В зависимости от типа уплотнений выделяют несколько разновидностей трубопроводной арматуры (ТА). Одна из них ─ относящаяся к бессальниковой арматуре мембранная арматура. Мембранная значит содержащая мембрану в качестве чувствительного или запирающего элемента. Мембрана может выполнять функцию уплотнения корпусных деталей и подвижных элементов относительно окружающей среды, служить уплотнением в затворе.
Мембранную арматуру иногда еще называют диафрагмовой арматурой, хотя «ГОСТ 24856-2014. Арматура трубопроводная. Термины и определения» применять в этом случае определение «диафрагмовая» не рекомендует. Впрочем, в английском языке оба словосочетания ─ membrane valves и diaphragm valves ─ употребляют на вполне «законных» основаниях.
Мембранная арматура широко используется при управлении потоками агрессивных рабочих сред. Например, в электро- и теплоэнергетике для перемещения растворов в системах химической водоподготовки. Она занимает важное место в производствах, требующих особенно тщательного соблюдения санитарно-гигиенических параметров, например, в фармацевтической промышленности.
Мембрана и диафрагма
Мембрана ─ латинское слово, означающее тонкую кожу или перепонку. В технике мембрана ─ это гибкая тонкая перегородка, разделяющая полости с различным давлением и поэтому находящаяся в упругом состоянии.
Например, не отмененный по сегодняшний день «ГОСТ 21905-76. Мембраны резиновые. Термины и определения» определяет мембрану как гибкую перегородку, разделяющую две полости с различным давлением, преобразующую изменения давления в перемещение (мембрана прямого действия) либо, наоборот, перемещаясь, меняющую давление (мембрана обратного действия). Поскольку на греческий язык существительное «перегородка» переводится как diaphragma, то «латинскую» мембрану иногда называют диафрагмой, а прилагательное «мембранный» заменяют определением «диафрагмовый».
Основной параметр мембраны в ТА ─ эффективная площадь ─ величина, характеризующая способность мембраны преобразовывать давление в осевую силу: Рэф = q/Р, где q ─ нагрузка (или сила, еще говорят «истинное значение осевой силы»), а Р ─ избыточное давление.
Из истории мембранной арматуры
Уже во времена Римской империи изготавливали прообразы мембранных клапанов из сырой кожи, позволявшие управлять силой потока воды. Но в своем современном виде это устройство появилось сравнительно недавно, менее столетия назад. История сохранила точную дату его создания ─ 1928 год, когда мембранный клапан был впервые применен в промышленном устройстве, и место рождения ─ Южная Африка. Именно там, на одном из золотодобывающих рудников, горный инженер П. К. Саундерс (P. K. Saunders), стремясь решить проблему утечки сжатого воздуха из сальниковых клапанов и тем самым обеспечить лучшую герметичность арматуры, предложил вместо сальникового уплотнения применять принципиально новое ─ мембранное. Впервые использованные на линиях сжатого воздуха мембранные клапаны вскоре очень хорошо зарекомендовали себя на других видах оборудования и были взяты на вооружение многими отраслями промышленности.
Конечно, за прошедшие годы конструкция мембранного клапана претерпела некоторые изменения. В первую очередь, они были вызваны бурным развитием химической науки и индустрии, благодаря которым появились новые, обладающие уникальными свойствами материалы, существенно расширившие возможности мембран. Наложил свой отпечаток на развитие мембранной ТА еще один, наряду с появлением новых материалов, знаковый тренд научно-технического прогресса ─ развитие информационных технологий и средств автоматизации. Автоматика существенно расширила функциональные возможности трубопроводной арматуры вообще и мембранной в частности. Появились новые конфигурации мембранной арматуры, например, многоканальные клапаны.
Особенности мембранной арматуры
Раньше мембранный клапан (диафрагмовый клапан) рассматривался как отдельный (наряду с задвижками, кранами, «классическими» клапанами и тогда еще заслонками, называемыми сегодня дисковыми затворами) тип трубопроводной арматуры.
Особенности мембранного (диафрагмового) клапана: перпендикулярное к уплотнительной поверхности движение затвора, представляющего собой упругую гибкую мембрану; малая строительная высота и усилие на привод затвора; большая строительная длина и гидравлическое сопротивление; быстрое срабатывание; наличие противодавления рабочей среды. В отличие от шланговой арматуры, в которой упругим, а поэтому способным менять свою форму под внешним воздействием, является служащий для перемещения рабочей среды канал, в мембранной арматуре форма канала (или, другими словами, ─ рабочей полости) остается неизменной. Регулирование потока рабочей среды осуществляется посредством изменения его сечения с помощью выполняющей роль золотника гибкой мембраны, прогибающейся под воздействием штока или шпинделя и за счет этого перекрывающей проходное сечение рабочей полости. Устройство управления перемещением затвора и рабочая среда разделены стенкой мембраны, герметизирующей подвижное соединение. Гибкая мембрана одновременно с управлением движением потока герметизирует рабочую полость арматуры.
Благодаря такому конструктивному решению отпадает необходимость в сальниковом уплотнении. Это предопределяет важнейшее достоинство мембранной трубопроводной арматуры ─ обусловленную отсутствием зазоров в подвижных соединениях, а, значит, и утечек рабочей среды, герметичность.
Использование мембран в трубопроводной арматуре. Разновидности мембранной арматуры
Примером использования мембраны в качестве чувствительного элемента является предохранительный мембранный клапан (или предохранительный клапан с мембранным чувствительным элементом), в котором связанная с запирающим элементом мембрана воспринимает действие давления рабочей среды. (Роль чувствительного элемента помимо мембраны также способны выполнять золотник, поршень, сильфон).
В предохранительном клапане с газовой камерой создаваемое давлением сжатого газа воздействие рабочей среды может передаваться на запирающий элемент через мембрану (а может через поршень или сильфон).
В системах автоматического регулирования (например, стабилизации температуры, изменения расхода) жидких и газообразных сред используют мембранные клапаны регулирующие. Они могут применяться в качестве исполнительных механизмов ─ устройств для управления трубопроводной арматурой, обеспечивающих перемещение регулирующего элемента в соответствии с поступающей от внешнего источника энергии командной информацией. Так мембрана служит для передачи силового воздействия на регулирующий элемент в часто используемых для регулирования расхода рабочей среды пневматических мембранных регулирующих клапанах.
Широкое распространение в трубопроводной арматуре получил клапан мембранный электромагнитный ─ мембранный клапан со встроенным или выносным электромагнитным приводом. Закрепленная между магнитными сердечниками мембрана является важнейшей частью используемых в трубопроводной арматуре датчиков давления с переменным магнитным сопротивлением. Прогибаясь под воздействием потока рабочей среды, она заставляет меняться пропорционально величине давления магнитное сопротивление цепи и, как следствие, ─ величину выходного электрического сигнала. Выходной сигнал через регулятор давления воздействует на электропневматический преобразователь, подающий сжатый воздух на привод мембранного регулирующего клапана, который, в свою очередь, выпускает излишки среды для установления требуемой величины давления в резервуаре.
Корпуса мембранных регулирующих клапанов изготавливают из стали (углеродистой ─ для слабоагрессивных сред с температурой до 300°С, или нержавеющей ─ для работы в агрессивных средах), чугуна, бронзы и других материалов. Они могут быть угловыми и проходными, присоединяться к трубопроводу с помощью фланцевых или муфтовых соединений. Широко применяется и такая разновидность трубопроводной арматуры, как обратный клапан мембранный. Так, его установка может потребоваться в системах автономного теплоснабжения. Размещенный на всасывающем трубопроводе между топливным баком и горелкой, он предотвратит несанкционированное вытекание содержимого емкости в случае недостаточной герметичности трубопровода. Это актуально, если горелка, отрезок трубопровода или фильтр находятся ниже максимального уровня заполнения бака.
Эластичные мембраны обратных мембранных клапанов позволяют предотвратить гидроудары в трубопроводах, перемещающих жидкости. Важная часть трубопроводной арматуры ─ мембранные запорные клапаны, обеспечивающие перекрытие потока рабочей среды.
С мембранными клапанами на самом деле ежедневно сталкиваются очень многие, часто даже не подозревая об этом. Именно клапан сливной мембранный со сделанной из резины или иных полимерных материалов мембраной установлен в очень многих санузлах современных домов. Мембрана также используется в таких видах предохранительной трубопроводной арматуры, как МРУ и МПУ, мембранно-разрывные и мембранно-предохранительные устройства, соответственно. Взрывозащитный клапан мембранного типа, в котором при достижении величины давления разрыва мембрана разрывается, открывая проходное сечение, связывающее защищаемый сосуд со сбросной системой, нередко применяется в трубопроводных системах для защиты технологического оборудования от чрезмерного повышения давления.
Мембраны используются в конструкции пневматических приводов. Последние в зависимости от конструктивного исполнения могут даже носить название мембранные (как и поршневые, сильфонные и т. д.).
Особенно большое распространение мембранный привод получил в регулирующей арматуре для перемещения и установки регулирующего элемента в соответствующее с командным сигналом положение. Мембранные приводы также применяются в запорных и запорно-регулирующих клапанах. В мембранных исполнительных механизмах мембрана является чувствительным элементом, воспринимающим изменения давления управляющей среды.
Материалы для изготовления мембран
Ключевыми требованиями к мембранам, используемым в мембранной арматуре, являются: высокая гибкость, небольшая остаточная деформация при сжатии, сопротивляемость абразивному износу, химическая стойкость, долговечность. Последнее особенно важно, поскольку из-за частых замен мембраны стоимость технического обслуживания мембранной арматуры может заметно увеличиваться. Сегодня разработано значительное количество материалов, позволяющих придать мембранам трубопроводной арматуры уникальные свойства. Важное место среди них занимают каучуки: бутадиенакрилонитрильный, полихлоропреновый, полиизопреновый бутадиенстирольный, фторкаучук и другие.
Вулканизированный бутадиенакрилонитрильный каучук подходит для изготовления мембран, контактирующих со смазочными маслами, растительными маслами, смазочно-охлаждающими жидкостями, авиационным керосином, сжиженным газом.
Мембраны, выполненные из фторкаучука, переносят воздействие абразивных сред, ароматических растворителей, концентрированных кислот, озона, хлора и хлорированных растворителей. Долговременного контакта с содержащими углеводороды абразивными суспензиями не боятся мембраны из полихлоропренового каучука.
Хлорсульфированный полиэтилен способен работать в таких сложных средах как концентрированные кислоты, газообразный хлор, гипохлорит натрия. С водными растворами солей, кислот и щелочей, озоном, постоянно и периодически с паром могут контактировать мембраны из этиленпропиленового каучука. Их используют в мембранной арматуре, рабочей средой которой является питьевая вода. Применяют двухслойные мембраны в сочетаниях: «политетрафторэтилен (ПТФЭ или фторопласт)-фторкаучук», «фторопласт-изобутиленизопреновый каучук», «фторопласт-этиленпропиленовый каучук» и другие. Возможно использование трехслойных мембран. Многослойные мембраны лучше переносят воздействие высоких температур, например, постоянное действие пара, концентрированных кислот, щелочей, могут использоваться для особо чистых сред, таких как фармацевтические препараты.
Разработка новых материалов для изготовления мембран остается главным на сегодняшний день резервом для развития мембранной трубопроводной арматуры.
