Дисковые поворотные затворы
Дисковые поворотные затворы (английское «butterfly valve» и французское уаnnе рарillоn» - в переводе означают «мотыльковые клапаны») - один из наиболее прогрессивных видов арматуры. Их стали широко применять в последнее десятилетие.
Запорный элемент арматуры - диск диаметром, приблизительно равным внутреннему диаметру трубопровода. Затвор открывается и закрывается вращением диска вокруг оси, перпендикулярной (или почти перпендикулярной) оси трубопровода. Проточная часть корпуса затвора по форме близка к отрезку трубопровода.
Благодаря простой геометрической форме корпуса и запорного элемента дисковые поворотные затворы просты по конструкции и невелики по габаритным размерам. В центральной части корпуса дискового затвора расположены подшипники вала, на котором вращается диск. Диск в открытом положении размещается в центральной и периферийной частях корпуса, причем в качестве последней может быть использован трубопровод. Это позволяет выполнять дисковые затворы с очень малыми строительными длинами (наименьшими среди всех видов арматуры).
Запорный элемент (диск) затвора размещают по диаметру внутри проходной части трубопровода (благодаря этому высота - затворов также минимальна). Диск имеет небольшие площадь и толщину, что обеспечивает легкость затворов и их низкую металлоемкость. Дисковые поворотные затворы позволяют соединить в одной конструкции две основные функции трубопроводной арматуры - регулирование и полное перекрытие (запирание) потока, что обусловливает экономичность их использования. Отличие дисковых затворов от подобных им по конструкции дроссельных (регулирующих) заслонок (регулирующих дисковых клапанов), применяющихся уже многие десятилетия, состоит в том, что затворы обеспечивают герметичность в закрытом положении. Это отличие является принципиальным, так как именно герметизация в закрытом положении - наиболее сложная конструктивная проблема для арматуры данного типа.
Дисковые поворотные затворы - один из наиболее старых видов арматуры. Однако, несмотря на их максимальную простоту, наименьшие по сравнению с другими типами арматуры габаритные размеры и массу, дисковые затворы ранее были мало распространены. Это объясняется трудностью создания и обеспечения на достаточно длительный срок их надежной герметичности.
Ранее не существовало материалов, которые удовлетворяли бы требованиям, предъявляемым к эластичным седлам дисковых затворов, - сохранение формы и упругих свойств в течение длительного времени при вдавливании в них кромки диска после многих тысяч циклов срабатывания, а также теплостойкость и химическая стойкость. В последние годы благодаря синтетическим резинам (эластомерам) эта проблема решена. В связи с этим была проведена большая работа по совершенствованию дисковых затворов.
Затворы общепромышленного применения обычно имеют упругое уплотнительное кольцо или седло, устанавливаемое в корпусе (кольцо может быть на диске), либо резиновую рубашку в корпусе. Характеристики синтетических резин, используемых для уплотнений, пока еще ограничивают область применения дисковых затворов. Самое нежелательное для дисковых затворов свойство резин - набухание в рабочей среде, что увеличивает крутящий момент при открывании и закрывании затвора и приводит к преждевременному выходу уплотнения из строя.
Для работоспособности затвора важное значение имеет профиль диска, особенно точность размеров и качество отделки взаимодействующих поверхностей диска и седла.
Основные преимущества дисковых затворов по сравнению с другими типами запорной арматуры (задвижками, вентилями и кранами) - простота конструкции, малые габаритные размеры и масса - дают тем больший эффект, чем больше условный проход арматуры. Поэтому дисковые затворы уже давно используют в качестве запорной арматуры в водоводах турбин гидростанций, где диаметры проходного сечения порядка 3-5 м делают практически неприменимой арматуру других типов.
Область применения дисковых затворов до начала 60-х годов ограничивалась в основном водоводами и воздуховодами средних и больших проходов (начиная от 400-600 мм и до нескольких метров). Это объясняется тем, что небольшие протечки воды и воздуха, возможные при недостаточно надежном уплотнении затвора, обычно не опасны. Область применения дисковых затворов сужена по сравнению с другими типами запорной арматуры из-за того, что их конструкция плохо приспособлена для работы при средних и высоких давлениях рабочей среды. Причины заключаются в следующем. Во-первых, трудность герметизации прохода при значительных перепадах давления на затворе вследствие невозможности (или большой конструктивной сложности) использования эффекта самоуплотнения под действием рабочего давления. У дисковых затворов принципиальная сложность герметизации связана с тем, что запорный элемент вращается (как у кранов), так что основное рабочее перемещение запорного элемента нельзя использовать для герметизации. В то же время запорный элемент не может свободно перемещаться вдоль оси трубопровода. Поступательное перемещение («плавание») под нагрузкой от рабочей среды диска или седла вдоль оси трубопровода в дисковых затворах (в отличие от кранов) очень трудно осуществить в конструкции. Для этого нужен специальный механизм, не связанный с механизмом поворота диска. Применение такого механизма значительно усложняет и удорожает конструкцию, поэтому такие конструкции почти не применяют.
Усложнение герметизации дисковых затворов при повышенных рабочих давлениях связано с низкой прочностью и, особенно, малой жесткостью диска. Последний представляет собой плиту с опорой посередине и длинными консолями (в отличие, например, от запорного элемента задвижки, который представляет собой ту же плиту, но с опорой по периферии, без консолей, что повышает ее прочность и жесткость). Для повышения прочности и жесткости диска его выполняют толстым (при больших диаметрах - полым с внутренними ребрами) или двойным (с промежуточными ребрами). Однако большое увеличение толщины диска увеличивает его массу и снижает пропускную способность затвора. Малая жесткость краев диска, наиболее удаленных от ступицы вала, приводит к неравномерной деформации периферии диска и расположенной на ней уплотнительной поверхности, что отрицательно сказывается на герметичности затвора.
Указанные конструктивные особенности дисковых затворов в большинстве случаев указывают на необходимость достижения их герметизации не прижатием диска к торцовой поверхности седла (как в вентилях, задвижках и шаровых кранах), а созданием натяга между диском и седлом в радиальном направлении. В зависимости от размещения упругого элемента, создающего необходимый для герметизации натяг, выделяются два основных типа дисковых затворов - с эластичными уплотнениями на диске и в корпусе. Кроме того, когда не требуется высокая герметичность, применяют затворы с уплотнением «металл по металлу».
Задача герметизации затворов осложняется также тем, что в дисковых затворах простейшей формы (с соосным расположением диска и вала) цапфы, на которых вращается диск, пересекают периферию диска и, следовательно, уплотнительную поверхность, нарушая целостность последней. Поэтому во многих конструкциях диск (и уплотнительную поверхность) располагают эксцентрично относительно цапф вала или наклоняют ось вала по отношению к оси диска. Это, в свою очередь, усложняет конструкцию затвора, а в тех случаях, когда ось вала наклонена к оси трубопровода - и технологию обработки корпуса затвора и самого диска. При размещении уплотнения на диске оно подвергается сильному динамическому воздействию турбулентного потока рабочей среды, приводящему часто к преждевременному разрушению уплотнения. Чтобы защитить уплотнение в открытом положении затвора, в затворах большого диаметра (в гидросистемах) иногда применяют обтекатели, усложняющие конструкцию затвора, увеличивающие его массу и габаритные размеры.
При размещении эластичного уплотнения в корпусе (в виде седла или сплошной футеровки), края диска вдавливаются в седло. Последнее должно работать в условиях высоких местных напряжений и сохранять при этом свою форму и упругость в течение длительного времени независимо от положения затвора (открытого или закрытого).
Большое значение для работы дискового затвора имеет конструкция подшипников, которые воспринимают значительные усилия от давления рабочей среды на диск. Подшипники должны быть гарантированы от заедания, и трение в них должно быть небольшим. Подшипники часто изготовляют из пористой бронзы, пропитанной графитом (что устраняет необходимость их смазки), из политетрафторэтилена с наполнителями. Для малых условных проходов (Dу до 150 мм) применяют покрытие металлических подшипников политетрафторэтиленом. Применяют также подшипники качения (игольчатые или шариковые). На цапфы вала иногда наносят антифрикционное покрытие на основе дисульфида молибдена.
Для особых условий работы затворы могут иметь сальники с удлиненной горловиной (для затворов, снабжаемых теплоизоляцией), с ребристой горловиной (обеспечивающей их охлаждение при высокой температуре рабочей среды), с подачей смазки или нейтральной среды в набивочную камеру для лучшей герметизации затвора по отношению к окружающей среде.
Характерная особенность дисковых затворов — возникновение в открытом положении гидродинамического момента на валу, стремящегося закрыть затвор. Для уменьшения этого момента применяют специальную профилировку диска различного вида, создающую добавочные реактивные силы, частично уравновешивающие гидродинамический момент на валу затвора.
Указанные выше недостатки дисковых затворов тормозили их широкое внедрение в промышленность. Однако в настоящее время все эти проблемы в основном разрешены. Благодаря невысокой стоимости, небольшим массе и габаритным размерам дисковые затворы успешно применяют как на неагрессивных, так и на агрессивных средах: в нефтяной, нефтехимической и химической промышленности (в частности, в производстве удобрений и инсектицидов); в коммунальных газораспределительных системах, а также в системах водоснабжения и канализации; в противопожарных системах; в авиации; в вакуумных системах; в судостроении; в системах кондиционирования воздуха; в пищевой промышленности; на установках пневмотранспорта сыпучих материалов; в бумажной промышленности; на трубопроводах морской воды и рассолов; в горнообогатительной промышленности и промышленности строительных материалов; в сахарной промышленности; в текстильной промышленности; в гидротехнике и мелиорации; в системах промышленного водоснабжения и сточных вод и т.д.
Дисковые затворы можно классифицировать по следующим признакам.
По конструкции и расположению уплотнений различают затворы с металлическим уплотнением, с эластичными уплотнениями на диске и в корпусе. Последние в свою очередь могут быть с эластичным уплотнительным кольцом, эластичным седлом и эластичной рубашкой в корпусе.
По расположению вала и диска затворы могут быть с соосным расположением вала и диска, с наклонным диском и наклонным валом.
По типу присоединения к трубопроводу затворы разделяют на фланцевые и бесфланцевые (так называемой «вафельной» конструкции). Другие типы присоединений в дисковых затворах применяются редко.
Привод дисковых затворов бывает ручной, с механическим редуктором, пневматический, гидравлический и электрический. Диск в затворах может быть одностворчатый (обычно) и многостворчатый (как правило, с двумя створками).
Основные параметры металлических дисковых поворотных затворов регламентированы ГОСТ 12521-67 (табл. 13.21): условное давление до 16 кгс/см2; условный проход до 2000 мм для жидких и газообразных неагрессивных сред; температура до 80 0С.
Затворы дисковые с мягким уплотнителем широко применяются в различных отраслях промышленности, как для двунаправленного, так и для регулирующего использования. По сравнению с традиционными задвижками и шаровыми кранами, затворы легче по весу и рентабельнее по изготовлению. Затворы с пружинным уплотнителем используются не только для водопроводов, но и для перерабатывающей промышленности.
Затворы дисковые серии Т (рис. 13.29.) с их компактной конструкцией надежны, не нуждаются в обваловании и эффективны в использовании. Применение новых эластомерных материалов обеспечивает уплотнение по классу А, отсутствие утечек и коррозионную устойчивость. Уплотнитель сконструирован с поддерживающим кольцом, которое предотвращает смещение и обеспечивает легкую переустановку.
Рис. 13.29. Затвор дисковый серии Т с мягким уплотнителем
Затворы дисковые серии ТС с металлическим уплотнителем (рис. 13.30.) применяются в значительно большем диапазоне давлений и температур, чем затворы серии Т. Серия ТС обеспечивает малое значение рабочего крутящего момента и может заменить обычные клиновые задвижки и шаровые краны.
В конструкции затворов серии ТС реализовано уплотнение металл-по металлу, что подразумевает отсутствие протечек. Так как в данной конструкции затворов не используются мягкие уплотнители, затворы серии ТС действительно пожаробезопасны и могут полностью исключить традиционную проблему обычных затворов с эластомерными уплотнителями – протечку, возникающую вследствие износа уплотнения. Широкий выбор материалов корпуса позволяет использовать эту серию затворов не только как запорную, но и как регулирующую арматуру.
Рис. 13.30. Затвор дисковый серии ТС с металлическим уплотнителем