкций. Поэтому важнейшее из требований, предъявляемых к вентилям, установленным на линиях коррозионных сред, -- высокая надежность уплотнения рабочей полости. Для коррозионных сред можно применять вентили из специальных сталей, футерованные (гуммированные), или керамические

В основном детали вентилей изготовляют из специальных сталей (из хромоникелевых или хромоникелемолибденовых). Такое решение вполне оправдывается в коррозионностойких вентилях, предназначенных одновременно для работы при высоких давлениях и температурах рабочей среды, превышающих 150 "С.

Для деталей дроссельных устройств можно применять керамические материалы (технический фаянс и твердый фарфор), способные хорошо выдерживать разнообразные напряжения и нагрузки. Эти материалы отличаются коррозионной устойчивостью против кислот (за исключением плавиковой), щелочей, растворителей и солей любой концентрации при температуре до 120'С;

хорошо работают на износ, имеют газо- и вакуумно-непроницаемость. Гладкая поверхность этих материалов значительно уменьшает потери на трение потока о стенки арматуры. Для предотвращения возможности разрушения на керамические детали запорной арматуры надевают сборный металлический кожух. Между кожухом и фарфоровыми деталями помещают мягкие прокладочные материалы.

Представленный фарфоровый армированный прямоточный вентиль рассчитан на давление 15 кгс/см2 при температурах среды до 180 °С (рис. IV.16).

Золотник вентиля также изготовлен из фарфора. Корпус армирован сборным кожухом, выполненным из обычной углеродистой стали. Между кожухом и корпусом заложен эластичный прокладочный материал. Вследствие плохой теплопроводности фарфора среда, проходящая через такой вентиль, не охлаждается, что важно в ряде специальных процессов. Стоимость фарфоровых вентилей не слишком высока, поэтому их достаточно широко применяют.

Рисунок 16в - Прямоточный фарфоровый вентиль

При давлениях рабочих сред, меньших 25 кгс/см2, и интервале температур от --30 до +150 °С применяют футерованные или гуммированные вентили. Их стоимость значительно ниже, так как в каче-:тве материалов основных деталей можно использовать обыкновенную углеродистую сталь или чугун. У футерованных вентилей внутренняя поверхность корпуса покрыта пленкой из коррозионностойкой пластмассы, фторопласта или резины. Вентиль, футерованный резиной, в практике называют «гуммированным».

Недостатком вентилей этого типа являются: небольшой срок службы, обусловливаемый старением материалов футеровки; возможность применения только при низких рабочих давлениях и температурах рабочих сред.

Как правило, футеруют и гуммируют диафрагмовые вентили. Уплотнение прохода между диафрагмой и футеровкой достаточно надежное. Срок службы антикоррозионных покрытий рабочей полости вентилей вполне удовлетворяет требованиям эксплуатации.

1.9 Выбор вентилей

При проектировании технологических линий конструкции вентилей обычно целесообразно подбирать в соответствии: с величиной гидравлического сопротивления (при этом следует учитывать, что гидравлическое сопротивление проходного вентиля в 3--5 раз) выше сопротивления прямоточного вентиля и в 1,5 раза выше сопротивления углового вентиля; со способом крепления на трубопроводе (исходя из реальной схемы монтажа); с назначением; со свойствами, химическим составом и параметрами рабочей среды; со стоимостью как самого вентиля, так и его монтажа и обслуживания; с надежностью вентиля и сроком его службы.

Обычно выбор какого-либо определенного типа вентиля для работы при нормальных условиях (давление рабочей среды до 40 кгс/см2, температура до 150 °С и нормальные требования к герметичности сальникового устройства) сопряжен с рядом компромиссных решений.

Рекомендации по выбору вентилей сведены в табл. IV.! и 1У.2, справочные данные по выпускаемой промышленностью номенклатуре вентилей -- в табл. 1У.З.

Размещено на Аllbеst.ru

...