Запорные клапаны - поворотное движение

Клапаны с поворотным движением, часто называемые четвертьоборотными, включают шаровые клапаны и дисковые затворы. Независимо от типа такого клапана, запирающий элемент вращается вокруг оси, перпендикулярной направлению потока. Среда может проходить через запирающий элемент, как в шаровых клапанах, либо обтекать его, как в дисковых затворах. Клапаны с поворотным движением обычно имеют простой механизм действия, поэтому их легко автоматизировать и обслуживать.

Шаровые клапаны выпускаются в редуцированном и полнопроходном исполнении. У полнопроходных клапанов отверстие имеет тот же диаметр, что и трубопровод, тогда как у редуцированных клапанов диаметр отверстия меньше диаметра трубы. Полнопроходные клапаны дороже редуцированных и должны использоваться там, где перепад давления на клапане критичен, либо когда шаровые клапаны устанавливаются перед расходомерами.

Полнопроходные клапаны могут применяться в узлах с расходомерами для минимизации турбулентности потока перед измерительным устройством. Для установки шара в корпус используются три разных варианта сборки. Тип сборки влияет не только на удобство монтажа, но и на ремонтопригодность клапана.

• Клапаны из двух и трех частей - Корпус клапана разделен в одной или двух плоскостях, совпадающих с плоскостью фланца, и эти части стягиваются болтами. Преимущество - упрощенное техническое обслуживание без демонтажа из линии.
• Клапаны с верхним доступом - Шар вводится через крышку в верхней части клапана. Это также облегчает техническое обслуживание без демонтажа из линии.
• Однокорпусные клапаны - Шар заключен в корпусе при помощи вставки, устанавливаемой вдоль оси клапана. Это исключает возможность утечки через стык корпуса и вероятность разъединения во время эксплуатации, но при необходимости обслуживания клапан приходится полностью снимать с трубопровода.

Выбор материала седла определяет условия, для которых конкретный шаровой клапан подходит лучше всего. Хотя новые материалы седел разрабатываются постоянно, в Table 12.2.1 перечислены некоторые из наиболее распространенных материалов, используемых в настоящее время.

Table 12.2.1 Распространенные материалы седел шаровых клапанов

Помимо внутренней безопасности узла седла, уплотнение штока также должно предотвращать утечку в атмосферу в условиях пожара. Этого можно добиться использованием высокотемпературных уплотнений из гибкого графита или Grafoil®; альтернативно можно применять сильфонное уплотнение (см. Figure 12.2.4).

• Клапаны для чистого пара - Существует ряд применений, в которых клапан должен иметь чистое исполнение; сюда относятся паровые процессы с прямым впрыском пара в продукт и трубопроводы технологических сред в биотехнологической, пищевой и электронной промышленности. Основная проблема в таких применениях - пространство между корпусом и шаром; в этих полостях может скапливаться рабочая среда, вызывая загрязнение и коррозию. Это решается установкой заполнителей полостей. Заполнитель может быть частью седла или отдельным компонентом в сборке клапана. Кроме того, шаровые клапаны для применений с чистым паром должны изготавливаться из нержавеющей стали с хорошим качеством поверхности (рекомендуется менее 81 microns Ra).
• Дросселирующие применения - Когда шаровые клапаны используются в дросселирующем режиме, поток высокой скорости может воздействовать на локальный участок шара и уплотнений, вызывая преждевременный износ материала седла. Чтобы использовать шаровые клапаны для дросселирования, требуются изменения стандартной конструкции; к ним относятся металлические седла, твердые покрытия и иногда модификация шара для получения заданной расходной характеристики.

Главный недостаток дисковых затворов заключается в том, что герметичность отсечения у них не такая высокая, как у других типов клапанов. До некоторой степени это можно компенсировать смещением оси вращения диска и применением седел с подпором давлением. Благодаря смещенной оси вращения создается кулачковое действие, то есть в последние градусы закрытия диск формирует плотное уплотнение с седлом. Такие высокоэффективные или эксцентриковые дисковые затворы обладают улучшенной герметичностью и по своей конструкции могут использоваться для дросселирования.

Для паровых применений дисковые затворы в значительной степени были вытеснены шаровыми клапанами. Чаще всего они используются в жидкостных системах или там, где пространство ограничено. Компактность дисковых затворов означает меньший расход материала, поэтому они особенно подходят для применений, где требуется использование дорогих материалов, например в системах морской воды, где предписан никель.

Table 12.2.2 Факторы, влияющие на выбор запорного клапана

Table 12.2.3 кратко обобщает основные характеристики различных типов запорных клапанов.

Table 12.2.3 Типовые размеры и рабочие диапазоны запорных клапанов

1 Примечание: типовые значения для клапана DN150, пропускающего насыщенный пар при 24 bar, при скорости потока 40 m/ s. Table 12.2.4 кратко обобщает области применения наиболее распространенных типов запорных клапанов, используемых сегодня.

Table 12.2.4 Области применения различных типов запорных клапанов

Table 12.2.5 представляет собой обобщенное руководство по выбору запорных клапанов для конкретных применений на паре и конденсате. Следует отметить, что выбор запорного клапана в определенной степени субъективен, и в разных отраслях и географических регионах существуют собственные предпочтения.

Table 12.2.5 Выбор клапанов для целей запирания в системах пара / конденсата Примечание: в этой таблице bellows sealed означает globe valve с сильфонным уплотнением, а globe - стандартный globe valve с сальниковой набивкой.

После выбора наиболее подходящего типа клапана необходимо определить правильный размер. Обычно клапаны подбирают по размеру трубопровода. Тем не менее рекомендуется проверять, что перепад давления на клапане (при полностью открытом положении) находится в допустимых пределах. Перепад давления зависит от коэффициента пропускной способности клапана (или значения Kvs), расхода и давления на входе. В спецификациях обычно приводятся данные о Kvs для полностью открытого клапана.

Зная типовое рабочее давление и массовый расход, можно определить перепад давления на выбранном клапане. Либо, если известен максимально допустимый перепад давления, можно подобрать подходящий размер клапана. Хотя существует множество формул и графиков для прогнозирования зависимости между расходом и перепадом давления, следующая упрощенная эмпирическая формула (Equation 3.21.1) дает надежные результаты для пара и поэтому широко используется:

Эта формула лежит в основе графика, показанного на Figure 12.2.7, который впервые был представлен в Block 3, Module 21.

Если запорный клапан будет использоваться в жидкостной системе, перепад давления на клапане определяется по следующему уравнению: