Слово «клапан» пришло в русский язык из немецкого языка не так давно ─ в XVIII веке. В нем Klappe означает крышка. И действительно, словно крышка клапан способен открывать и закрывать проход для чего-либо.
Клапаны окружают человека повсюду. Они ─ часть его самого. Регулирующие движение крови сердечные клапаны есть у всех живых существ, в груди которых бьется сердце.
Клапаны закрывают карманы пиджаков, пальто, сумок. Клапаны используются в типографии (клапан обложки книги). Они не чужды искусству ─ с помощью клапанов духовых инструментов выдыхаемый из легких воздух превращается в звуки музыки.
Клапаны широко применяются в технике: клапан двигателя, клапан насоса, клапан компрессора. Каждому автолюбителю известно, что такое регулировка клапанов или замена клапанов. И, наконец,
Клапан ─ один из типов трубопроводной арматуры
Кто первым применил клапан в этом качестве, установить доподлинно уже никогда не удастся, но прообразы современных клапанов использовались много веков назад в акведуках Древнего Рима.
В трубопроводной арматуре клапаном называют один из ее типов наряду с задвижкой, краном и дисковым затвором. Отличительный признак клапана ─ запирающий или регулирующий элемент, перемещающийся параллельно оси потока рабочей среды.
Существует большое число разновидностей клапанов. В качестве основного узла они входят в конструкцию большинства регуляторов, воздухоотводчиков и немалой части конденсатоотводчиков.
Главные свойства клапанов:
- малая строительная высота;
- быстрое срабатывание;
- высокая герметичность;
- наличие противодавления рабочей среды;
- большое гидравлическое сопротивление;
- значительное усилие на привод затвора;
- большая строительная длина.
Первые три позиции в этом списке относятся к безусловным достоинствам клапанов. Три последних ─ к его не самым сильным сторонам.
Клапаны одновременно «родственники» и в чем-то антиподы другого типа арматуры ─ задвижек. У тех, и других перемещение запорного или регулирующего элемента ─ линейное, в отличие от кранов и дисковых затворов, у которых оно вращательное. И в то же время многие из перечисленных в предыдущем абзаце свойств у клапанов и задвижек разнонаправлены. У последних большая строительная высота, малая строительная длина, незначительное гидравлическое сопротивление, медленное срабатывание. Запорные клапаны открывают и закрывают проход быстрее, чем задвижки, что востребовано при частых переключениях. Но, в отличие от задвижек, при проходе запорного клапана потоку приходится изменять направление движения.
Клапан и виды трубопроводной арматуры
Фактически любой вид арматуры нашел свое конструктивное воплощение в клапанах. Клапаны присутствуют во всех разновидностях арматуры по назначению и области применения: общепромышленной, санитарно-технической, редукционной, контрольной, энергетической и других. Выполненная в виде клапана предохранительная арматура носит название предохранительный клапан, обратная ─ обратный клапан, регулирующая ─ клапан регулирующий и т. д.
Есть клапаны запорные, смесительные, распределительные, разделительные, отсечные, отключающие. Клапаны ─ составная часть конструкции значительной части технических устройств ─ представителей фазоразделительной арматуры.
Предохранительный клапан служит для автоматической защиты оборудования и трубопроводов от недопустимого превышения давления посредством сброса избытка рабочей среды. Обратный клапан ─ для автоматического предотвращения обратного потока рабочей среды. Регулирующий клапан ─ для регулирования ее параметров путем изменения расхода или проходного сечения.
Пример обратного клапана─ приемный клапан, устанавливаемый на конце трубопровода перед насосом.
Разновидность регулирующей арматуры ─ дыхательный клапан (другие названия ─ впускной или выпускной клапан), предназначенный для герметизации емкостей, в которых содержатся газ, воздух или пар. Также составной частью регулирующей арматуры является перепускной клапан, служащий для периодического снижения давления в трубопроводе и оборудовании «до себя» в случае превышения им установленного значения.
Корпус клапана
В зависимости от способа формообразования корпуса клапаны бывают кованые, литые, сварные, штампованные или комбинированные: литосварные (в них изготовленные методом литья корпусные детали соединены сваркой), штампосварные (сваркой соединены корпусные детали, полученные методами штамповки, ковки или вальцовки), литоштампосварные.
По типу конфигурации присоединительных патрубков различаются клапаны угловые и проходные. У угловых клапанов оси входного и выходного патрубков расположены перпендикулярно или хотя бы непараллельны друг другу. У проходных они взаимно параллельны. Проходя угловой клапан, поток делает один поворот, поэтому падение давления в нем меньше, чем в прямоточном (проходном) клапане.
Клапаны могут иметь не только два патрубка ─ входной и выходной, но и быть многоходовыми. «Много-» ─ это, как правило, три (трехходовой клапан) или четыре (четырехходовой клапан) патрубка.
Как и другие типы трубопроводной арматуры, клапаны бывают полнопроходными и неполнопроходными. В первом случае диаметр седла составляет не менее 9/10 диаметра отверстия входного патрубка, во втором ─ площадь сечения проточной части меньше этой величины.
Конструкции клапанов
Общий принцип устройства клапанов одинаков ─ перемещение подвижных частей затвора относительно неподвижных приводит к изменению проходного сечения, а, значит, изменению пропускной способности. Но устройство затвора клапана бывает различным.
Например, подвижный элемент затвора ─ золотник ─может быть игольчатым (в виде узкого конуса), поршневым (цилиндрическим), сферическим, тарельчатым.
Иногда ссылка на тип подвижного элемента затвора оказывается в названии клапана. Например, игольчатый клапан или поршневой клапан.
Игольчатый клапан отличается высокими эксплуатационными характеристиками и обеспечивает эффективное регулирование потока.
В предохранительном поршневом клапане поршень является чувствительным элементом, воспринимающим воздействие давления рабочей среды.
В регулирующем клеточном клапане затвор представляет собой неподвижную деталь, называемую клеткой из-за большого количества профилированных отверстий, служащих для пропуска рабочей среды. Перемещающийся внутри клетки плунжер, изменяя площадь их открытых сечений, регулирует пропускную способность клапана.
По количеству седел различают клапаны односедельные и двухседельные, когда два седла находятся на одной оси.
Если проходное сечение клапана образовано двумя или более затворами, расположенными последовательно, он носит название многоступенчатого клапана.
По типу уплотнения, обеспечивающего требуемую герметичность соединений арматуры относительно внешней среды, можно отметить сальниковые и сильфонные клапаны. В предохранительном сильфонном клапане сильфон служит не только для герметизации штока, но и является чувствительным или силовым элементом. Сильфонные уплотнения используются во многих клапанах: запорных, регулирующих, предохранительных.
По способу действия клапаны могут быть нормально-закрытыми (клапан НЗ) и нормально-открытыми (клапан НО). Клапаны НЗ при отсутствии или прекращении подачи энергии, создающей усилие для перемещения запирающего (регулирующего) элемента, автоматически обеспечивают положение «закрыто», а клапаны НО при тех же условиях ─ положение «открыто».
Присоединение клапана к трубопроводу
От качества монтажа клапанов во многом зависит эффективность и продолжительность их работы в составе трубопроводной системы. При присоединении клапанов к трубопроводу используются все известные технологии.
Муфтовые соединения, когда присоединительные патрубки имеют внутреннюю резьбу, особенно широко применяются для клапанов, корпус которых изготовлен из сплавов цветных металлов.
Для присоединения клапанов небольших размеров используются штуцерное и цапковое соединения ─ присоединительные патрубки с наружной резьбой, а в цапковом ─ с наружной резьбой и буртиком.
Фланцевые соединения обеспечивают удобный монтаж-демонтаж, но требуют более тщательного контроля затяжки скрепляющих болтов, ослабление которой грозит потерей герметичности. Для усиления герметичности служат уплотнительные прокладки, устанавливаемые между поверхностями фланцев. Слабая сторона фланцевых соединений ─ возможность деформации фланцев. Лучше других материалов ей противостоят фланцы из чугуна.
Сварные соединения являются неразъемными, поэтому их демонтаж сопряжен с трудностями. Зато они широко применяются для стальных клапанов в трубопроводных системах, транспортирующих взрывоопасные, радиоактивные, токсичные жидкости и газы. Сварные соединения, сделанные «раз и навсегда», не требуют ухода и подтяжки в отличие, например, от фланцевых. Это актуально для тянущихся на сотни и тысячи километров магистральных трубопроводов, выполнять техническое обслуживание которых не так просто. Сварные соединения не приводят к увеличению массы трубопроводной арматуры, а, значит, и трубопроводов в целом. Главное, чтобы место сварки не стало слабым местом трубопроводной системы в части механических свойств.
Приводы для управления клапанами
Для управления клапанами ─ перемещения запирающего или регулирующего элемента ─ применяют разнообразные приводы: ручной, электрический, электромагнитный, гидравлический, пневматический или их комбинации.
Примеры комбинированного привода ─ пневмогидропривод, использующий энергию сжатого газа и гидравлическую энергию, и электрогидравлический привод.
Передача поступательного усилия от привода к запирающему или регулирующему элементу осуществляется посредством штока (шпинделя).
Электрические приводы широко используются для управления регулирующими клапанами в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Современный электропривод представляет собой сложное техническое устройство, включающее систему управления, электродвигатель и редуктор.
Если в электрическом приводе электрическая энергия используется «напрямую», то в электромагнитном ее преобразование в механическую происходит в результате взаимодействия электромагнитного поля и сердечника, выполненного из ферромагнитного материала.
Электромагнитный клапан, оснащенный встроенным или выносным электромагнитным приводом, ─ распространенная конструкция.
Электромагнитные клапаны могут работать от переменного тока централизованных электрических сетей или от постоянного тока автономных источников ─ батарей или генераторов постоянного тока.
Электромагнитные клапаны широко используются в контрольно-измерительной арматуре; для управления процессами дозирования, отключения, смешивания, сброса, распределения потоков рабочих сред.
Уже много лет для управления арматурой служат пневматические приводы, применимые почти ко всем размерам клапанов, кроме самых больших, где на помощь им приходит способный обеспечить высокий крутящий момент гидропривод.
Использование приводов позволяет автоматизировать работу клапанов. Требования, предъявляемые к приводам клапанов: гарантия требуемых значений рабочего диапазона (выходной крутящий момент), износостойкость, герметичность, соответствие требованиям безопасности, коррозионная устойчивость.
Материалы для изготовления клапанов
При изготовлении клапанов задействован весь арсенал современных технологий. Корпуса клапанов могут быть сделаны из черных и цветных металлов и их сплавов, а также из неметаллических материалов. Черные металлы ─ это чугун (серый, ковкий) и сталь ─ углеродистая, низколегированная, высоколегированная, включая жаропрочную и нержавеющую. Цветные металлы ─ сплавы меди, никеля, тантала, титана, ниобия, алюминия (например, алюминиевый унифицированный воздушный клапан УВК). Неметаллические материалы ─ пластмассы, керамика (фарфор) и проч.
Седла клапанов, работающих при небольших перепадах давления, изготавливают из чугуна или алюминиевых сплавов, при более высоких нагрузках делают стальными.
Интересно, что в описании материалов, используемых для изготовления клапанов, более чем столетней давности упоминаются как хорошо знакомые чугун, медь, бронза и резина, так и менее известные в этом качестве свинец, кожа, стекло и дерево.
Появление новых и более полное использование возможностей «старых» материалов ─ один из важных резервов увеличения потенциала современных клапанов.
В разные периоды истории развития арматуростроения на его передний край выходили разные типы арматуры. Один из ведущих российских специалистов, эксперт НПАА (Научно-Промышленной Ассоциации Арматуростроителей), к.т.н. О.Н. Шпаков пиком лидерства клапанов называет десятилетия, наступившие после изобретения паровой машины. Затем его бремя перешло к задвижкам. Цифры объемов продаж различных типов арматуры скорее подтверждают, чем опровергают это мнение.
Но в чем другим типам арматуры сложно соперничать с клапанами, так это в разнообразии. Чтобы описать его для клапанов, терминов требуется в несколько раз больше, чем, например, для задвижек. О чем убедительно свидетельствует Алфавитный указатель терминов на русском языке «ГОСТ 24856-2014. Арматура трубопроводная. Термины и определения».
