Введение

Устройство регулирования потока
устройство регулирования потока

Вентиль – это устройство или естественный объект, который регулирует, направляет или контролирует поток жидкости (газов, жидкостей, взвешенных твердых частиц или шламов) путем открытия, закрытия или частичного перекрытия различных проходов. Вентили технически являются фитингами, но обычно рассматриваются как отдельная категория. В открытом вентиле жидкость течет в направлении от более высокого давления к более низкому. Слово происходит от латинского valva, подвижная часть двери, в свою очередь от volvere – "вращать, перекатывать". Самый простой и очень древний вентиль – это просто свободно подвешенный клапан, который опускается, чтобы препятствовать потоку жидкости (газа или жидкости) в одном направлении, но поднимается самим потоком, когда поток движется в противоположном направлении. Такой вентиль называется обратным, так как он предотвращает или "останавливает" поток в одном направлении. Современные регулирующие вентили могут регулировать давление или поток на выходе и работать в сложных системах автоматизации. Вентили имеют множество применений, включая управление водой для орошения, промышленное использование для управления процессами, бытовое использование, такое как включение/выключение и регулировка давления в посудомоечных и стиральных машинах, а также в водопроводных кранах. Вентили также используются в военной и транспортной отраслях. В системах вентиляции и кондиционирования воздуха и других воздушных потоках, близких к атмосферному, вместо вентилей используются заслонки. Однако в системах сжатого воздуха используются вентили, наиболее распространенным типом которых являются шаровые вентили.

Приложения

Клапаны используются практически в каждом промышленном процессе, включая водоподготовку и очистку сточных вод, горнодобывающую промышленность, производство электроэнергии, переработку нефти, газа и нефтепродуктов, пищевую промышленность, производство химической продукции и пластмасс, а также многие другие отрасли. В развитых странах люди используют клапаны в повседневной жизни, в том числе в сантехнике – краны для водопроводной воды, газовые клапаны на плитах, небольшие клапаны в стиральных и посудомоечных машинах, предохранительные устройства в системах горячего водоснабжения и тарельчатые клапаны в автомобильных двигателях. В природе также встречаются клапаны, например, односторонние клапаны в венах, регулирующие кровообращение, и сердечные клапаны, контролирующие поток крови в камерах сердца и обеспечивающие правильную работу насоса. Клапаны могут управляться вручную с помощью рукоятки, рычага, педали или колеса. Они также могут быть автоматическими, реагирующими на изменения давления, температуры или расхода. Эти изменения могут воздействовать на диафрагму или поршень, который, в свою очередь, приводит клапан в действие. Примерами таких клапанов, часто встречающихся в быту, являются предохранительные клапаны в системах горячего водоснабжения или котлах. Для более сложных систем управления, использующих клапаны и требующих автоматического регулирования на основе внешнего сигнала (например, для поддержания заданного расхода в трубопроводе), необходим привод. Привод перемещает клапан в соответствии с входным сигналом и настройками, обеспечивая точное позиционирование и контроль над различными параметрами.

Изменение

Форма и применение клапанов сильно различаются. Размеры обычно находятся в диапазоне от 0,1 мм до 60 см. Специальные клапаны могут иметь диаметр более 5 метров. Стоимость клапанов варьируется от простых и недорогих одноразовых до специализированных, цена которых может достигать тысяч долларов США за дюйм диаметра. Одноразовые клапаны можно встретить в обычных бытовых предметах, таких как мини-дозаторы и аэрозольные баллончики. Под термином "клапан" часто подразумевают тарельчатые клапаны, используемые в подавляющем большинстве современных двигателей внутреннего сгорания, например, в большинстве транспортных средств, работающих на ископаемом топливе, для управления подачей топливно-воздушной смеси и отводом выхлопных газов.

Компоненты

Основными частями наиболее распространенного типа клапана являются корпус и крышка. Эти две части формируют корпус, в котором удерживается протекающая через клапан жидкость.

Тело

Корпус клапана – это внешняя оболочка большей части или всего клапана, содержащая внутренние детали или запорный элемент. Крышка (или капот) – это часть оболочки, через которую проходит шток (см. ниже), и которая служит направляющей и уплотнением для штока. Крышка обычно навинчивается или прикрепляется болтами к корпусу клапана. Корпуса клапанов обычно изготавливаются из металла или пластика. Латунь, бронза, латунь-никелевый сплав, чугун, сталь, легированные стали и нержавеющие стали широко распространены. В системах с морской водой, таких как опреснительные установки, часто используются двухфазные (дуплексные) клапаны, а также супердвухфазные (супердуплексные) клапаны благодаря их коррозионной стойкости, особенно к теплой морской воде. Клапаны из сплава 20 обычно применяются на заводах по производству серной кислоты, а клапаны из моноэля – на заводах по производству плавиковой (фтористоводородной) кислоты (HF Acid). Клапаны Hastelloy часто используются в высокотемпературных приложениях, таких как атомные электростанции, а клапаны Inconel – в водородных приложениях. Пластиковые корпуса используются при относительно низких давлениях и температурах. ПВХ, ПП, ПВДФ и стеклонаполненный нейлон – распространенные пластики, используемые для изготовления корпусов клапанов.

Шлем

Крышка выполняет функцию укрытия корпуса клапана. Обычно она полупостоянно привинчивается в корпус клапана или крепится к нему болтами. В процессе изготовления клапана внутренние детали помещаются в корпус, после чего крышка устанавливается для фиксации всех внутренних элементов. Для доступа к внутренним частям клапана пользователю необходимо снять крышку, как правило, для обслуживания. Многие клапаны не имеют крышек; например, в плунжерных клапанах обычно отсутствует крышка. Многие шаровые клапаны также не имеют крышек, поскольку корпус клапана собирается по другой технологии, например, путем соединения частей в середине корпуса клапана.

Порты

Порты — это каналы, обеспечивающие прохождение жидкости через клапан. Поток регулируется за счет перекрытия портов запорным элементом или диском. Большинство клапанов имеют 2 порта, но их количество может достигать 20. Клапан почти всегда подсоединяется к трубопроводам или другим компонентам через свои порты. Способы подсоединения включают резьбовые соединения, компрессионные фитинги, склеивание, цементирование, фланцевые соединения или сварку.

Ручка или приводная установка

Ручка используется для ручного управления клапаном снаружи корпуса клапана. Автоматически управляемые клапаны часто не имеют ручек, но некоторые могут иметь ручку (или аналогичный элемент) для ручного переключения с автоматического управления, например, обратный клапан с возможностью ручного управления. Привод – это механизм или устройство для автоматического или дистанционного управления клапаном снаружи корпуса. Некоторые клапаны не имеют ни ручки, ни привода, поскольку они автоматически управляют собой изнутри; например, обратные клапаны и предохранительные клапаны могут не иметь ни того, ни другого.

Диск

Диск, также известный как запорный элемент, представляет собой подвижное препятствие внутри неподвижного корпуса, которое регулируемо ограничивает поток через клапан. Хотя традиционно диски имеют дискообразную форму, они могут быть различных форм. В зависимости от типа клапана, диск может двигаться линейно внутри клапана, вращаться на штоке (как в бабочковом клапане) или вращаться на шарнире или цапфе (как в обратном клапане). Шарик – это круглый запорный элемент с одним или несколькими каналами между портами, проходящими сквозь него. Вращая шарик, можно направлять поток между различными портами. В шаровых клапанах используются сферические роторы с просверленным цилиндрическим отверстием, служащим для прохода жидкости. В плужных клапанах используются цилиндрические или конически сужающиеся роторы, называемые плунжерами. Другие круглые формы роторов также возможны в роторных клапанах, при условии, что ротор может вращаться внутри корпуса клапана. Однако не все круглые или сферические диски являются роторами; например, шаровый обратный клапан использует шарик для перекрытия обратного потока, но не является ротором, поскольку работа клапана не предполагает вращения шара.

Стержень

Стержень передает движение от ручки или управляющего устройства к диску. Обычно стержень проходит через крышку, если она имеется. В некоторых случаях стержень и диск могут быть выполнены как единое целое, либо стержень и ручка – как единое целое. Движение, передаваемое стержнем, может быть линейной силой, вращательным моментом или их комбинацией (например, угловой клапан с реактором момента и узлом ступицы). Резьба на клапане и стержне может позволять ввинчивать или вывинчивать стержень из клапана вращением в ту или иную сторону, перемещая таким образом диск вперед или назад внутри корпуса. Для обеспечения герметичности между стержнем и крышкой часто используется набивка. Некоторые клапаны не имеют внешнего управления и, соответственно, не нуждаются в стержне, как, например, большинство обратных клапанов. Клапаны, у которых диск расположен между седлом и стержнем, и стержень перемещается в направлении внутрь клапана для его перекрытия, называются нормально закрытыми или с передним седлом. Клапаны, у которых седло расположено между диском и стержнем, и стержень перемещается в направлении наружу клапана для его перекрытия, называются с обратным седлом или с задним седлом. Эти термины неприменимы к клапанам без стержня или клапанам, использующим роторы.

Прокладки

Прокладки — это механические уплотнения, используемые для предотвращения утечки газа или жидкостей из клапанов.

Кружки клапанов

Шарик клапана также применяется в особо тяжелых условиях эксплуатации, при высоком давлении и повышенных требованиях к точности. Обычно они изготавливаются из нержавеющей стали, титана, стеллита, хастеллоя, латуни или никеля. Также они могут быть изготовлены из различных видов пластика, таких как ABS, PVC, PP или PVDF.

Весна

Многие клапаны оснащены пружиной для создания предварительного усилия, чтобы диск по умолчанию находился в определенном положении, но при этом позволял системе управления изменять его положение. Предохранительные клапаны обычно используют пружину для удержания клапана в закрытом состоянии, но позволяют избыточному давлению открыть клапан, преодолевая усилие пружины. Как правило, применяются цилиндрические пружины. Типичные материалы для пружин включают сталь с цинковым покрытием, нержавеющую сталь, а для применения при высоких температурах – сплав Inconel X750.

Обрежьте

Внутренние элементы клапана в совокупности называются обшивкой клапана. Согласно стандарту API 600 "Стальные затворные клапаны с фланцевыми и сварными концами, с болтовым присоединением крышки", обшивка состоит из штока, посадочной поверхности в корпусе, посадочной поверхности затвора, втулки или наплавленной сварки для заднего упора и направляющей отверстия штока, а также мелких внутренних деталей, которые обычно контактируют с рабочей средой, за исключением штифта, используемого для соединения штока с затвором (данный штифт должен быть изготовлен из аустенитной нержавеющей стали).

Рабочие положения клапанов

Положения клапана – это рабочие условия, определяемые положением диска или ротора внутри клапана. Некоторые клапаны сконструированы для работы с плавным переходом между двумя или более положениями. Обратные клапаны и запорные клапаны обеспечивают движение жидкости в двух или одном направлении соответственно.

Двухпортовые клапаны

Рабочие положения для двухпортовых клапанов могут быть либо закрытыми, полностью открытыми для максимального расхода, либо частично открытыми в любой промежуточной степени. Многие клапаны не предназначены для точного регулирования промежуточной степени расхода; такие клапаны считаются либо открытыми, либо закрытыми. Некоторые клапаны специально разработаны для регулирования переменного расхода. Такие клапаны имеют различные названия, такие как регулирующие, дроссельные, дозирующие или игольчатые клапаны. Например, игольчатые клапаны имеют удлиненные конически сужающиеся диски и соответствующие седла для точного регулирования расхода. Для некоторых клапанов может быть предусмотрен механизм, показывающий степень открытия клапана, но во многих случаях используются другие индикаторы расхода, такие как отдельные расходомеры. На предприятиях с удаленным управлением процессами, таких как нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы, некоторые двухпортовые клапаны могут быть обозначены как нормально закрытые (NC) или нормально открытые (NO) при нормальной эксплуатации. Примерами нормально закрытых клапанов являются отборочные клапаны, которые открываются только во время отбора пробы. Другими примерами нормально закрытых клапанов являются клапаны аварийного отключения, которые остаются открытыми при работе системы и автоматически закрываются при отключении питания. Это происходит при возникновении проблемы с оборудованием или участком в системе, например при утечке, для изоляции проблемы от остальной части системы. Примерами нормально открытых клапанов являются клапаны подачи продувочного газа или клапаны аварийного сброса давления. При возникновении проблемы эти клапаны открываются (при отключении питания), что приводит к продувке и опорожнению оборудования. Хотя многие двухпортовые клапаны позволяют потоку проходить в любом направлении между двумя портами, при установке клапана в конкретное приложение часто предполагается, что поток будет идти от определенного порта на входной стороне клапана к другому порту на выходной стороне. Регуляторы давления являются разновидностью клапанов, в которых расход регулируется для создания определенного давления на выходе, если это возможно. Они часто используются для регулирования потока газа из газового баллона. Регулятор обратного давления – это разновидность клапана, в котором расход регулируется для поддержания определенного давления на входе, если это возможно.

Клапан с тремя портами

Клапан с тремя портами выполняет множество различных функций. Ниже приведены некоторые из них. Трехходовые шаровые клапаны имеют Т- или L-образные каналы для жидкости внутри ротора. Т-клапан может использоваться для соединения одного входа с одним или обоими выходами, либо для соединения двух выходов. L-клапан может использоваться для отключения обоих или для соединения одного, но не обоих входов с одним выходом. Шаттл-клапаны автоматически соединяют вход с более высоким давлением с выходом, при этом (в некоторых конструкциях) предотвращая поток от одного входа к другому. Однорычажные смесительные клапаны создают переменную смесь горячей и холодной воды с переменной скоростью потока, управляемую одним рычагом. Термостатические смесительные клапаны смешивают горячую и холодную воду для поддержания постоянной температуры при изменяющемся давлении и температуре на двух входных портах.

Клапан с четырьмя портами

4-портовый клапан – клапан, корпус которого имеет четыре порта, равноудалённо расположенных по окружности, а диск – два канала для соединения соседних портов. Он имеет два положения. Он может использоваться для изоляции и одновременного переключения потока вокруг цилиндра для отбора проб, установленного на напорной водопроводной линии. Это позволяет отбирать образец жидкости, не влияя на давление в гидравлической системе и предотвращая дегазацию (отсутствие утечек, потерь газа или попадания воздуха, внешнего загрязнения).

Контроль

Многие клапаны управляются вручную с помощью рукоятки, прикрепленной к штоку. Если рукоятка поворачивается на девяносто градусов между рабочими положениями, клапан называется клапаном четверть оборота. Бабочковые, шаровые и шиберные клапаны часто являются клапанами четверть оборота. Если рукоятка круглая, а шток является осью вращения в центре круга, то рукоятка называется маховиком. Клапаны также могут управляться приводами, прикрепленными к штоку. Это могут быть электромеханические приводы, такие как электродвигатель или соленоид, пневматические приводы, управляемые давлением воздуха, или гидравлические приводы, управляемые давлением жидкости, например масла или воды. Приводы могут использоваться для автоматического управления, например, в циклах стиральной машины, дистанционного управления, например, с использованием централизованной диспетчерской, или потому, что ручное управление слишком сложно, например, когда клапан очень большой. Пневматическим и гидравлическим приводам необходимы линии подачи сжатого воздуха или жидкости: впускная и выпускная. Пилотные клапаны – это клапаны, используемые для управления другими клапанами. Пилотные клапаны в линиях привода контролируют подачу воздуха или жидкости к приводам. Заливной клапан в бачке унитаза – это клапан, приводимый в действие уровнем жидкости. Когда достигается высокий уровень воды, механизм перекрывает клапан, наполняющий бачок. В некоторых конструкциях клапанов давление самой протекающей жидкости или разница давления протекающей жидкости между портами автоматически регулирует поток через клапан.

Другие соображения

Производитель обычно указывает максимальную температуру и давление для клапанов. Также обычно указываются материалы, контактирующие с рабочей средой в клапане. Доступны некоторые клапаны, рассчитанные на очень высокое давление. При выборе клапана для конкретного применения конструктору, инженеру или пользователю необходимо убедиться, что указанные максимальная температура и давление никогда не превышаются, а материалы, контактирующие с рабочей средой, совместимы с ней. В Европе конструкция клапанов и их характеристики по давлению регулируются законодательством в соответствии с Директивой 97/23/EC об оборудовании, работающем под давлением (PED). Некоторые схемы систем трубопроводов, особенно на химических или энергетических предприятиях, схематически изображаются на принципиальных схемах трубопроводов и контрольно-измерительных приборов. На этих схемах различные типы клапанов обозначаются определенными условными обозначениями. Клапаны в исправном состоянии не должны иметь утечек. Однако со временем клапаны могут изнашиваться и начать протекать, либо между внутренней и внешней частями клапана, либо, когда клапан закрыт для прекращения потока, между диском и седлом. Частица, попавшая между седлом и диском, также может стать причиной утечки.