Задвижки на протяжении долгого времени являются одним из наиболее востребованных типов трубопроводной арматуры. Их главный конструктивный признак ─ перемещающийся перпендикулярно к оси потока рабочей среды запирающий или регулирующий элемент. (Говоря «регулирующий», нельзя не заметить, что из-за особенностей своей конструкции в качестве регулирующей арматуры задвижки применяются достаточно редко, гораздо чаще являясь запорной арматурой).
Один из наиболее распространенных конструктивных вариантов задвижек ─ задвижка клиновая. Она была изобретена примерно в середине XIX века ─ патент на клиновую задвижку был выдан в Германии в 1862 году.
Затвор клиновой задвижки включает подвижный элемент, имеющий форму клина (отсюда и ее название), и два неподвижных седла. Седла могут вворачиваться или ввариваться в корпус. Уплотнительные поверхности затвора клиновой задвижки расположены под углом друг к другу.
Достоинства клиновых задвижек:
- малое гидравлическое сопротивление при полностью открытом проходе;
- относительно не сложное устройство задвижки клиновой обуславливает ее надежность и простоту обслуживания;
- движение рабочей среды в разных направлениях;
- большое число производителей и моделей клиновых задвижек, что облегчает оптимальный выбор как по эксплуатационным параметрам задвижки, так и по ее цене;
- универсальность ─ возможность эксплуатации при различных значениях температуры и давления;
- относительно небольшая строительная длина.
Клин и…
Клин ─ запирающий (регулирующий) элемент клиновой задвижки ─ может иметь разную конструкцию. В ныне действующем «ГОСТ 24856-2014. Арматура трубопроводная. Термины и определения» говорится о трех типах клиньев в клиновой задвижке ─ жестком, двухдисковом, упругом.
Жесткий клин ─ это цельный клин, диски которого неподвижны относительно друг друга. Модификация цельного клина ─ упругий клин, в котором связь между дисками не жесткая, а упругая. Двухдисковый клин состоит из двух дисков, расположенных под углом друг к другу и соединенных между собой. В некоторых классификациях в качестве отдельного типа рассматривают цельный клин с фторопластовым уплотнением.
Клин ─ чрезвычайно ответственный узел клиновой задвижки, испытывающий сильные механические напряжения, величина которых зависит как от гидродинамических параметров потока рабочей среды, так и от степени закрытия задвижки. В момент открытия задвижки напряжения в зацепах достигают предельных значений, и только после того как проходное сечение приоткроется на 5%, они начинают уменьшаться. Поломка клина ─ основная причина выхода клиновых задвижек из строя. Если при открытии задвижки чаще повреждаются зацепы клина, то при закрытии ─ посадочное место клина.
Твердость поверхности клина должна быть несколько выше твердости уплотнительной поверхности корпуса.
…конструкция клиновой задвижки
В зависимости от используемого в затворе клина выделяют несколько конструктивных исполнений клиновых задвижек:
- задвижка с жестким клином;
- двухдисковая задвижка;
- задвижка с упругим клином.
Задвижкой с упругим клином называют не только задвижку, запирающий элемент которой состоит из дисков, соединенных между собой упругим элементом. Клиновая задвижка, в подвижном элементе затвора которой связь между дисками жесткая, однако существует возможность их деформации с целью улучшить уплотнение в затворе, тоже носит название «задвижка с упругим клином».
Каждое из конструктивных исполнений клиновых задвижек обладает своими особенностями.
Имеющим широкое распространение задвижкам с жестким клином присуща высокая функциональность и хорошая герметичность в трубопроводных системах, перемещающих широкий спектр рабочих сред. Например, низкотемпературные газы или даже загрязненные среды, с которыми они справляются лучше параллельных задвижек. Впрочем, для того, чтобы эту герметичность обеспечить, требуется тщательная, с использованием трудоемких и технологически сложных операций, подгонка клина и седел. Для того чтобы дополнительно повысить герметичность, используются вторичные эластичные уплотнители. Достоинство цельного клина ─ устойчивость в переходных режимах, тогда как двухдисковый клин при открытии-закрытии задвижки может испытывать вибрации.
При применении жесткого клина отмечается ускоренный износ уплотнительных поверхностей, особенно при частой смене положений «открыто» и «закрыто». Кроме того, нельзя исключать опасность заедания клина в закрытом положении, особенно, если тот находится в нем достаточно долго. Также причинами заедания клина могут быть коррозия, износ, тепловое расширение при воздействии высоких температур. Случается, что в попытках «сдернуть» с места «застывший» клин, сгорает электромотор электропривода.
В клиновых двухдисковых задвижках, благодаря способности дисков к самоустановке, нет необходимости в столь тщательной как в предыдущем случае подгонке уплотняющих поверхностей друг к другу, а, значит, допустима меньшая точность изготовления. В таких задвижках легче восстановить плотность затвора при изнашивании уплотнительных поверхностей дисков. У них очень хорошие показатели герметичности, меньше износ и величина усилия, необходимого для закрытия задвижки, ниже вероятность заклинивания.
Но «расплатой» за эти преимущества являются бо́льшие размеры, масса и металлоемкость двухдисковых задвижек по сравнению с задвижками, в которых использован жесткий клин. Снизить металлоемкость позволяет использование упругого клина, логическим продолжением которого двухдисковый клин собственно и является.
Упругий клин, требующий небольших управляющих усилий, позволяет сделать задвижку герметичной с обеих сторон при широком диапазоне значений температуры и давления рабочей среды. Особенно ощутимы преимущества упругого клина при высокой температуре и давлении. Клиновые задвижки с упругим клином успешно функционируют на трубопроводах, транспортирующих нефть и природный газ с высокой температурой и давлением. Но с рабочими средами, имеющими в своем составе механические примеси, клиновые задвижки с упругим клином справляются хуже.
Резюмируя, можно отметить: задвижки с жестким цельным клином менее металлоемкие, зато более трудоемкие в изготовлении, чем двухдисковые. Двухдисковые больше по размерам и тяжелее, но делать их проще. Задвижки с разрезным упругим клином ─ своего рода компромисс между этими двумя парами крайностей.
Ходовая часть
Резьбовая часть шпинделя клиновой задвижки с невыдвижным шпинделем расположена внутри корпуса, и поэтому все время контактирует с рабочей средой. В этом есть свои недостатки: постоянное коррозионное и абразивное воздействие рабочей среды, затрудненный доступ для технического обслуживания. Зато задвижка клиновая с невыдвижным шпинделем имеет меньшую строительную высоту. Компактность делает применение таких задвижек удобным в условиях ограниченного пространства, например, монтажа в подземных коммуникациях, колодцах, нефтедобывающем оборудовании.
Задвижка клиновая с выдвижным шпинделем (штоком) позволяет контакт с рабочей средой исключить. При ее открытии шпиндель (шток) совершает вращательно-поступательное (шток ─ поступательное) движение относительно оси присоединительных патрубков, а находящаяся вне корпуса задвижки резьба шпинделя при открывании выдвигается наружу. Меньше изнашивается сальниковое уплотнение, всегда открыт доступ к резьбовой паре. Обратная сторона этих преимуществ ─ увеличение строительной высоты и массы задвижки.
Материалы для изготовления клиновых задвижек
Корпусные детали клиновых задвижек изготавливаются из чугуна, углеродистой и нержавеющей стали, сплавов цветных металлов.
Задвижки чугунные ─ один из наиболее «заслуженных», имеющих длительный стаж работы, типов трубопроводной арматуры, лежавший у истоков современного арматурного производства. Задвижка чугунная клиновая может иметь корпус, изготовленный из серого чугуна или высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Для защиты от воздействия внешней среды используют различные полимерные покрытия ─ эпоксидные, полиуретановые и др.
Обладающие высокой механической прочностью задвижки стальные применяют при высоких значениях параметров (давление и температура) рабочей среды и больших диаметров трубопровода. Для использования в трубопроводных системах, перемещающих агрессивные среды, используют клиновые задвижки из нержавеющей стали. Задвижка стальная клиновая может иметь литой, штампованный, штампосварной корпус.
Для изготовления корпусных деталей небольших клиновых задвижек, используемых в системах отопления и водоснабжения, а также для перемещения сжатого воздуха, жидких углеводородов и целого ряда других сред, используют медные сплавы ─ латунь и бронзу. Задвижка латунная клиновая используется при температуре до 150-200OC.
Клин изготавливают из чугуна и стали. Он может быть обрезиненным, например, покрытым EPDM (Ethelene Propelene Diene Elastomer) ─ каучуком на основе сополимера этилена и диенового мономера. Обрезиненный клин клиновых задвижек используют с конца пятидесятых годов XX столетия.
Уплотнительные поверхности клиновой задвижки могут быть выполнены «металл по металлу», в т.ч. с использованием твердых наплавок, лазерного упрочнения, плазменного напыления. Применяются фторопластовые кольца, запрессованные в металл, или сплошные фторопластовые покрытия. Для управления коррозионно-агрессивными или особо чистыми (например, питьевая вода) средами применяется мягкое уплотнение.
Способы присоединения к трубопроводу, привод
Распространенный вариант присоединения клиновых задвижек к трубопроводу ─ задвижка клиновая фланцевая, закрепляемая при помощи болтов или шпилек. Для клиновых задвижек из чугуна фланцевое крепление ─ фактически единственно возможный способ.
Стальные клиновые задвижки могут присоединяться к трубопроводу при помощи сварки, достаточно распространенный вариант для небольших задвижек ─ задвижка клиновая муфтовая. Клиновые задвижки из цветных металлов могут присоединяться к трубопроводу с помощью резьбовых соединений, фланцев и сварки (при подходящем для этого материале трубы).
Клиновые задвижки оснащаются ручным приводом (тип управления ─ маховик), в качестве привода используется редуктор (конический, цилиндрический). Способ, позволяющий обеспечить высокий уровень автоматизации трубопроводных систем, ─ задвижка клиновая с электроприводом. Для управления клиновыми задвижками используются пневматический и гидравлический приводы.
Ассортимент клиновых задвижек, выпускаемых большим количеством российских и зарубежных компаний, отличается разнообразием. От правильного выбора конструкции и параметров, представленных в нем моделей, в значительной степени зависит безотказное и безаварийное функционирование технологических блоков и трубопроводных систем в электроэнергетике, нефтегазодобывающей и химической промышленности, в коммунальной сфере и многих других отраслях экономики. Везде, где клиновые задвижки используются для управления потоками разнообразных рабочих сред, включая воду, пар, нефть, нефтепродукты, природный газ, минеральные масла, разнообразные химические вещества, включая рабочие среды с высокой температурой и большим рабочим давлением среды.
Улучшению эксплуатационных параметров клиновых задвижек способствуют совершенствование методов их расчета и проектирования, использование современных материалов и технологий, увеличение доли в общем объеме клиновых задвижек специализированных изделий, предназначенных для конкретных условий эксплуатации. И хотя в настоящее время специалисты отмечают тенденцию некоторого увеличения доли арматуры поворотного типа и снижение доли возвратно-поступательной арматуры, потенциал клиновых задвижек остается огромным, а потребность в них только увеличивается.
