Части клапана

Для создания клапана необходимо собрать несколько ключевых компонентов. Одним из них является корпус, который содержит давление и может быть изготовлен из литой или кованой стали. Корпус может иметь различные способы соединения, такие как фланцевое, резьбовое или сварное враструбное соединение, которое используется для приварки к трубам. Другой важной частью клапана является его крышка. Она выполняет защитную функцию и обеспечивает плотное закрытие клапана. Третьим ключевым компонентом является запорная часть, которая состоит из диска, седла, штока и других деталей. Запорная часть отвечает за управление потоком среды через клапан и обеспечивает его герметичность. Все эти компоненты совместно образуют сложное механическое устройство – клапан.

Корпус

Корпус является важным компонентом системы трубопроводов, так как он взаимодействует с жидкостью и должен выдерживать давление.

Материал, из которого изготавливается корпус, может быть получен как путем литья, так и ковки стали различной формы, конструкции и марки.

В нефтегазовой отрасли наиболее часто используемыми материалами для изготовления литых корпусов является ASTM A216, а для кованых корпусов – ASTM A105. Они отлично подходят для высокотемпературной эксплуатации. В случае низкотемпературной эксплуатации применяются другие материалы – ASTM A352 LCB / LCB для литых корпусов и ASTM A350 LF2 / LF3 для кованых корпусов.

При повышении температуры, давления или коррозии, становится необходимым использование нержавеющей стали для корпуса. Для литых устройств применяются ASTM A351 CF8 (SS304) и CF8M (SS316), а для кованых – различные типы ASTM A182 Fxx (F304, F316, F321, F347).

Для специфических сфер применения используются специализированные материалы, обладающие еще более высокой устойчивостью к коррозии. Среди них можно выделить супераустенитные нержавеющие стали (например, SMO 254), дуплексные и супердуплексные стали (F44, F51, F53, F55), а также никелевые сплавы (Inconel, Incoloy, Hastelloy).

Для морских условий, а также для применений, требующих особых свойств цветных материалов или сплавов, используются электротехнические материалы, такие как монель, мельхиор, алюминиево-бронзовые сплавы и другие сплавы, состоящие из комбинаций никеля, меди и алюминия.  Кроме того, для распределения воды при низком давлении применяются чугунные корпуса, которые являются наиболее доступными с точки зрения стоимости вариантами.

Клапаны могут иметь различные способы соединения с другими механическими устройствами и трубами. Существуют основные типы концевых соединений, такие как фланцевые и приварные соединения. Фланцевые соединения используются для устройств диаметром более 2 дюймов, а приварные соединения - для устройств малого диаметра. Дополнительно клапаны-бабочки могут иметь различные сочлененные концы, например, наконечник, пластина или двойные фланцы. Для устройств с малым диаметром также могут использоваться сварные враструбы или резьбовые соединения, такие как NPT или BSP.

Фланцевые соединения

Устройства, использующиеся в данном случае, оснащены двумя фланцевыми соединениями на концах, которые могут быть присоединены к трубе с использованием соответствующего фланца.

Для достижения фланцевого соединения необходимо использовать определенное количество болтов и гаек в соответствии с требованиями спецификации ASME B16.5, а также подходящую прокладку.

Фланцевые соединения являются распространенными для клапанов большого диаметра, поскольку они обеспечивают прочное и долговечное соединение.

Соединения приварные встык и сварные враструб

Соединения сварные враструб отличаются от типа соединений приварного встык.

Когда клапаны, имеющие соединения со сваркой враструб ASME B16.11 или приварной встык ASME B16.25, свариваются, они используют соединительную трубу.

Сварные соединения требуют больше трудозатрат, поэтому они дороже, но в долгосрочной перспективе они более надежны и менее подвержены утечкам, по сравнению с фланцевыми соединениями.

Для трубопроводов высокого давления используются сварные соединения враструб меньших размеров (диаметром менее 2 дюймов), а приварные встык – для более крупных диаметров.

Для достижения прочного соединения приварных встык соединений необходимо осуществить полную сварку скосов на концах двух деталей, которые требуется объединить. В то же время, угловые сварные швы используются для соединения деталей при сварке враструб.

Резьбовые концевые соединения

Резьбовые концевые соединения используются для подключения устройства к трубе с помощью резьбы (конической резьбы). Такие соединения часто встречаются в нефтехимической промышленности и могут быть либо BSP, либо NPT. Они применяются в трубопроводах низкого давления с диаметром отверстия менее 2 дюймов и не подвержены механическому воздействию, такому как вибрация и удлинение.

Одно из основных преимуществ резьбовых соединений заключается в их быстроте выполнения и низкой стоимости. В этом случае труба навинчивается на соответствующий клапан, и нет нужды в применении фланцев, шпилек или сварки.

Однако если возникает утечка, резьбовые соединения не подлежат ремонту и требуют полной замены в отличие от двух предыдущих типов трубопроводных соединений.

Крышка

Крышки, устанавливаемые на запорную задвижку и шаровой клапан, являются неотъемлемыми компонентами. При снятии крышки обслуживающий персонал получает доступ к внутренним механизмам и имеет возможность замены таких ключевых элементов, как седло, шток и т. д. (запорная часть).

Крышки клапанов доступны в различных конструкциях и моделях, таких как болтовые, круглые болтовые, сварные и герметичные. Они изготавливаются из литой или кованой стали, применяя тот же материал, что и для корпуса. Соединение крышки с корпусом может быть выполнено с помощью резьбовых, болтовых или сварных соединений, что требует применения различных типов прокладок для обеспечения герметичности.

Производители постоянно работают над оптимизацией конструкции этой детали, с целью уменьшения габаритных размеров и обеспечения надежного герметичного соединения.

Запорная часть

Компоненты запорной части, такие как диск, седло, шток, уплотнители и втулки, могут быть заменены внутри клапана. Эти части называются "влажными", поскольку они находятся в непосредственном контакте с жидкостью, которую транспортирует клапан.

Состав запорной части зависит от типа устройства. Она включает в себя все необходимые компоненты для направления штока и обычно является основным компонентом клапана.

Выбор материалов для запорной части должен осуществляться с осторожностью, так как она играет важную роль в работе клапана. Давление, температура и тип жидкости являются ключевыми факторами, которые следует учитывать при выборе материалов.

Таблица запорной части по API стандартизирует типичные комбинации запорной части для задвижек и обратных клапанов. Это облегчает выбор и установку запорной части в соответствии с требованиями конкретного приложения.

Диск

Функция диска заключается в его способности открывать, закрывать и регулировать поток жидкости. В случае использования запорной задвижки, это диск клапана, которому также присущ клиновой механизм. Шаровые краны используют диск, получивший название "шаровый".

После корпуса и крышки, диск становится третьим по важности элементом для обеспечения правильной работы клапана. Диски производят из кованой стали и обретают дополнительную прочность благодаря армированию с применением твердого покрытия. Это позволяет улучшить механические свойства основного материала.

Седло

Наличие движений диска в седле позволяет эффективно регулировать поток жидкости. Клапаны с шаровыми или поворотными обратными клапанами оснащены одним седлом, которое вместе с дисковым механизмом может контролировать открытие и закрытие прохода для жидкости. Это позволяет перекрывать или регулировать поток жидкости в системе.

В зависимости от типа задвижки, она может иметь два седла – одно на верхней стороне и другое на нижней. Сиденья обычно изготавливаются из прочных материалов. Качественная отделка сидений обеспечивает надежное уплотнение при закрытом положении устройства.

Шток

Шток клапана играет важную роль в открытии и закрытии жидкости при перемещении диска. Он может быть связан с приводом клапана или с ручным маховиком (или рычагом) на одном конце, а с диском клапана на другом конце.

Для запорной и шаровой задвижки, шток выполняет прямолинейное движение на диске, тогда как для шарового типа, клапана-бабочки и пробкового клапана, диск вращается для открытия или закрытия устройства («четверть-оборотные клапаны»).

Изготавливаются штоки из кованой стали и соединяются они с диском с помощью резьбы или других способов. Правильная обработка поверхности стебля играет важную роль в предотвращении возможных утечек.

Существуют пять основных видов штоков, каждый из которых имеет свои характеристики и применение:

1. Поворотный тип штока используется в стандартных шаровых, пробковых клапанах и клапанах-бабочках. Для открытия или закрытия устройства достаточно сделать четвертьоборотный поворот штока.
2. Скольжение – это тип штока, который не вращается. Он скользит внутрь или вне клапана для того, чтобы открыть или закрыть его. Такая конструкция широко используется в ручных клапанах с быстрым открытием, а также в регулирующих клапанах, которые управляются гидравлическими или пневматическими цилиндрами.
3. Восходящий тип с наружным винтом и хомутом («OS & Y») – в этом случае наружная сторона штока имеет резьбу, а внутренняя часть штока, находящаяся в клапане, остается гладкой. Резьба штока изолирована от среды с помощью уплотнения. Существует два варианта дизайна такого типа штока, и конструкция "OS & Y" широко используется в клапанах диаметром более 2 дюймов.
4. Подъемный тип с внутренним винтом («IS & Y») – в этой конструкции резьбовая часть штока находится внутри корпуса клапана, а уплотнение штока расположено снаружи. Благодаря такому расположению резьбы, шток соприкасается со средой, протекающей в трубопроводе. Поворотом штока и маховика клапан открывается.
5. Невыпадающий тип штока с внутренним винтом – в этом случае резьбовая часть штока находится внутри клапана и не поднимается. Диск клапана перемещается вместе с штоком, он является своего рода гайкой, когда шток вращается. Резьбовые нити штока находятся в контакте с средой трубопровода и могут подвергаться коррозии. Такая конструкция применяется, когда доступное пространство для перемещения клапана слишком ограничено для линейного движения и среда в трубопроводе не вызывает коррозии или истирания материала штока.

Уплотнители

Прокладка, которая используется для уплотнения крышки вокруг штока, называется уплотнением и состоит из нескольких ключевых компонентов:

1. Крышка уплотнительного устройства – это рукав, который обжат набивкой и является основным элементом, обеспечивающим герметичность.
2. Сальник – это специальная втулка, которая сжимает набивку в камере, где происходит уплотнение.
3. Упаковка – это материал, который выбирается в зависимости от конкретных требований, таких как PTFE, эластомеры или волокнистые композиты. Он предотвращает проникновение жидкости внутрь и уменьшает риск утечки.
4. Заднее сиденье – это элемент, который находится внутри крышки и обеспечивает герметичность между штоком и крышкой. Оно также предотвращает возникновение излишнего давления в системе, когда клапан полностью открыт. Задние сиденья часто применяются в задвижках и клапанах.
5. Важно правильно проектировать и изготавливать упаковку клапана, чтобы минимизировать возможное повреждение штока и утечку жидкости. Однако не стоит забывать, что слишком плотная набивка может негативно сказаться на работе штока. Оптимальный баланс между герметичностью и свободной подвижностью штока является важным фактором в процессе проектирования уплотнения.

Привод

Клапаны с ручным управлением приводятся в действие путем вращения рукоятки или ручного колеса. Ручное колесо используется для запорных и шаровых задвижек (вращается по часовой стрелке или против часовой стрелки для открытия и/или закрытия клапана), а рычаг – для шаровых, пробковых и клапанов-бабочек (клапаны поворачиваются на четверть оборота вручную). Ручные клапаны не подходят для следующих случаев:

1. Клапаны большого размера, работающие при высоком давлении.
2. Клапаны, расположенные на удаленном объекте.
3. Клапаны, требующие быстрого срабатывания.

Для этих целей обязателен механизм привода клапана. Механизм привода осуществляет движение, которое может открывать или закрывать клапан (фактическая операция зависит от типа клапана – линейного или четверть оборота). Существуют различные типы механизмов привода клапанов:

1. Гидравлический привод.
2. Электрический привод.
3. Пневматический привод.
4. Исполнительные механизмы.
5. Привод пневмогидравлической системы.
6. Соленоидный привод.

Rotork и Auma являются лидерами рынка приводов в нефтехимической промышленности.