Трубопроводная арма тура. Задвижки. Вентиля. Краны.

Обратные и предохранительные клапаны.

Технологические установки нефтехимических заводов, резервуарное и трубопроводное хозяйство заводов снабжены различной ар­матурой. Арматура предназначена для выполнения следующих функций:

разобщение оборудования; подключения его к работающей системе; регулирования проходящей через трубопровод среды (нефти, нефте­продуктов, химических веществ, продуктов пищевых производств, во­ды, пара, газа и т.д.) или поддержание в системе давления, не превышающего допустимое.

Различают запорно-регулирующую и предохранительную армату­ру. К первой относятся задвижки, вентили, краны и клапаны для сыпучих материалов. Они запирают или регулируют по­ток среды по трубопроводу принудительно, с помощью ручного, ме­ханического, гидравлического, электрического или пневматического приводов.

Ко вторым относятся обратные и предохранительные клапаны, ко­торые запирают или наоборот, открывают поток среды по трубопро­воду в зависимости от изменения режима перекачивания - давления (предохранительные клапаны) или направления движения (обрат­ные клапаны).

 

Задвижки.

Задвижки (рис.2.22) наиболее распространенный тип арма­туры на заводах.

Рис. 2.22. Конструкция чугунной задвижки: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – шпиндель; 4 – мягкая набивка; 5 – нажимная втулка; 6 – гайка для подтяжки сальника; 7 – ходовая гайка; 8 – маховик; 9 – фиксирующая гайка; 10 – уплотнительное кольцо седла корпуса; 11 – уплотнительное кольцо плашки; 12 – разжимной клин; 13 – плашки.

 

Они ставятся на прямых участках трубопроводов и в простейшем случае представляют шиберы, разобщающие трубо­провод на две части. Перемещением шибера перпендикулярно от трубопровода можно достигнуть разной степени разобщенности (от­крытия), вплоть до полного перекрытия трубы. От способа полно­го перекрытия потока зависит конструкция запирающего органа (шибера), а следовательно и всей задвижки.

На рис.2.23 представлены два способа уплотнения шибера.

Рис. 2.23. Способы уплотнения затворов:

а – клином (1 – шибер (клин); 2 – корпус задвижки; 3 – седла)

б – плашками (1 – плашки (шибер); 2 – распорный клин; 3 – корпус задвижки)

 

В первом случае шибер имеет форму клина, а по обе стороны от него в корпусе задвижки имеются наклонно расположенные седла, на которые при полном опускании шибер целиком садится своими повер­хностями. Привалочные поверхности клина скошены соответственно седлам в корпусе. Плотность обеспечивается за счет сильного при­жатия клина к седлам. Такие задвижки носят название - клиновые.

Во втором случае (рис.2.23) шибер составной; он состо­ит из двух плашек, которые после опускания посредством кинемати­ческой пары клин - клин расходятся и прижимаются к седлам внутри корпуса; такие задвижки называются параллельными. Параллельные задвижки обычно бывают чугунными. Проходное сечение задвижки регулируется подъемом и опусканием плашек. Для полного запира­ния задвижки плашки опускаются до нижнего упора. При дальнейшем опускании шпинделя 3 плашки 13 раздаются распорным клином 12, упирающимся в дно корпуса 1, и плотно прижимаются к привалочным поверхностям 10, 11.

Для обеспечения герметичности затвора шпиндель должен давить на клин с силой, которая определяется по формуле:

P=P_k+P_с+P_ш,

где P_к - усилие необходимое для уплотнения поверхностей;

P_c - усилие необходимое для уплотнения сил трения в саль­никах;

P_ш - усилие на шпинделе от внутреннего давления на торец шпинделя.

где P_y - условное давление в трубопроводе;

D_В,D_Н - соответственно внутренний и наружный диаметры уплотнительного кольца;

в - ширина уплотнительного кольца;

G - вес клина.

где d_ш - диаметр шпинделя;

h - максимальная набивка сальника;

m - коэффициент трения, m₀= 0,1.

Для полного запирания задвижки необходимо к гайке (маховику) приложить крутящий момент M, который способен преодолеть мо­мент трения в резьбе M₁, и момент трения во втулке M₂:

где d₀ - средний радиус резьбы;

a - угол подъема винтовой линии;

j - угол трения, обычно j = 6 ⁰;

m - коэффициент трения во втулке m = 0,1 - 0,5 для скользящей опоры,

m = 0,01 для опоры качения.

Вентили.

Назначение вентилей такое же как и задвижек. Общий вид вен­тиля приведен на рис.2.24.

 

Рис. 2.24. Конструкция вентиля: 1 – корпус; 2 – крышка: 3 – шпиндель

шток; 4 – гайка ходовая; 5 – маховик; 6 – сопряжение штока с клапаном;

7 – клапан; 8 – съёмное седло клапана.

 

Запирающим органом вентилей являются золотники (или клапаны) - 7. Шпинделем с винтовой нарезкой 3 регулируется расстояние от торца золотника (клапана) 7 до седла 8, т.е. высота кольцево­го зазора. Для этого золотник (клапан) соединен со шпинделем, а седло закреплено в корпусе вентиля, для полного открытия вен­тиля необходимо, чтобы поверхность кольцевого зазора (рис.2.25)

Рис. 2.25. Схема расчёта подъёма клапана вентиля:

1 – седло; 2 – клапан; 3 – шток.

равнялась площади свободного сечения седла. Внутренний диаметр седла в большинстве случаев принимают равным диаметру условного прохода d_y.

Высота подъема золотника (клапана) h, соответствующая пол­ностью открытому вентилю, определится из уравнения:

откуда

Это соотношение характеризует одно из свойств вентиля, выгодно отличающего его от задвижки; для полного открытия последний не­обходимо поднять запорный орган по крайней мере на высоту рав­ную диаметру запирающего клина или плашек, что в 4 раза больше чем h=d_y/4.

Изготовление и ремонт вентилей проще, чем задвижек из-за доступности трущихся (уплотняющихся) поверхностей корпуса для обработки.

В то же время вентили имеют ограниченное применение на тех­нологических установках и применяются в основном на паро- и водопроводах. Причина заключается в конструктивных особенностях вентили, а именно в перемещении запирающего органа - золотника (клапана) перпендикулярно направлению движения среды в трубо­проводе. Благодаря этому гидравлические сопротивления в венти­лях значительно больше, чем у задвижек. Для закрытия вентилей требуются большие усилия, чем для закрытия задвижек. Их не ус­танавливают на трубопроводах с густыми и вязкими жидкостями.

Вентили могут надежно работать только при движении среди в одном направлении (так, чтобы среда шла из под клапана), в противном случае возможен отрыв клапана, который давлением сре­ды прижимается к седлу и запрет вентиль. Для избежания ошибки при монтаже, на корпусе вентиля стрелкой указано допустимое на­правление движения среды.

Краны.

Краны - наиболее простые по конструкции запорные устрой­ства (рис.2.26; 2.27). Запорным органом крана является конусная пробка, боковая поверхность которой сидит в корпусе. Для запирания крана пробку рычагом поворачивают в одну или другую сторону на 90⁰. Добиться точного регулирования расхода краном трудно, поэтому его приме­няют главным образом как запорную, а не регулирующую арматуру.

 

Обратные клапаны.

На технологических установках часто бывает необходимо пре­дотвратить движение среды по трубопроводу в обратном направле­нии, что может произойти при нарушении каких-либо параметров или выходе из строя оборудования.

Рис. 2.26 Сальниковый кран:                        Рис. 2.27. Сальниковый кран со смазкой

1 – корпус; 2 – пробка;                                   1 – корпус; 2 – пробка;

3 – нажимная втулка;                                    3 – камера для смазки; 4 – нажимная

4 – отжимной винт.                                              втулка; 5 – мягкая набивка;

6 – обратный шариковый клапан;

7 – винтовая пробка.

Для этой цели служат обратные клапаны, пропускающие среду только в одном направлении, а при изменении направления на об­ратное автоматически разобщающие трубопровод.

Все обратные клапаны по конструкции запирающего органа де­лятся на подъемные и запирающие (рис.2.28. а,6). При изменении направления движения среды клапан под собственным весом, давле­ния среды и пружины садится уплотняющей поверхностью на стакан и запирает проход. Подъемные клапаны обеспечивают большую гер­метичность чем поворотные.

Рис. 2.28. Обратные клапаны: а – подъёмный; б – поворотный; 1 – корпус; 2 – седло; 3 – клапан; 4 – пружина; 5 – пробковая крышка-ограничитель подъёма клапана; 6 – крышка корпуса;

7 – поворотный рычаг.

Предохранительные клапаны.

В аппаратах технологических установок давление не должно подниматься выше допустимого P_доп. С этой целью на них уста­навливают предохранительные клапаны, которые выпускают из аппа­рата избыточное количество среды, создающей давление. После ус­тановления в аппарате допустимого давления клапан вновь закры­вается.

Различают рычажные и пружинные предохранительные клапаны. Рычажные клапаны применяют в основном для работы на паровых котлах и паропроводах. Они малоподъемны, поэтому имеют неболь­шую пропускную способность. Применение их в аппаратах с ток­сичной или взрывоопасной средой недопустимо, так как среда вы­пускаемая клапаном, не загерметизирована. При монтаже необхо­димо обеспечить строго горизонтальное расположение рычага кла­пана.

На аппаратах нефтехимических установок применяют пружинные предохранительные клапаны закрытого типа, исключающие утечку выпускаемой среды в атмосферу (рис.2.29). Избыточная среда из клапана пос­тупает в специальные конденсационные системы (где пары конден­сируются путем охлаждения) или направляются на факел, в ко­тором сжигается.

Рис. 2.29. Пружинный предохранительный клапан: 1 – корпус; 2 – сопло;

3, 4 – стопорные винты; 5,15 - прокладка; 6 – гофрированная прокладка;

7,19 – гайка; 8,16 – контргайка; 9,20 – шпилька; 10 – крышка; 11 – шток;

12 – пружина; 13 – опорная шайба; 14 – регулировачный винт;

17 – колпак; 18 – втулка; 21 – разделитель; 22 – направляющая втулка;

23 – регулировочная втулка; 24 – золотник; 25 – разрезное кольцо;

26 – втулка регулировочная; 27 – подушка; 28 – гайка соединительная.

 

По высоте подъема тарелки клапана над седлом клапаны делят­ся на три типа: малоподъемные, среднеподъемные и полноподъем­ные, с высотой подъема соответственно h_под 1/40, 1/20, 1/10, 1/6, 1/4 диаметра прохода в седле.

Предохранительный клапан регулируют в допустимых пределах на определенную высоту подъема золотника. Для этого он имеет две регулирующие втулки, положение которых устанавливается с помощью резьбового соединения. Одна втулка установлена на зо­лотнике клапана, другая на седле. После регулирования положе­ние втулок фиксируется стопорными винтами.

Пропускную способность клапана V определяют по формуле:

где F - рабочее сечение клапана,  (где d - на­именьший диаметр прохода);

p - давление среды в сосуде, на котором установлен клапан;

M - молекулярный вес паров или газов;

T- абсолютная температура паров.

Весовую пропускную способность (кг/ч) определяют по формуле:

где a - коэффициент расхода (определяют экспериментально ор­ганизация, сконструировавшая клапан, или завод - изго­товитель);

F - рабочее сечение клапана, см² (для полноподъемных кла­панов , для неполноподъемных клапанов , здесь d - наименьший диаметр прохода; 

h - высота подъема тарелки);

B - коэффициент, определяемый в зависимости от показателя адиабаты и

отношения p₁/p₂;

p₁  - максимальное абсолютное давление перед клапаном, МПа;

p₂ - абсолютное давление за предохранительным клапаном, МПа;

r - плотность среды перед клапаном, кг/м³.

Установочное давление, которому соответствует начало открытия клапана, принимают равным расчетному давлению.

Расчетное (рабочее) давление

p_раб=1,1p₁

для токсичных и взрывоопасных сред

p_раб=p₁+0,2МПа

где p₁ - технологическое давление, при котором обычно идет процесс.

Давление при полном открытии клапана:

Число, размеры и пропускную способность клапанов следует вы­бирать по расчету так, чтобы давление в аппарате не превышало p_к.

Пружинные клапаны выпускают на p_y - 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10,0; 16,0 мН/м² и на d_y - 15; 25; 40; 50; 80; 100; 150 мм.

Условные обозначения клапанов ППК и СППК, рядом с которыми через черточки записывают d_y в мм и p_y в кг/см². Например, СППК4 - 100 - 16 - это пружинный предохранительный клапан с d_y = 100 мм на p_y = 16 кг/см² (1,6 мН/м²).

Расчет пружин предохранительных клапанов и торцевых уплотнений.

Наиболее ответственной деталью предохранительных клапанов, торцевых уплотнений и др. узлов является пружина (рис.2.30).

Её выполняют из стали 50ХФА. Нельзя допускать нагрева пружины выше 200⁰С, поэтому при температуре среды от 300 до 600°С пружина должна быть отделена от области высоких температур специальным разде­лителем.

К каждому клапану поставляется набор пружин, предназначенных для работы в определенном диапазоне давлений, но не выше ус­ловного давления, на который расчитан корпус предохранительного клапана. Выбор пружины производится в зависимости от установоч­ного давления и диапазона давлений.

Пружина предохранительного клапана характеризуется двумя рабочими давлениями - начальным p_н и конечным p_к. Отношение максимальной рабочей нагрузки к минимальной называется коэффи­циентом диапазона пружины. Он обычно равен 2,25.

 

Рис. 2.30. Расчётная схема пружины.

 

Расчет пружин предохранительных клапанов и торцевых уплотнений на прочность.

Максимально допустимую нагрузку на пружину с диаметром прутка d и средним диаметром D определяют из условия проч­ности:

,

где [t] – допускаемое напряжение на кручение (для пружинной стали 50ХФА, [t]=550МПа);

K – поправочный коэффициент, зависящий от отношения C=D/d;

Максимально допустимая величина сжатия пружины (рис.2.28.):

,

       где x - коэффициент жёсткости пружины.

,

где i – число витков; G – модуль упругости при сдвиге.

       Рабочая нагрузка на контактную поверхность (сжатие пружины l₁):

,

где р – расчётное (рабочее) давление в аппарате;

где D_c – средний диаметр поверхности контакта.

Коэффициент чуствительности пружины:

,

где р₂ – нагрузка обеспечивающая сжатие пружин на величину l₂.

 

Ремонт трубопроводной арматуры и арматуры сосудов, работающих под давлением.

Ремонт трубопроводной арматуры может проводиться на месте её установки без снятия корпуса либо в механической мастерской.

Вся арматура технологических трубопроводов и аппаратов подвергается периодической ревизии; независимо хорошо или пло­хо она работала в процессе эксплуатации.

Прежде всего проверяется легкость открывания и закрывания вентилей, задвижек и кранов.

Требующую ремонта арматуру демонтируют, промывают и путем осмотра и замеров устанавливают дефекты.

Разборка производится в следующей последовательности:  

снимают маховик (штурвал); разбирают крышку; извлекают шток вместе с запорным органом.

При осмотре штока и запирающих поверхностей определяют хара­ктер ремонта. При ремонте задвижек и вентилей проводят следующие операции:

1) восстановление изношенных поверхностей затвора (клин, плаш­ка, клапан);

2) восстановление шпинделя;

3) замена сальникового уплотнения;

4) восстановление уплотнительных поверхностей фланцевых соединений;

5) восстановление корпуса;

6) гидравлическое испытание.

Для выявления раковин, трещин и др. дефектов применяют про­свечивание рентгеновскими лучами, гамма - лучами, керосином.

Если на уплотнительных поверхностях имеются изношенные учас­тки и раковины глубиной до 0,5 мм их шлифуют, до 0,1 мм притирают на притирках, изготовленных из мелкозернистого чугуна. Рабочая поверхность должна быть очень точной и чистой.

В качестве абразивного материала применяют наждачный, карундовьй и кварцевый порошки, а также искусственные материалы (карбиды кремния и бора, паста ГОИ).

При сильном износе поверхности клина, плашек, клапанов, пробки и корпуса наплавляют, а затем обрабатывают на станке. Сменные уплотнительные кольца в корпусе заменяют новыми.

Отличительная особенность ремонта предохранительных клапа­нов - тщательная проверка пружин.

Отклонение опорных поверхностей от перпендикулярности к оси пружины должны быть не больше 0,01Н. Пружина не должна обладать остаточной деформацией. При проверке её трех кратно сжимают статической нагрузкой.

Предохранительные клапаны испытывают и регулируют воздухом на специальном стенде, клапан считается отрегулированным, если при заданном давлении р₃ он открывается, а при снижении давления закрывает хлопком.

После ремонта арматура испытывается на прочность и плотность (аналогия трубопровода).

Компенсаторы.

Технологические трубопроводы эксплуатируют при различных температурах среды, поэтому пуск и остановка технологического процесса вызывают значительные температурные деформации.

Абсолютное значение изменения длины трубопровода при его нагреве или охлаждении Dl определится по формуле:

где a - коэффициент линейного расширения металла трубы, для стали;

l - длина трубопровода, м;

Dt – абсолютная разность температур до и после нагрева или охлаждения трубы.

Если трубопровод не может свободно расширяться или сжиматься (а технологические трубопроводы именно такие), то температурные деформации вызывают в трубопроводе напряжения сжатия (при удлинении) или растяжения (при сокращении), которые определяют по формуле:

где Е - модуль упругости материала трубы;

x - относительное удлинение (укорочение) трубы.

Из уравнения следует, что напряжения не зависят от длины трубы.

Если для стали Е = 2,1^.10⁵ мН/м², то из уравнения очевидно, что при нагреве (охлаждении) на 1⁰С температурное напряжение достигает 2,5 мН/м², при

Dt = 10⁰С значение s_t = 100 мН/м².

Трубопроводы работающие при температурах, изменяющихся в широких пределах, во избежание разрушения должны быть снабжены компенсирующими устройствами, легко воспринимающими температурные напряжения.

Компенсаторы устанавливают на трубопроводе через каждые 20-40м. Концы участка трубопровода, приходящиеся на каждый компенсатор, крепят на опорах неподвижно. Компенсирующая способность компенсатора зависит от его конструкции. 

На практике применяют гнутые (рис.2.31а,б,в,г), волнистые или линзовые (рис.2.32), очень редко сальниковые компенсаторы.                  

Гнутые компенсаторы просты в изготовлении и монтаже. Их изготавливают из бесшовных труб горячим гнутьём. Их компенсирующая способность тем больше, чем больше высота (вылет) гнутого участка.

Радиус R, по которому изгибают колено П -образного компенсатора обычно принимают равным:

R=4D_тр при D_тр < 125 мм;

R=5D_тр при D_тр = 125 – 250 мм;

R=6D_тр при D_тр > 250 мм.

Недостатком гнутых компенсаторов является их громоздкость. Они требуют специальных опор, удлиняют протяженность трубопровода, вызывая дополнительные гидравлические сопротивления. Поэтому более прогрессивными являются волнистые (линзовые) компенсаторы (КВУ). На рис.2.32 показана конструкция волнистого универсального компенсатора, который может воспринимать деформации не только в осевом направлении, но и позволяет оси трубопровода изогнуться на некоторую величину относительно шарнира.

                   Рис. 2.31.Гнутые компенсаторы            Рис. 2.32. Волнистый (линзовый)

       трубопроводов:                                        компенсатор.

       а – П-образный; б – двойной

      П-образный; в – лирообразный;

      г – угловой.

Ремонт технологических трубопроводов.

При ремонте выполняются следующие основные работы:

1) замена износившихся деталей и узлов или исправление их до соответствующих норм, допусков и размеров;

2) выверка трубопроводов, а в случае необходимости подгонка опор и подвесок;

3) модернизация или реконструкция трубопроводов с возможной унификацией сменных частей;

4) изоляция трубопроводов;

5) испытание на прочность и плотность;

6) окраска трубопроводов.

За 2 - 3 часа до разборки фланцевых соединений резьбовую часть крепежных деталей необходимо смочить керосином. Отворачивание гаек производится в два приема. Сначала все гайки ослабляются поворотом на 1/8 оборота, а затем отворачиваются полностью в особой последовательности.

На трубопроводах работающих при высоких давлениях применяют систему “сверление безопасности”, при которой на опасных участках трубопровода до пуска их в эксплуатацию высверливают несквозные отверстия d_ост – остаточная толщина должна обеспечивать безаварийную работу. По мере износа трубопровода наиболее вероятен пропуск продукта в этом месте. Отверстие забивают пробкой и накладывают хомут до первого планового ремонта.

Большинство аварий трубопроводов сопровождаются полным или частичным разрушением сварных стыков, разгерметизацией фланцевых соединений и разрушением трубы.

Большинство аварий обусловлено некачественным, неграмотным монтажом:

плохой подгонкой сварных стыков и фланцев;

некачественной сваркой;

недостаточной компенсацией температурных деформаций;

неустойчивостью несущих опор;

жестким креплением трубопровода к опорам.

Основной текущий ремонт- хомут с накладкой.

При замене участка трубопровода вырезают кусок заранее подготовленной трубы (катушку) вставляют вместо вырезанного участка и приваривают к трубопроводу после проверки стыков.

При фланцевых соединениях регулятно подтягивают болты (особенно эффективно для горячих трубопроводов).

Технология ремонта трубопровода не отличается от технологии монтажа.

Трубопроводы отбраковываются, если их толщина d_ост в результате износа более не обеспечивает заданные параметры эксплуатации. Для каждого трубопровода установлены отбраковочные нормы.

Трубопроводы с D_у > 75 мм при остаточной d_ост < 2 мм бракуются безоговорочно.

Испытание на прочность и плотность аналогичны по порядку колонной и емкостной аппаратуре.

Нормы испытания: гидроиспытания проводят до покрытия тепловой гидроизоляцией, антикоррозионной изоляцией.

Величина р_исп = 1,25 , но не менее 0,2МПа для стальных, чугунных, ПВХ, ПЭД; р_исп — выдерживается 5 минут, после снижается до р_раб. Трубопровод тщательно осматриваются, сварные швы обстукивают, открывают воздушники и сливают воду.

Пневмоиспытания осуществляются воздухом или инертным газом

р_исп = 1,25 , но не менее 0.2 МПа для стальных трубопроводов.

Надземным чугунным и полимерным трубопроводам пневмоиспытания не проводятся. Также не проводятся в действующих цехах, на эстакадах, в лотках, т.е. там где есть действующие трубопроводы.

Газопроводы работающие при р_раб<0,1МПа испытывают р_исп - установленное проектом. При наличии чугунной арматуры пневмоиспытания проводят на р_исп не более 0,4 МПа.

Узлы и детали трубопроводов. К ним относятся: фланцы, наиболее распространенные детали. С помощью фланцев трубопровод соединяется с аппаратами, на них устанавливают арматуру, регулирующие и контрольные приборы. Фланцы обеспечивают разъемные соединения секций трубопроводов.

Фасонные детали. На трубопроводе обычно устанавливают множество фасонных деталей (фитингов) различного назначения - двойники, отводы, угольники, тройники и переходы. Они предназначены для установки на трубопроводах, оси которых пересекаются, скрещиваются или находятся в различных плоскостях.

Фасонные детали изготавливают из стальных бесшовных труб сваркой, гладким гнутьем, а также горячей или холодной штамповкой. Материал деталей трубопровода, как правило, должен быть таким же, как материал трубы. Трубопроводы разных диаметров соединяют при помощи переходов.

Заглушки. При разобщении трубопроводов или при ремонте аппаратов разобщаемые участки трубопроводов и аппаратов отделяют глухими плоскими заглушками, устанавливаемые после запорной арматуры или между фланцами.

Диаметр, толщина заглушки и длина ее хвостовика установлены нормалями в зависимости от диаметра условного прохода, условного давления и скорости коррозии трубопровода, а также материала из которого изготовлена.

На заглушке должны быть обязательно хвостовик, выбитые ее номер, марка стали, условное давление и условный диаметр.

Каждая установка и снятие заглушки регистрируются в специальном эксплуатационном журнале с указанием фамилии ответственного лица и производителя работ.