Классификация арматуры по принципу управления

Арматура может быть управляемой и действующей автоматически. Управление арматурой производится вручную или с помощью привода, действующего от постоянного источника энергии (электрического, пневматического, гидравлического). Автоматически действующая арматура (обратные и предохранительные клапаны, конденсатоотводчики, регуляторы давления, отключающие устройства и др.) срабатывают под действием сил, создаваемых давлением самой рабочей среды.

Приводы бывают ручными (местными или дистанционными); электроприводами (встроенными или колонковыми); электромагнитными; пневмо- и гидроприводами.

Ручные местные приводы. Ручной привод представляет собой рукоятку или маховик, насаженные на шпиндель вентиля, втулку шпинделя задвижки, валик приводной головки или валик встроенного электропривода. Ручной привод применяют при небольших усилиях, требующихся для перемещения затвора арматуры. Арматуру с ручным приводом устанавливают в местах, удобных для ее обслуживания. Ручные приводы могут быть с рукояткой и маховиком.

Ручные дистанционные приводы применяют наиболее часто, т.к. они позволяют управлять арматурой любого диаметра, работающей при любых параметрах, установленной в местах, недоступных для непосредственного управления.

Дистанционное управление арматурой осуществляется с помощью ручного колонкового привода, состоящего (в зависимости от принятой схемы) из колонки, шарнирных узлов, коробок перемены направления, компенсатора (в случае необходимости) и соединительных штанг. На Рисунок 35 приведена схема дистанционного ручного привода.

Колонка дистанционного ручного управления арматурой состоит из корпуса, шпинделя и маховика, который жестко соединен со шпинделем. Верхний (или нижний - в зависимости от взаимного расположения колонки к управляемой арматуре) конец шпинделя колонки снабжен хвостовиком, на котором устанавливается шарнирная муфта. Шарнирные узлы служат для сочленения соединительных штанг в местах излома (при ломаной или слишком длинной линии соединения колонки дистанционного привода с управляемой арматурой). Шарнирный узел состоит из корпуса и валика с надетыми на его концы шарнирными муфтами. Угол между шарнирным узлом и соединительной штангой не должен превышать 30^о.

Коробки перемены направления применяют для изменения направления соединительных штанг при угле более 30^о, то есть, когда не могут быть использованы более простые по конструкции шарнирные узлы. Коробка перемены направления состоит из корпуса с крышкой, внутри которого помещается пара конических зубчатых шестерен с передаточным числом 1:1. На конусах валиков шестерен закреплены шарнирные муфты. Коробка перемены направления дает возможность изменять направление соединительных штанг вплоть до угла 90^о

Соединительные штанги служат для соединения привода арматуры с колонкой дистанционного привода.

Длина соединительной штанги не должна превышать 5 метров. Для штанг обычно применяют водогазопроводные трубы небольших диаметров. Они должны обеспечивать передачу крутящего момента, необходимого для плотного закрытия (открытия) арматуры. Соединительные штанги должны быть проверены на угол закручивания, который не должен превышать 3^о.

Таблица 2 – Классы и группы арматуры АЭС.

Класс и группа арматуры	Расчетное (максимальное рабочее) давление: МПа (кгс./см^2)	Назначение и уровни эксплуатации
	До 20 (200)	Арматура, находящаяся в контакте с вредными для обслуживающего персонала средами и недоступная для ремонта после монтажа или в процессе эксплуатации, а также арматура первого контура, выход из строя которой может повлиять на безопасность АЭС
2А	Свыше 5,0 (50)     До 5,0 (50)	Арматура, находящаяся в контакте с вредными для обслуживающего персонала средами, но доступная или ограниченно доступная для ремонта, а также не находящаяся в контакте с вредными для обслуживающего персонала средами, но недоступная для ремонта после монтажа или в процессе эксплуатации
3А   3Б	Свыше 5,0 (50)   Свыше 1,6 (16) до 5,0 (50)   До 1,6 (16)	Арматура, не находящаяся в контакте с вредными для обслуживающего персонала средами и доступная для проведения ремонта

Примечание. За величину, регламентирующую степень радиоактивности среды, вредной для обслуживающего персонала, принимается 3,7 ^. 10³ Бк.

Компенсирующие устройства. В тех случаях, когда соединительные штанги имеют тепловое удлинение или когда соединяемые ими точки привода испытывают небольшие взаимные относительные перемещения, применяют компенсаторы или шарнирные муфты с компенсатором, в которых квадратный хвостовик муфты входит в квадратное отверстие втулки с небольшим зазором, обеспечивающим штанге возможность надвигаться или сползать с муфты.

Рисунок 35 – Схемы ручного дистанционного управления арматурой.

1-колонковый привод; 2-штанга привода; 3-шарнирный узел; 4-коробка перемены направления вращения;
5-шарнирная муфта; 6-двойной колонковый привод.

Встроенные или колонковые электроприводы. Электрические приводы встроенные, т.е. установленные на самой арматуре, или колонковые, устанавливаемые отдельно от арматуры (Рисунок 36), используются при автоматическом управлении технологическими процессами независимо от места расположения арматуры, а также тогда, когда нет возможности непосредственно воздействовать на шпиндель запорной или регулирующей арматуры в месте ее установки.

Конструктивно электропривод состоит из редуктора и электродвигателя. Он снабжен маховиком для управления арматурой вручную, а также коробкой концевых и путевых выключателей. При полном открытии арматуры электродвигатель отключается концевым выключателем. При полном закрытии отключения электродвигателя производятся: у электроприводов, управляющих регулирующей арматурой, - концевым выключателем; у электроприводов, управляющих запорной арматурой, - с помощью токового реле, настраиваемого на срабатывание при определенной силе тока, соответствующей заданному крутящему моменту на шпинделе арматуры.

В конструкции электроприводов предусмотрена блокировка ручного управления: при переходе на ручное управление цепь электродвигателя размыкается.

Электроприводы, предназначенные для управления регулирующей арматурой, снабжены специальным потенциометрическим датчиком, сигнализирующим на пульт управления о степени открытия арматуры.

Электрической схемой предусматривается сигнализация при крайних (для запорной и регулирующей арматуры) и промежуточных (для регулирующей арматуры) положениях затвора, иглы или шибера. Предусматривается также сигнализация включения ручного управления.

Встроенные электроприводы применяют для арматуры, в которой температура протекающей среды не превосходит допустимую температуру для электродвигателя встроенного типа. Встроенные электроприводы поставляют комплектно с арматурой, которая выбирается по параметрам среды и условному проходу.

Колонковые электроприводы устанавливают в случае, когда не может быть установлена арматура с встроенным электроприводом или когда для арматуры с ручным приводом требуется дистанционное или автоматическое управление (в основном для запорной арматуры, имеющей приводную головку). Колонковый электропривод в зависимости от принятой схемы состоит из колонки с размещенным на ней электродвигателем с редуктором, шарнирных узлов, коробок перемены направления, соединительных штанг и, при необходимости, компенсаторов.

Электромагнитные приводы применяют для запорных мембранных вентилей с диаметром условного прохода от 10 до 65 мм, включенных в систему дистанционного электрического управления, установленных на трубопроводах пара, воды, воздуха и нейтральных газов низких параметров.

Преимуществами электромагнитных приводов являются: незначительное количество движущихся частей, большой ресурс, возможность обеспечения высокой частоты включения, небольшие габариты и др. Недостатки: необходимость постоянной подачи энергии для удержания сердечника, возможность использования только тянущего или толкающего усилия, малый ход, ударное воздействие, зависимость усилия от напряжения, шум в приводах переменного тока.

Наиболее часто арматура с электромагнитным приводом применяется в системах управления и сигнализации для целей дренажа, спуска воздуха и т.п.

Гидравлические приводы используются в тех случаях, когда требуются большие усилия для управления арматурой. Их преимущества: плавность хода, малый износ, удобство в эксплуатации. Недостатки: необходимость размещения насосной станции вблизи арматуры, а также зависимость характеристик от параметров окружающей среды.

Пневматические приводы. Достоинством пневматических приводов являются быстрое закрывание и открывание арматуры (время срабатывания составляет от одной до нескольких секунд), невысокая стоимость, незначительное влияние температуры окружающей среды, высокая коррозионная стойкость, простота включения в логические схемы. К недостаткам пневматических поршневых приводов относятся: сложность получения постоянной скорости перемещения шпинделя арматуры и обеспечения медленного движения, трудность поглощения кинетической энергии движущихся частей в конце хода, затруднение при обеспечении синхронизации перемещения шпинделей двух или нескольких вентилей или задвижек, необходимость постоянной очистки воздуха от влаги, масла и абразивных частиц.

Рисунок 36 – Схема компоновки задвижки с колонковым электроприводом.

1-маховик для ручного управления; 2-редуктор; 3-задвижка; 4-шарнирные тяги;
5-электродвигатель; 6-колонка; 7-пусковое устройство с кнопочным управлением.

Основные параметры арматуры

Среда, движущаяся по трубопроводу, называется рабочей средой; среда, используемая в гидро- и пневмоприводах арматуры, называется управляющей средой, а внешняя атмосфера называется окружающей или внешней средой.

Основные параметры арматуры можно разделить на эксплуатационные и конструкционно-монтажные. К эксплуатационным относятся энергетические параметры (давление, температура), пропускная способность, коррозионная стойкость, тип привода, необходимый крутящий момент для управления арматурой, время срабатывания и пр. К конструкционно-монтажным параметрам относятся: условный диаметр прохода, строительная длина, строительная высота, масса, тип присоединения к трубопроводу, число, диаметр и расположение отверстий на присоединительных фланцах, разделка под приварку к трубопроводу и т.п.

Одной из величин, определяющих работу арматуры, является давление рабочей среды, которое подразделяют на условное, рабочее и пробное.

Под условным (номинальным) давлением Р_у понимается наибольшее избыточное рабочее давление при температуре среды 20^оС, при котором обеспечивается длительная работа соединений трубопроводов и арматуры, имеющих определенные размеры, обоснованные расчетом на прочность при выбранных материалах и характеристиках прочности их при температуре 20^о С.

Условное (номинальное) давление арматуры и детали трубопроводов должно соответствовать следующему ряду (до 20 МПа): 0.1; 0.16; 0.25; 0.4; 0.63; 1; 1.6; 2.5; 4; 6.3; 10; 12.5; 16; 20.

Допускается условное давление: 0.6; 6.4; 8 МПа для арматуры и деталей трубопровода.

Под пробным давлением Р_пр следует понимать избыточное давление, при котором должно производиться гидравлическое испытание арматуры и деталей трубопровода на прочность и плотность водой при температуре не менее 5^оС и не более 70^о С, если в нормативной документации не указано конкретное значение этой температуры. Предельное отклонение значения пробного давления не должно превышать ± 5%.

Под рабочим давлением Р_р следует понимать наибольшее избыточное давление, при котором обеспечивается заданный режим эксплуатации арматуры и деталей трубопровода.

При повышении температуры механические свойства конструкционных материалов изменяются. Поэтому для арматуры, работающей при высокой температуре, допустимое рабочее давление ниже, чем условное. Это снижение зависит в основном от прочностных свойств материала деталей арматуры: чем выше рабочая температура, тем ниже мак-симальное рабочее давление при одном и том же условном.

Соотношение условных и наибольших допустимых (в зависимости от температуры) рабочих давлений стандартизировано для трех групп материалов: чугунов (серого и ковкого), бронзы, латуни, стали.

Примеры условных обозначений давлений:

условного давления 4 МПа (40 кгс/см ²).............. Р_у=40

пробного давления 6 МПа (60 кгс/см²)..............Р_пр=60

рабочего давления 25 МПа (250 кгс/см²)

при температуре 803 К (530 ^о С)..............................Р_р=250 t=803 (530)

Под условным диаметром прохода арматуры D_у и трубопроводов понимают номинальный внутренний диаметр присоединяемого трубопровода.

Пример обозначения условного прохода арматуры с номинальным внутренним диаметром трубопровода 100 мм - D_у 100 мм.

Необходимо отличать условный диаметр прохода от диаметра проходного сечения в арматуре. Последний нередко меньше D_у (арматура с сужением прохода) или больше D_у (затворы с кольцевым проходным сечением). Условный проход арматуры не всегда совпадает с фактическим проходным диаметром трубопровода. Так трубопровод с размером Æ 325х26 мм имеет фактический внутренний диаметр (без учета допусков) 293 мм, а условный проход принимают по ближайшему значению стандартной шкалы - 300 мм.

По условным диаметрам прохода можно выделить следующие пять групп арматуры:

· группа сверхмалых размеров - до 5 мм включительно;

· группа малых размеров - от 6 до 40 мм включительно;

· группа средних диаметров прохода - от 50 до 300 мм включительно;

· группа больших диаметров проходов - от 350 до 1400 мм;

· группа сверхбольших диаметров проходов - свыше 1400 мм.

Требования к арматуре АЭС

С помощью трубопроводной арматуры на АЭС осуществляется управление всеми тепловыми процессами, поэтому арматура является важным и ответственным элементом оборудования АЭС. Выход из строя арматуры может повлечь за собой необходимость прекращения работы АЭС или ее отдельных систем, в связи с этим надежность работы арматуры во многом определяет надежность работы АЭС.

На АЭС используется как серийно выпускаемая энергетическая и общепромышленная арматура, обслуживающая турбоустановки, системы химводоподготовки и прочие системы, так и специальная арматура, разработанная для работы в специфических условиях АЭС.

Арматура водяных и паровых магистралей ядерных энергетических установок (ЯЭУ) имеет много общего с арматурой тепловых электростанций (ТЭС). Основное различие заключается в уровне требований к надежности арматуры, ее наружной и внутренней герметичности, чистоте обработки и материалу деталей, соприкасающихся с рабочей средой, т.е. в уровне требований по обеспечению безопасной эксплуатации арматуры ЯЭУ.

Наиболее общими требованиями, предъявляемыми к арматуре являются:

· Герметичность по отношению к внешней среде и герметичность перекрытия затвором разделяемых арматурой участков трубопроводов;

· Рациональный профиль проточной части позволяющий снизить гидравлическое сопротивление;

· прочность и жесткость конструкции, т.е. способность выдерживать без существенных упругих и пластических деформаций, нарушающих нормальную работу изделия, постоянные и кратковременные давления, усилия и крутящие моменты;

· отсутствие застойных зон и полостей, труднодоступных для очистки и промывки;

· обеспечение надежного функционирования после длительного нахождения арматуры в закрытом или открытом положении;

· отсутствие гидравлического удара;

· межремонтный срок службы арматуры должен быть не меньше межремонтного срока службы основного оборудования энергоблока;

· долговечность - способность в течение определенного заранее заданного срока выполнять свои функции с заданной вероятностью до первого отказа либо с допустимой интенсивностью отказов;

· коррозионная стойкость по отношению к рабочей среде;

· циклическая долговечность - способность выполнять с заданной вероятностью заранее заданное число циклов срабатывания до первого отказа;

· обеспечение заданной скорости срабатывания- перекрытия прохода;

· возможность монтажа в требуемом положении;

· простота и удобство управления - возможность управления арматурой вручную с применением установленных усилий и при удобном для оператора положении;

· ремонтопригодность - возможность восстанавливать работоспособность арматуры при минимальных затратах времени, труда и средств.

Дополнительно к этим основным требованиям и в уточнение некоторых из них к арматуре могут предъявляться дополнительные требования, которые имеют разное значение в зависимости от условий ее работы:

· вакуумная плотность;

· эрозионная стойкость материала деталей затвора и седла, а также проточной части корпуса;

· наличие ручного дублирующего привода;

· наличие местного указателя положения затвора у арматуры с ручным местным и дистанционным управлением;

· наличие сигнализаторов крайних положений затвора у арматуры, управляемой дистанционно;

· возможность регулировки продолжительности цикла закрывания или открывания;

· возможность установки затвора в любом промежуточном положении;

· необслуживаемость, т.е. способность арматуры к выполнению своих функций без проведения технического обслуживания, ремонта, регулировки, периодической смазки и т.п. (эксплуатация в необслуживаемых помещениях);

· отсутствие вибрации и минимальный уровень шума;

· отсутствие в конструкционных материалах легирующих элементов, сильно активирующихся под действием нейтронного облучения (например, кобальта);

· дренируемость, т.е. возможность выпуска рабочей среды из полостей арматуры;

· возможность выпуска воздуха при заполнении арматуры рабочей средой;

· возможность дистанционного демонтажа и монтажа арматуры для замены вышедшего из строя изделия;

· возможность промывки и дезактивации соответствующими растворами наружных и внутренних поверхностей конструкции.

"Общие технические требования к арматуре АЭС" (далее в тексте именуются ОТТ-87) распространяются на арматуру[2] Д_у=10 - 1600 мм на рабочее давлениеот0,004МПа(0,04кгс/см²)до 20 МПа (200 кгс/см²), с температурой рабочей среды до 350^о АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК, устанавливаемую на оборудование и трубопроводах, попадающих под действие "Правил устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок" (ПН АЭ Г-7-008-89)[3],а также арматуру вышеуказанных АЭС, к которой предъявляются требования "Правил АЭУ", что указывается в заявке на ее разработку.

Для арматуры с ручным управлением величина усилия на маховике не должна превышать:

· при перемещении запорного устройства - 300 Н;

· при отрыве запорного устройства и дожатии его - 750 Н, за исключением арматуры с маховиком, закрывающейся с ударом.

Вращение маховика по часовой стрелке должно соответствовать закрытию арматуры.

Для арматуры с электроприводом настройка муфты ограничения крутящего момента для обеспечения герметичности в затворе должна соответствовать значению, указанному в ТУ в соответствующей таблице.

Запрещается использовать арматуру в качестве опоры для трубопроводов. Максимальные допустимые нагрузки от трубопроводов отечественного производства указаны в Приложении 4 ОТТ-87.

Арматура должна быть ремонтопригодна без вырезки из трубопроводов до капитального ремонта. Данное требование не распространяется на неразборные конструкции обратных затворов.

В ТУ должны быть приведены чертежи арматуры с приведением габаритных характеристик(включая монтажные размеры),присоединительных размеров, эскизов разделки кромки, типа шва, мест дополнительного крепления к строительным конструкциями допустимых нагрузок на места крепления. Габаритные характеристики арматуры указаны в Приложении7 ОТТ-87.Минимально допустимые длины цилиндрических поверхностей патрубков и предельные отклонения строительных длин должны соответствовать Приложению 8 ОТТ-87.

Для изготовления основных деталей[4] арматуры допускаются материалы, отвечающие требованиям "ПравилАЭУ" и Приложения11 ОТТ-87. Технические условия на материалы, на которые нет ссылки в "Правилах АЭУ", должны быть согласованы в порядке, установленном этими Правилами (п.3.4).

Сварочные материалы, сварные соединения и наплавки используемые при ремонте арматуры должны отвечать требованиям нормативных документов: "Оборудование и трубопроводы АЭУ. Сварка и наплавка. Основные положения" (ПН АЭ Г-7-009-89)[5], "Оборудование и трубопроводы АЭУ. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля." (ПН АЭ Г-7-010-89)[6] и технической документации, в том числе программы контроля качества, согласованной в установленном порядке.

Фланцевые соединения арматуры корпус – крышка выполняются на притирке либо уплотняются с помощью прокладки. Конструкции фланцевого соединения арматуры классов 1 и 2 должны предусматривать возможность дополнительного уплотнения сварным швом в процессе эксплуатации на АЭС для арматуры на расчетное давление более 4,0 МПа, а также на расчетное давление 2,5 МПа и 4,0 МПа, Д_у 400 и выше.

Арматура, кроме неразборных конструкций обратных затворов, относится к классу ремонтируемых, восстанавливаемых изделий, с регламентированным порядком восстановления и назначенной продолжительностью эксплуатации. При эксплуатации допускаются профилактические осмотры и, в случае необходимости, ремонты арматуры (перенабивка сальников, подпитка смазки и т.п.), но не ранее чем через 10000 часов непрерывной работы установки.

Через четыре года(30000 часов работы установки) проводится ревизия арматуры и необходимый ее ремонт в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

Назначенный срок службы (до списания) выемных частей и комплектующих изделий арматуры - 10 лет.

Назначенный срок службы (до списания) корпусных деталей -30 лет.

В комплект поставки арматуры должны входить запасные части в соответствии с ведомостью ЗИПа (запасные части, инструмент и принадлежности), конкретный перечень и объем которых определяется при согласовании ТУ

Задвижки

Задвижки - арматура двухпозиционного действия. Они могут применяться только для включения или отключения трубопроводов. Использование задвижек в качестве регулирующих устройств запрещается.

Управление задвижками осуществляется вручную (при помощи маховика) или дистанционно (электроприводом). Задвижки поставляются как со встроенным: расположенным на самой задвижке электроприводом, так и с дистанционно расположенным (колонковый электропривод). В последнем случае привод с задвижкой соединяется посредством штанги с шарниром.

Устанавливаются задвижки как на горизонтальных, так и на вертикальных трубопроводах. Задвижки со встроенным электроприводом целесообразно устанавливать на горизонтальных участках трубопроводов шпинделем вверх. В местах установки задвижек должен быть обеспечен свободный доступ для их обслуживания и ремонта без вырезки из трубопровода, для монтажа и демонтажа.

Выпускаются задвижки с затворами клинового и параллельного[7] типа. В основном задвижки оснащены затворами клинового типа. Особенностью задвижек данного типа является зависимость усилия прижатия рабочих поверхностей затвора к рабочим поверхностям седел от усилия на приводе.

Соединение корпуса с крышкой в задвижках имеет несколько конструктивных исполнений: фланцевые и бесфланцевые. Уплотнение фланцевых соединений осуществляется при помощи металлических прокладок, бесфланцевых - асбестографитовыми набивками.

Вентили и клапаны.

Задвижки имеют ряд недостатков: наличие сальника как источника возможных протечек, большая высота, усложненные условия обеспечения герметичности запорного органа, в котором диски клина скользят вдоль поверхности уплотнительных колец. Однако при больших диаметрах прохода (D_у ³150 мм) задвижки являются основным приемлемым типом запорной арматуры. Вентили используют при малых условных проходах. Значительное преимущество вентилей - малый ход тарелки, в четыре раза меньший, чем в задвижке, что позволяет использовать сильфоны, обеспечивающие полную герметизацию подвижного соединения шпиндель-крышка. Циклическая долговечность сильфона ограничена, но и задвижки имеют ограниченную надежность по числу циклов срабатывания ввиду нарастающей во времени вероятности задирания уплотнительных колец. Герметичность запорного вентиля обеспечивается более надежно, ремонт производится проще и быстрее, но очистка и промывка проходных вентилей затруднены.

Запорные вентили используют в основном на вспомогательных линиях.

Отличительными особенностями сильфонных вентилей высокого давления являются: применение многослойных сильфонов, разделение шпинделя на две части - цилиндрическую и резьбовую, применение беспрокладочного соединения крышки с корпусом, использование упорных подшипников в узле ходовой гайки, сварное присоединение к трубопроводу.

Разделение шпинделя на две части дает возможность изготовить резьбовую часть из высокопрочной легированной стали, а нижнюю, находящуюся в зоне высоких температур, - из аустенитной стали.

Рисунок 37 – Задвижки Ду 100,150,200,300,400,500,600 серий 895,932,933,1050 и 1051.

1-корпус; 2-седло; 3-узел затвора; 4-шпиндель; 5-крышка; 6-узел уплотнения «корпус-крышка»; 7-узел уплотнения шпинделя; 8-ходовой узел шпинделя; 9-привод.

Управлять вентилями можно вручную с помощью маховика, встроенного электропривода и дистанционного привода.