ТРУБОПРОВОДНЫЙ ЗАТВОР
PIPELINE GATE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Техническое решение относится к области трубопроводной запорной арматуры (шиберные, клиновые, шаровые затворы) и может быть использовано в трубопроводах, предназначенных для перекрытия и регулирования различных жидких и газообразных потоков, в т.ч. и содержащих твердые частицы с давлениями, преимущественно, выше 10 МПа.
В затворах открытие или закрытие осуществляется путем перемещения запорного органа (шибера, клина или шара) относительно седел, прижатых к нему и обеспечивающих герметичность в затворе. Усилие прижима в затворе создается конструктивно за счет уплотнительного блока, включающего упругие элементы. В закрытом состоянии давление технологической среды дополнительно прижимает запорный орган к седлу, увеличивая усилие прижима и силу трения в затворе. Увеличение силы трения приводит к росту усилия, необходимого для открытия затвора, постепенному износу трущихся поверхностей, нарушению герметичности и выходу из строя затвора. При размере проходного сечения более 20 мм и перепаде давления на противоположных сторонах более 10 МПа на запорный орган затвора действует такое усилие, что его трудно или даже невозможно открыть из-за больших сил трения в уплотнении, приводящее к ускоренному износу трущихся поверхностей или их поломке.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны конструкции и способы, предусматривающие использование в седлах уплотнений из полимерных материалов, например, тефлона, обладающего низким коэффициентом трения (около 0,05) относительно металлических материалов. Однако такие уплотнения при давлениях выше 10 МПа быстро теряют работоспособность из-за низкого предела текучести, не превышающего 20 МПа и ползучести материала.
Известны способы, где на трущиеся поверхности рабочих органов затвора наносят твердые металлические покрытия, например, хром, никель и т.д. и керамику, например, нитриды титана, хрома или алюминия и т.д. с последующей полировкой, обеспечивающие некоторое снижение коэффициента трения, полностью не приводящее к желаемому результату.
Известна шиберная задвижка [RU 2538993, 2015]. Шибер состоит из двух наружных и одной внутренней стенки, жестко соединенных штифтами. Внутренняя стенка имеет окно, в котором расположен разгрузочный шибер, имеющий возможность перемещаться приводом на некоторое расстояние в вертикальном направлении внутри окна и далее увлекать с собой и весь шибер. Уплотнение сочленений обеспечивается тефлоновыми пластинами. В стенках шибера и разгрузочном шибере имеются разгрузочные каналы в виде отверстий, которые могут, как совмещаться, так и перекрываться стенками указанных элементов. При открытии задвижки сначала на величину зазора поднимается вверх разгрузочный шибер, отверстия совмещаются между собой в результате чего образуется разгрузочный канал, через который технологическая среда из нагнетающей стороны перетекает, в нагнетаемую сторону задвижки, давления на входе и выходе выравниваются, усилия на приводе затвора уменьшаются и задвижка полностью открывается. Привод снабжен разгрузочными окнами, с которыми разгрузочный шибер имеет подвижный контакт с плотной посадкой.
Недостатками устройства является сложность конструкции, необходимость прецизионного выполнения всех элементов и ограничение давления технологической среды из-за использования тефлона в уплотняющих пластинах, имеющего низкий предел текучести. Кроме того, такая задвижка может работать только в технологических средах, не содержащих твердых частиц, т.к. управляющие каналы постепенно забиваются и не обеспечивают надежность затвора.
Известен шаровой затвор [RU 2005243, 1993], в котором от входного патрубка отходит обводной канал с вентилем, соединяющийся через выходное седло с выходным патрубком. Перед поворотом шара открывают вентиль и выравнивают давление между входным и выходными патрубками, уменьшая усилия на привод и износ трущихся поверхностей затвора. Известен также шаровой затвор, в котором обводной канал управляется нажатием рычага приводного вала [RU 2031294, 1995]. В отверстии приводного вала расположен шток, управляющий открытием-закрытием клапана и сообщением входного и выходного патрубков затвора. Перед поворотом шара рычаг приводного вала сначала нажимает на шток и только после перепуска технологической среды и уравновешивания давления поворачивает шар для открытия затвора. Недостатком таких шаровых затворов является ненадежность работы с технологическими средами, содержащими твердые частицы.
Известны шаровые затворы [SU 1639437, 1991; RU 17602224, 1992; RU 2011087, 1994], в котором также решается задача выравнивания давлений во входном и выходном патрубках с помощью очень сложной системы управляющих и исполнительных пневмо- и гидроприводов, магнитов, мембран, рычагов, золотников, и т.д., что не может обеспечить надежную работу затвора, тем более, в производственных условиях.
Известны шаровые краны с выдвижным штоком [компании CAMERON, https://www.products.slb.com/valves и CALVARY Valve, http://calvaryvalve.com], в которых перед поворотом шаровой полуклиновый запорный орган отводится от седел, что обеспечивает низкий крутящий момент на штоке. Недостатком таких затворов является быстрый износ механизма отвода и поворота шарового запорного органа и потеря герметичности из-за высоких контактных напряжений. При давлениях технологической среды более 10 МПа такие шаровые краны неработоспособны из-за повышенного износа и опасности поломки элементов затвора и сочленений.
Известен шиберный затвор, который содержит корпус с входным и выходным патрубками и двумя седлами с подвижными элементами, между которыми расположен запорный орган в виде шаровой пробки или шибера, оснащенные приводом для перемещения [RU 2355933, 2009]. Седла жестко закреплены в корпусе. Подвижные элементы седел расположены с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси корпуса арматуры и снабжены кольцевыми цилиндрами, которые связаны с размещенными в корпусе арматуры цилиндрами-мультипликаторами, управляемыми индивидуальными приводами. Боковая стенка каждого кольцевого цилиндра выполнена в виде двух сильфонов разного диаметра, расположенных концентрично относительно продольной оси корпуса арматуры. Стенки каждого мультипликатора выполнены в виде оболочек, имеющих форму гофр. Внутренние полости кольцевых цилиндров и соответствующих мультипликаторов соединены между собой трубкой и образуют герметичные полости, которые заполнены жидкостью, не изменяющей свои свойства в условиях эксплуатации. Устройство позволяет управлять усилием прижима седел к запорному органу и обеспечивать герметичность в затворе.
Недостатки затвора:
- принципиальная невозможность значительного снижения силы трения и износа в затворе из-за наличия давления технологической среды, прижимающего запорный орган к седлу; увеличение давления технологической среды и габаритов затвора ситуацию осложняют;
- повышение давления технологической среды требует увеличения толщины стенки, жесткости сильфонов и оболочек, что также увеличивает усилия прижима седел к запорному органу и значительно усложняет конструкцию.
Известны конструкции трубопроводных затворов, в которых между запорным органом и седлами предварительно размещается или в зазор между ними периодически в процессе эксплуатации нагнетателем подается смазочная жидкость, снижающая коэффициент трения и усилия открытия затвора [например, RU 2059137, 1996].
Недостатки таких затворов:
- выдавливание смазочной жидкости из зазора между запорным органом и седлом в полость затвора силой прижима запорного органа к седлу, создаваемого давлением технологической среды, невысокая эффективность, особенно при давлениях более 10 МПа, из-за отсутствия герметичного замкнутого пространства, обладающего достаточной жесткостью;
- невысокие давления и сложности подачи смазочной жидкости нагнетателем перед каждым открытием затвора в зазор между запорным органом и седлом.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей изобретения является трубопроводный затвор (шиберный, клиновый или шаровой), лишенный указанных недостатков, обеспечивающий герметичность и многократное снижение усилий открытия при любых характеристиках (давление, составу т.д.) и направлений технологической среды.
Для решения технической задачи предлагается трубопроводный затвор, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, запорный орган (шибер, клин или шар), два седла, примыкающие к запорному органу с проходными каналами, седла через упругие уплотнительные кольца контактируют с корпусом, привод запорного органа, смазочную жидкость между запорным органом и седлами, штуцер для подачи смазочной жидкости, нагнетатель смазочной жидкости, отличающийся тем, что седло на поверхности, контактирующей с запорным органом, имеет кольцевую канавку, канал, идущий от кольцевой канавки к наружной поверхности седла, трубопроводный затвор содержит трубку, расположенную внутри корпуса затвора, при этом седло, трубка, штуцер, нагнетатель жестко соединены, а полость, ограниченная запорным органом, кольцевой канавкой, каналом в седле, трубкой, штуцером и нагнетателем образует герметичное замкнутое пространство, заполненное смазочной жидкостью с постоянными свойствами при эксплуатации, причем, конструкция трубки позволяет торцу, примыкающему к седлу, свободно перемещаться с седлом.
Глубина кольцевой канавки находится в пределах 0,05-1,0 мм.
2
2
Площадь кольцевой канавки, примыкающей к запорному органу, определяется по формуле Sкк = (0,5-1,0) ⋅ (Sпатр. ⋅ Ртс)/Рсж [м], где Sпатр. - площадь внутреннего диаметра патрубка (площадь, на которую действует технологическая среда), м; Ртс - давление технологической среды, МПа; Рсж - давление смазочной жидкости, МПа.
Седло на поверхности, контактирующей с запорным органом, имеет вторую кольцевую канавку, выполненную концентрично первой.
Запорный орган (шибер, клин или шар) и седла изготовлены из инфильтрованного керамико-металлического материала на основе карбида титана со связками из никелевых сплавов или сталей с твердостью HRC в пределах 45-70 единиц по патенту RU 2525965 С2, 2014.
Нагнетатель обеспечивает давление в пределах 1,5-5,0 от величины давления технологической среды во входном патрубке.
Перед выходом канала в кольцевую канавку установлен обратный клапан.
Трубка выполнена из хромоникелевой нержавеющей стали, с содержанием хрома в пределах 9-20% и никеля в пределах 8-12%.
Трубка выполнена однослойной.
Трубка выполнена многослойной.
Трубка с седлом соединена неразъемно.
Трубка с седлом и штуцером соединена разъемно.
Соединение нагнетателя со штуцером является байонетным.
Нагнетатель имеет ручной привод.
Нагнетатель является составной частью трубопроводного затвора.
Второе седло трубопроводного затвора дополнительно оснащено узлом снижения усилий при изменении направления потока технологической среды.
В качестве смазочной жидкости использованы масляные теплоносители NeoSK-OIL170 с температурой эксплуатации от (-80) до (+250)°С или Термолан Н200 с температурой эксплуатации от (-20) до (+330)°С или их аналоги.
В открытых источниках информация по заявленной конструкции трубопроводного затвора (шиберного, клинового или шарового) не обнаружена.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность предложенного технического решения поясняется фигурами:
Фиг. 1 - Схема шиберного затвора - вариант.
Фиг. 2 - Вид А на фиг. 1 (увеличено).
Фиг. 3 - Схема шарового затвора - вариант.
Фиг. 4 - Вид А на фиг. 3 (увеличено).
1 - Запорный орган (шибер); 2 - Седло; 3 - Кольцевая канавка; 4 - Трубка; 5 - Штуцер; 6 - смазочная жидкость; 7 - Корпус; 8 - Нагнетатель; 9 - Уплотнение; 10 - Привод затвора; 11 - канал; 12 - Обратный клапан; 13 - Первый слой трубки; 14 - Второй слой трубки; 15 - Вторая кольцевая канавка.
d - средний диаметр кольцевой канавки; h - глубина кольцевой канавки; b - ширина кольцевой канавки; δ - величина перемещения седла и торца трубки.
Вид Б на фиг. 1 и фиг. 3 - дополнительный узел снижения усилий привода запорного органа.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Шиберный затвор (фиг. 1) состоит из запорного органа (1), седла (2) с кольцевой канавкой (3), трубки (4), штуцера (5), смазочной жидкости (6), корпуса (7), нагнетателя (8), уплотнения (9), привода затвора (10). Седло (фиг.2) содержит канал (11), идущий от кольцевой канавки к наружной поверхности седла.
В канале седла установлен обратный клапан (12), не позволяющий смазочной жидкости вытечь из канала в седле при отсутствии давления в нагнетателе (8), а с выходом канала жестко соединена двухслойная трубка, имеющая внутренний (13) и наружный слои (14). Внутренний и наружный слои трубки в торцевой зоне соединены неразъемно, например, твердым медно-серебряным припоем. Внутри трубки постоянно присутствует смазочная жидкость (6).
В качестве смазочной жидкости можно использовать масляные теплоносители NeoSK-OIL170 с температурой эксплуатации от (-80) до (+250)°С или Термолан Н200 с температурой эксплуатации от (-20) до (+330)°С или их аналоги.
Работает шиберный затвор следующим образом.
Поток технологической среды движется, например, слева направо (фиг. 1). В этом случае (при исключении незначительного влияния вязкости смазочной жидкости и жесткости сопрягаемых элементов) давление технологической среды прижимает запорный орган (1) к правому седлу (2) с усилием прижима, равным Ft = Pt ⋅ St, [МН],
где Pt - давление технологической среды, МПа;
2
St - площадь действия технологической среды на запорный орган, м.
Для открытия шиберного затвора включается привод запорного органа и прикладывается определенное усилие, направленное на открытие затвора. После этого смазочная жидкость одним или несколькими движениями рукоятки ручного нагнетателя (8) под давлением до 300 МПа через штуцер (6), трубку (4) и канал в седле (11) нагнетается в полость кольцевой канавки (3). При этом создается усилие открытия (Fo), которое стремится отодвинуть шибер от седла, равное Fo = Sкк ⋅ Рсж, где Sкк - площадь кольцевой канавки (Sкк = b ⋅ 3,14 ⋅ d), Рсж - давление смазочной жидкости. При этом преодолевается усилие прижима шибера к седлу и образуется зазор между шибером и седлом, куда проникает пленка смазочной жидкости и коэффициент трения между ними уменьшается, как и усилие, требуемое для привода запорного органа, практически, до 10 раз. После этого шиберный запорный орган перемещается и затвор открывается.
При этом в большинстве случаях для значительного снижения требуемых усилий открытия трубопроводного затвора достаточно нагнетание пленки смазочной жидкости не на всей, а на небольшой площади контактной поверхности запорного органа.
Второе седло трубопроводного затвора может быть дополнительно оснащено узлом снижения усилий привода запорного органа в том случае, если направление потока технологической среды периодически изменяется на противоположное (фиг. 1, вид «Б», изображен штриховыми линиями).
Смазочная жидкость требуется только для заполнения кольцевой канавки в седле и создания масляной пленки между элементами при каждом открытии трубопроводного затвора. Например, для затвора с условным проходом 50 мм объем необходимой смазочной жидкости составит:
3
Vcж=Vп+Vк+Vпот. [см], где
2
3
Vп - объем требуемой масляной пленки, он равен произведению контактной площади седла и толщины пленки, т.е. = 28,26 см  (3,14 ⋅ 6 см ⋅ 1,5 см) ⋅ 0,01 см = 0,2826 см.
2
3
Vк - объем канала в седле при диаметре 0,3 см и длине 2,5 см равен: 3,14 ⋅ (0,3см/4) ⋅ 2,5 см = 0,1766 см.
Vпот. - объем потерь, который примем равным 100% от суммы Vп + Vк: (0,2826+0,1766) ⋅ 1=0,625.
Тогда расход смазочной жидкости за один цикл открытия затвора:
3
Vcж = 0,2826+0,1766+0,625=1,25 см или, ориентировочно, 1,25 мл.
Для 1000 циклов открытий трубопроводного затвора расход смазочной жидкости составит 1,25 ⋅ 1000=1,25 л.
Минимальная глубина кольцевой канавки 0,05 мм выбрана исходя из вязкости широко используемых масляных теплоносителей при температурах до минус 40 и возможности их нагнетания в кольцевую канавку, а глубина более 1,0 мм нецелесообразна, т.к. требует повышенного расхода смазочной жидкости.
Площадь кольцевой канавки, примыкающей к запорному органу, определяем по формуле:
2
Sкк = k ⋅ (Sпатр. ⋅ Ртс)/Рсж [м],
где k = 0,5-1,0 - безразмерный коэффициент, учитывающий конструктивные особенности трубопроводного затвора;
2
Sпатр. - площадь внутреннего диаметра патрубка, на которую действует технологическая среда, м;
Ртс - давление технологической среды, МПа;
Рсж - давление смазочной жидкости, МПа.
2
2
2
2
Например, при DN = 50 мм, Sпатр. = 3,14 ⋅ 0,05/4 = 0,00196 м, Ртc = 100 МПа, Рсж = 200МПа, Sкк = (0,5-1,0) ⋅ (0,000196 ⋅ 100/200) = (0,5-1,0) ⋅ 0,000982 м или (0,5-1,0) ⋅ 9,82 см.
2
2
При коэффициенте k = 0,5, Sкк = 0,5 ⋅ 9,82 см = 4,91 см.
При среднем диаметре кольцевой канавки 60 мм получаем ширину кольцевой канавки b = 2,6 мм.
В этом случае создается усилие, направленное на разъединение правого седла и шибера, составляющее 50% от усилия, необходимого для полного разъединения. Из-за некоторой несимметричности кольцевой канавки относительно внутреннего диаметра патрубка разъединение происходит только на одной половине седла.
При полном разъединении за счет создания непрерывной масляной пленки коэффициент трения между запорным органом и седлом и, соответственно, усилия на привод, снижаются, ориентировочно, в 10 раз, а при 50%-ном разъединении снижение усилий на привод составит, ориентировочно, в 5 раз.
При коэффициенте k = 1,0 ширина кольцевой канавки b = 5,2 мм.
В этом случае создается усилие, необходимое для полного разъединения по всей поверхности правого седла и шибера.
Рекомендуется, для повышения надежности узла снижения усилий привода, седло на поверхности, контактирующей с запорным органом, дополнить второй кольцевой канавкой (15), выполненной концентрично первой (фиг. 2). В исходном состоянии трубопроводный затвор оснащается хорошо прилегающими друг к другу элементами запорного органа, обеспечивающими герметичность и отсутствие течи. При этом узел снижения усилий привода работает со 100%-ной эффективностью. При отсутствии твердых абразивных частиц в технологической среде износ элементов запорного органа за счет трения маловероятен вследствие наличия между ними масляной пленки рабочей жидкости. При наличии же твердых частиц может происходить износ элементов запорного органа и нарушение герметичности в затворе. В этом случае, вторая кольцевая канавка становится «накопителем» частиц, резко снижает износ и вероятность нарушения герметичности. Кроме того, наличие второй кольцевой канавки облегчает процесс притирки элементов затвора друг к другу при изготовлении и эксплуатации. Незначительная герметичность в затворе приведет к такому же снижению эффективности работы узла снижения усилий привода, а при значительной потере герметичности теряется смысл использования трубопроводного затвора.
Рекомендуется запорный орган (шибер, клин или шар) и седла изготовить из инфильтрованного керамико-металлического материала на основе карбида титана со связками из никелевых сплавов или сталей с твердостью HRC в пределах 45-70 единиц по патенту RU 2525965 С2, 2014. При действии технологической среды, содержащей твердые абразивные частицы с размерами более 0,1 мм и давлениями более 10 МПа, а также частых циклах «открытие-закрытие» затвора, может происходить его интенсивный износ со значительной потерей герметичности и снижением эффективности работы узла снижения усилий в приводе. Использование в запорном органе высокотвердого и износостойкого материала позволяет значительно снизить износ при наличии узла снижения усилий привода, достигнуть и более высокого синергетического эффекта по показателям надежности, долговечности и ресурса. При твердости менее 45 HRC эффект незначителен, а при твердости более 70 HRC снижается стойкость кермета против термоударов, ограничивающая область использования трубопроводного затвора.
Рекомендуется выбрать нагнетатель, обеспечивающий давление рабочей жидкости в пределах 1,5-5,0 от величины давления технологической среды во входном патрубке. При давлениях рабочей жидкости 1,5 от величины давления технологической среды увеличиваются габариты седла, а при давлениях выше 5,0 отсутствует практическая необходимость и неоправданно увеличивается стоимость нагнетателя.
Рекомендуется перед выходом канала в кольцевую канавку седла установить обратный клапан, для исключения вытекания смазочной жидкости из полости трубки при отсутствии в ней давления нагнетателя и попадания воздуха в замкнутую полость. Кроме того, обратный клапан препятствует попаданию технологический среды в полость узла снижения усилий привода.
Рекомендуется трубку выполнить из хромоникелевой нержавеющей стали с содержанием хрома 9-20%, никеля 8-12%, например, марки 12Х18Н10Т. Такие стали хорошо поддаются пластической деформации, могут использоваться в химически агрессивных средах при температурах до 600°С при приложении значительных механических нагрузок.
Рекомендуется трубку выполнить однослойной при относительно небольших перемещениях седла в процессе работы.
Рекомендуется трубку выполнить двухслойной или многослойной при увеличении перемещения седла с соответствующим уменьшением толщины каждого слоя при сохранении общей толщины стенки. Уменьшение толщины при одной и той же длине трубки пропорционально увеличивает диапазон перемещений для упругой деформации, надежность и долговечность трубки. В этом случае, составная многослойная трубка выполняется путем плотной вставки одной трубки в другую с последующей пайкой твердыми припоями или сваркой концевых участков для обеспечения одновременного несения механической нагрузки, вызванное давлением нагнетаемой смазочной жидкости.
Рекомендуется трубку с седлом соединять неразъемно, например, пайкой твердыми припоями для уменьшения габаритов зоны соединения при условии возможности монтажа затвора. При этом повышается надежность соединения, а монтаж седла с трубкой в затворе упрощается.
Рекомендуется трубку с седлом соединять разъемно, например, на резьбе для случаев необходимости разборки, как для обеспечения качества соединяемых элементов, так и в процессе работы. При этом незначительно увеличиваются габариты зоны соединения.
Рекомендуется соединение нагнетателя со штуцером выполнить байонетным, т.к. в этом случае один и тот же нагнетатель может быть использован для группы трубопроводных затворов за счет оперативности монтажа и демонтажа.
Рекомендуется нагнетатель использовать с ручным приводом для упрощения конструкции, т.к. для разъединения запорного органа и седла достаточен незначительный объем смазочной жидкости, подаваемой 1-2-мя движениями рукоятки нагнетателя. Нагнетателем может служить, например, ручной насос GHE-HP2800-1980 (на давления до 280 МПа), упрощенный и адаптированный для трубопроводного затвора. При этом отпадает необходимость в дорогостоящих механизированных нагнетательных устройствах.
Рекомендуется нагнетатель выполнить как составную часть трубопроводного затвора, в особенности при его больших габаритах, когда стоимость нагнетателя незначительна относительно стоимости затвора.
Рекомендуется второе седло трубопроводного затвора дополнительно оснастить узлом снижения усилий привода при периодическом изменении направлений технологической среды. В этом случае, левый и правый узлы снижения усилий привода включается в работу по мере необходимости.
Рекомендуется в качестве смазочной жидкости использовать масляные теплоносители NeoSK-OIL170 с температурой эксплуатации от (-80) до (+250)°С или Термолан Н200 с температурой эксплуатации от (-20) до (+330)°С в зависимости от температуры технологической и окружающей сред или их аналоги.
Предложенные марки смазочной жидкости доступны и не дорогостоящи.
По мере расхода смазочная жидкость подлежит периодическому восполнению.
Удаленность расположения узла снижения силы трения от технологической среды при минимальном расходе смазочной жидкости обеспечивают возможность работы затвора при температурах технологической среды до 600°С и выше.
На фиг. 3 представлен вариант исполнения шарового крана, оснащенного узлом снижения усилий привода шарового затвора согласно заявленному изобретению, а на фиг. 4 - тот же узел снижения усилий в увеличенном виде.
На представленных фигурах приведены известные и проверенные практикой конструктивные исполнения соединений седла, трубки, штуцеров и нагнетателя для шиберного и шарового затворов, обеспечивающих герметичность при сверхвысоких давлениях до 300 МПа. Эти фигуры дают полное понимание конструкции и исключают необходимость дальнейшей детализации.
Существующие конструкции шиберных, клиновых и шаровых затворов можно оснастить заявленными узлами снижения усилий привода с небольшими доработками и затратами.
Эффективность применения заявленного трубопроводного затвора растет с увеличением габаритов и давлений технологической среды, т.к. стоимость доработки конструкции уменьшается относительно общей стоимости затвора.
Таким образом, заявленное техническое решение обладает новизной и обеспечивает достижение поставленной цели с наибольшей эффективностью.