Достоинства металлических прокладок: достаточная плотность при высоких давлениях и температурах среды, коэффициент линейного расширения близок к коэффициенту линейного расширения материла фланца и шпилек или болтов, они могут быть использованы несколько раз после ремонта. К недостаткам следует отнести: необходимость создания больших усилий для обеспечения герметичности соединения, относительно низкие упругие свойства.

2. ДЕТАЛИ ТРУБОПРОВОДОВ

· отводы для изменения направления потоков транспортируемого продукта;

· переходы для изменения диаметра трубопровода;

· тройники, тройниковые соединения, крестовины и седловины для устройства ответвлений;

· заглушки для закрытия свободных концов трубопроводов.

Отвод – фасонная деталь трубопровода, предназначенная для изменения направления потока.

Главными геометрическими характеристиками отводов являются:

· угол, на который поворачивает поток; этот угол может принимать значения 20, 30, 45, 60, 90, 110, 130, 150, 180 °;

· отношение радиуса поворота R к внутреннему диаметру трубопровода Dy, которое также нормируется и может принимать значения 1, 1.5, 4, 6, 15, 30.

Отводы (рис. 2.1) по конструкции и способу изготовления подразделяются на:

· бесшовные крутоизогнутые или гнутые;

· крутоизогнутые штампосварные;

· сварные (секционные).

Отводы бесшовные крутоизогнутые (см. рис. 2.1, а) имеют малый радиус изгиба R=(1.01.5) Dy, одинаковую толщину стенки на выпуклой и вогнутой образующих и небольшие габариты. Их применение обеспечивает компактное расположение трубопроводов и оборудования и, как следствие, экономию производственной площади.

Такие отводы изготовляют из бесшовных труб без прямых участков на концах способом горячей протяжки по рогообразному сердечнику на специализированных гидравлических прессах или штамповкой.

Крутоизогнутые отводы можно устанавливать на технологических трубопроводах всех категорий.

Отводы гнутые (см. рис. 2.1, б) изготовляют из бесшовных и сварных труб гибкой на трубогибочных станках в холодном и горячем состоянии. Так как в ходе изготовления таких отводов происходит неизбежное утоньшение стенки, то приходится радиус изгиба делать не менее 2Dy. Гнутые отводы имеют на концах прямые участки, что вызвано технологией гибки.

Гнутые бесшовные отводы можно устанавливать на технологических трубопроводах всех категорий. Однако изготовление гнутых отводов более трудоемко, чем крутоизогнутых, поэтому их рекомендуется применять на трубопроводах, для которых отсутствуют крутоизогнутые отводы (для трубопроводов из легированных сталей, трубопроводов специального назначения), а также когда по проекту требуется большой радиус изгиба.

Отводы сварные (секционные) (см. рис. 2.1, в) изготовляют из бесшовных и электросварных труб путем вырезки отдельных секций и их последующей сборки и сварки. Радиус сварных отводов обычно небольшой (11,5)Dу. Такие отводы рекомендуется применять в трубопроводах с условным давлением до 6,4 МПа и только в тех случаях, когда отсутствуют крутоизогнутые или гнутые отводы.

2.2. ОТВЕТВЛЕНИЯ (ТРОЙНИКИ) НА ТРУБОПРОВОДАХ Ответвление (тройник) – фасонная деталь трубопровода, предназначенная для слияния или деления потока вещества под углом 90 °.

Ответвления (тройники) по конструкции подразделяют на равнопроходные – без уменьшения диаметра ответвления и переходные – с уменьшением диаметра ответвления. Разнообразие конструкций тройников вызвано тем, что прочность участка трубопровода в местах образования отверстия резко снижается.

В зависимости от запаса прочности трубопровода и соотношения диаметра ответвления к диаметру основной магистрали может потребоваться его местное усиление. Для этого применяют специальные укрепляющие элементы.

Наибольшее снижение прочности трубопроводов происходит в равнопроходных сварных ответвлениях, получаемых путем врезки без укрепляющих элементов (рис. 2.2).

Такие соединения применяют обычно на условное давление Pу до 2 МПа. Для более высоких давлений применяют или усиленный корпус, который изготавливают в виде отдельных сварных тройников (рис. 2.3), или укрепляют врезку накладным воротником (рис. 2.4).

Р и с. 2.2. Врезка в трубу без укрепления отверстия Р и с. 2.3. Врезка с усиленным корпусом (сварной тройник) Если требуется более высокая прочность и надёжность тройника, то придётся вообще отказаться от сварного шва и перейти на бесшовное сопряжение горловины ответвления. Это достигается, например, с помощью штамповки (рис. 2.5).

Переход – фасонная деталь трубопровода, предназначенная для расширения или сужения потока.

Переходы по конструкции подразделяют на концентрические и эксцентрические.

Концентрические переходы (рис. 2.6, а) применяют для вертикальных трубопроводов, а эксцентрические (рис. 2.6, б) – для горизонтальных.

а – концентрический переход; б – эксцентрический переход Применение эксцентрических переходов позволяет избежать образования так называемых «мешков» в горизонтальном трубопроводе, облегчает удаление продукта при его отключении.

Рано или поздно любое производство останавливается на плановый ремонт. В это время происходит замена оборудования или его ремонт. Если аппарат отрезают от сети, то образовавшееся отверстие в трубопроводе необходимо заварить для предотвращения попадания перекачиваемого вещества в окружающую среду. Для этого используют заглушки (трубопровод заглушают). Можно также вставлять заглушку между фланцами.

а – заглушка эллиптическая; б – заглушка плоская Заглушка предназначена для отключения потока на длительный срок. На рис. 2.7 показаны эллиптическая и плоская заглушки.

При эксплуатации трубопроводов, техобслуживании и ремонте часто возникает необходимость в разъеме (разъединении) отдельных частей трубопроводов, снятии для замены или ремонта арматуры и контрольно-измерительных приборов. Для этих целей используются разъемные соединения – фланцевые, резьбовые и др.

Фланцы являются наиболее распространенным видом разъемного соединения трубопроводов. Они имеют простую конструкцию, легко собираются и разбираются.

Недостатком фланцевых соединений по сравнению со сварными является:

· более высокая трудоёмкость и стоимость изготовления;

· меньшая надежность в эксплуатации, так как при колебаниях температуры или давления транспортируемого продукта возможна их разгерметизация и как следствие – возникновение В связи с этим использование фланцевых соединений в трубопроводах ограничивают. Их применяют:

· для присоединения к фланцевой арматуре;

· к штуцерам оборудования;

· в трубопроводах, требующих периодической разборки для очистки внутренней полости или замены участков повышенной агрессивности;

· для временных или периодически демонтируемых трубопроводов.

Тип фланцев и конструкции уплотнительных поверхностей принимают в зависимости от рабочих параметров и физикохимических свойств транспортируемого продукта.

Р и с. 2.8. Типы уплотнительных поверхностей фланцев:

а – уплотнительные поверхности без выступов; б – уплотнительные поверхности с соединительным выступом; в – уплотнительные поверхности с выступом и впадиной;

г – уплотнительные поверхности с шипом и пазом; д – уплотнительные поверхности под прокладку овального сечения; е – уплотнительные поверхности под линзовую прокладку С целью обеспечения взаимозаменяемости фланцев всех типов их присоединительные размеры (наружный диаметр, диаметр болтовой окружности, число и диаметры болтовых отверстий) стандартизованы и установлены одинаковыми для одних и тех же условных давлений и проходов независимо от конструкции и материала фланца.

Чтобы создать необходимую герметичность фланцевого соединения трубопровода, между фланцами устанавливают прокладку, а соприкасающимся уплотнительным поверхностям придают специальную форму. В зависимости от давления и свойств транспортируемого продукта предусмотрено шесть типов уплотнительных поверхностей (рис. 2.8).

Существует несколько способов соединения трубы и уплотнительной поверхности фланца. Наиболее часто применяются фланцы плоские приварные (рис. 2.9, а).

а – плоский приварной фланец; б - фланец приварной встык; в – фланец свободный на приварном кольце; г – фланец свободный на отбортованной трубе Фланцы приварные встык (рис. 2.9, б) широко применяются в технологических трубопроводах из углеродистой или легированной стали, особенно для трубопроводов с условным давлением до 20 МПа.

Применение фланцев приварных встык позволяет в 2 раза сократить трудоемкость сварки, так как они присоединяются к трубам одним сварным швом, а плоские приварные – двумя.

Одна из проблем фланцевых соединений – обеспечение центровки (совпадения) болтовых отверстий при монтаже. С целью упрощения монтажа фланцевого соединения применяют свободные фланцы (рис. 2.9, в, г). Их выполняют или на приварном кольце (см.

рис. 2.9, в) или на отбортованной трубе (см. рис. 2.9, г). Но изготовление свободных фланцев более трудоемко, чем фланцев приварных встык, и требует большего расхода металла. Единственное преимущество такого соединения – более простая центровка болтовых отверстий путем поворота фланца вокруг оси.

Р и с. 2.10. Основные типы фланцевых соединений:

а – с плоской прокладкой; б – с уплотнением типа «выступ-впадина»

с плоской прокладкой; в – с уплотнением типа «шип-паз» с плоской прокладкой;

г – фланцы плоские приварные с плоской прокладкой; д – с линзовой прокладкой;

Для сборки фланцевых соединений применяют крепёжные детали – болты, шпильки, гайки и шайбы. Шпильки имеют преимущества перед болтами, так как у шпилек при их затяжке напряжения распределяются более равномерно, а у болтов в местах перехода стержня в головку происходит концентрация напряжений. Кроме того, шпильки можно устанавливать в трудно доступных местах. На рис. 2.10 показаны основные типы фланцевых соединений трубопроводов.

Общеизвестно, что при изменении температуры предметы изменяют свои линейные размеры. Величина этого изменения зависит от длины изделия l, температурного перепада Dt и коэффициента линейного расширения металла. Расчётная формула для определения изменения длины участка трубопровода имеет вид Для снижения напряжений в трубопроводе при тепловом изменении его длины используют метод самокомпенсации. При этом трубопровод проектируют так, чтобы обеспечить свободное перемещение его элементов за счёт изгибов и поворотов трассы. Однако часто самокомпенсация не обеспечивает необходимого снижения нагрузок в трубопроводе. Тогда применяют П-образные компенсаторы (рис.

2.11). Их изготавливают гибкой или сваркой из стальных труб.

Главными геометрическими размерами компенсатора являются вылет Н, длина спинки К и радиус кривизны колен R, который должен быть равен R=4Dн.

3. ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

Конструкторами создано огромное количество различных видов трубопроводной арматуры. Это количество так велико, что трудно провести даже её обычную классификацию. В основу такой классификации можно положить различные признаки: область применения, принцип действия, характер выполняемых функций, способ соединения с трубой и другие.

Здесь мы не будем рассматривать все эти признаки – они подробно описаны в [3]. Наиболее важно, на наш взгляд, знать, что же должна делать та или иная арматура, поэтому рассмотрим лишь классификацию арматуры по функциональному признаку и по способу перекрытия потока.

Итак, по характеру выполняемых функций арматуру подразделяют на следующие основные классы.

1. Запорная арматура, предназначенная для полного перекрытия потока среды в трубопроводе. По количеству применяемых единиц она составляет около 80 % всей арматуры. К запорной относят также пробно-спускную, или контрольно-спускную арматуру, предназначенную для проверки уровня жидкой среды в емкостях, отбора проб, выпуска воздуха из аппаратов, дренажа. Характерным для этой арматуры является малое значение условного диаметра прохода (Dу). Пробно-спускная арматура выпускается в больших количествах.

2. Регулирующая арматура, предназначенная для регулирования расхода рабочей среды с целью поддерживать в заданном диапазоне параметры технологического процесса (температуру, давление, состав материалов, участвующих в процессе). Регулирующую арматуру составляют регулирующие вентили и клапаны, регуляторы давления, регуляторы уровня. К регулирующей относится и дросселирующая арматура, предназначенная для работы при больших перепадах давления.

3. Распределительно-смесительная арматура, используемая для распределения потока среды по определенным направлениям. К ней относятся распределительные клапаны (распределители) и распределительные краны. Распределительно-смесительная арматура используется и для смешения различных сред, например холодной и горячей воды.

4. Предохранительная арматура, служащая для предохранения обслуживаемого объекта от чрезмерного повышения давления путем выпуска избыточного количества рабочей среды. К предохранительной арматуре относятся предохранительные клапаны, импульсные предохранительные устройства, мембранные разрывные устройства, перепускные клапаны.

5. Защитная арматура, предназначенная для защиты оборудования от аварийных изменений параметров рабочей среды. В отличие от предохранительной защитная арматура при возникновении аварийных условий закрывается и отключает обслуживаемый участок, чем предохраняет его от недопустимых воздействий. К защитной арматуре относятся защитные (отсечные) клапаны, обратные клапаны, отключающие клапаны. В качестве защитной арматуры часто применяют различные быстродействующие типы запорной арматуры (клапаны, задвижки, заслонки, краны).

6. Фазоразделительная и массоразделительная арматура, предназначенная для автоматического разделения рабочих сред в зависимости от их фазы и состояния. К ней относятся конденсатоотводчики, воздухоотводчики и маслоотделители.

По способу перекрытия потока среды арматура подразделяется на следующие основные типы.

1. Задвижка – это запорная арматура, у которой затвор имеет форму диска, пластины или клина, перемещается возвратнопоступательно вдоль своей плоскости, перпендикулярно к оси потока среды. Задвижки предназначены для полного перекрытия потока рабочей среды и являются одним из наиболее распространенных типов запорной трубопроводной арматуры, устанавливаемой на технологических и магистральных трубопроводах. Запирающий элемент в задвижках перемещается возвратно-поступательно, перпендикулярно направлению потока рабочей среды и имеет два крайних рабочих положения – «открыто» и «закрыто». Принцип работы задвижки показан на рис. 3.1, а.

2. Клапан2 – арматура, у которой затвор имеет форму тарелки или конуса и перемещается возвратно-поступательно параллельно оси потока среды в седле корпуса арматуры. Клапан, в котором затвор перемещается вручную с помощью винтовой пары (шпиндель и неподвижная ходовая гайка), называется вентилем. Принцип работы клапана показан на рис. 3.1, б, а устройство вентиля иллюстрирует рис. 3.2.

В зависимости от назначения клапаны подразделяются на:

· запорные – предназначены для полного перекрывания потока;

· регулирующие (вентили) – предназначены для пропорционального (аналогового) регулирования расхода;

· предохранительные – предназначены для автоматического сброса среды при повышении давления сверх установленного;

· перепускные – предназначены для поддержания давления среды на требуемом уровне путём перепуска её через ответвления трубопровода;

· отсечные – предназначены для быстрого перекрытия потока;

· дыхательные – предназначены как для выпуска накопившихся в резервуарах паров, так и для впуска в них воздуха при «большом» и «малом» дыхании3.

· обратные – предназначены для предотвращения обратного Среди всего этого многообразия нас в первую очередь интересуют вентили, так как наряду с задвижками они широко применяются на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии для управления расходами потоков.

3. Кран – затвор, имеющий форму тела вращения (или части его), поворачивается вокруг своей оси, расположенной перпендикуВ двигателях внутреннего сгорания, насосах, компрессорах клапаном принято называть деталь в виде диска со штоком, скользящим в направляющем отверстии.

Этот клапан предназначен для перекрытия потока среды путём перемещения вдоль оси и посадки в седло «Большое дыхание» в резервуарах связано с подъёмом или опусканием уровня жидкости, а «малое дыхание» вызвано изменением температуры окружающей среды (день и ночь).

лярно к оси потока среды. Принцип работы крана показан на рис. 3.1, в.

Р и с. 3.1. Принцип действия запорной арматуры:

4. Заслонка (затвор поворотный дисковый)4 – затвор, имеющий форму диска, который поворачивается вокруг оси, расположенной в плоскости затвора или параллельно ей. Принцип работы заслонки показан на рис. 3.1, г.

Старое название этого вида арматуры – заслонка, сейчас чаще употребляется термин «затвор дисковый» или «затвор поворотный дисковый».

3.2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

Корпус — деталь, заменяющая отрезок трубы длиной, равной расстоянию между торцами присоединительных фланцев или патрубков под приварку к трубопроводу. Корпус вместе с крышкой образует герметически изолированную от внешней среды полость, внутри которой перемещается затвор.

Затвор — подвижная часть рабочего органа — деталь или конструктивно объединенная группа деталей, предназначенная для герметичного разъединения двух участков трубопровода путем перекрытия проходного отверстия в проточной части корпуса. Для этой цели в корпусе предусмотрено седло, снабженное уплотнительным кольцом.

Затвором в вентилях служит тарелка клапана (при малых размерах называется золотником), в задвижках – клин или диск, либо два диска одновременно, в кранах — пробка в виде конуса, цилиндра или шара.

Крышка — деталь, используемая для герметичного перекрытия отверстия в корпусе, через которое устанавливается затвор. В управляемой арматуре крышка имеет отверстие под шпиндель.

Шпиндель — деталь, представляющая собой стержень, снабженный резьбой, при помощи которого происходит управление затвором. Шпиндель, не имеющий резьбы, называется штоком.

Ходовая гайка имеет также резьбу и образует со шпинделем резьбовую пару для перемещения затвора и установки его в требуемое крайнее или промежуточное положение (резьба самотормозящая).

Сальник — устройство, предназначенное для герметизации подвижного сопряжения крышки со шпинделем. Свое название сальник получил в связи с тем, что набивка сальника для воды и пара обычно пропитывается жировыми составами. Крышка сальника — деталь, предназначенная для сжатия набивки; она бывает цельной и составной. В последнем случае крышка сальника состоит из нажимной втулки и фланца сальника. Поднабивочная втулка является опорой набивки. Нажимные шпильки, анкерные или откидные болты сальника с гайками служат для затяжки сальниковой набивки. В клапанах и вентилях, предназначенных для опасных или вредных сред, вместо сальника применяется сильфонный5 узел, обеспечивающий абсолютную герметичность подвижного соединения шпинделя с крышкой.

Маховик — деталь (обычно литая), имеющая вид обода со ступицей, которая соединена с ободом спицами. Служит для ручного управления арматурой. Маховики малых размеров изготовляются в виде сплошного диска.

Сильфон – тонкостенная металлическая гофрированная оболочка («гармошка»);

расширяется или сжимается под действием разности давлений внутри и снаружи.

3.3. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ

вызывает потерю энергии потока. Тут можно выделить два крайних случая.

1. Арматура установлена на трубопроводе с большим расходом потока. В этом случае необходимо, чтобы гидравлическое сопротивление арматуры было минимальным во избежание больших энергетических затрат на транспорт.

2. Арматура установлена в тупиковых участках трубопровода, предназначена для отбора проб, сброса или слива транспортируемой среды и используется периодически. В таких случаях потеря энергии не имеет принципиального значения.

Для характеристики величина потери энергии в арматуре вводится коэффициент гидравлического сопротивления. Чем больше его значение, тем при прочих равных условиях больше потеря напора (давления). Ориентировочные значения коэффициента для различных типов запорной арматуры приведены в табл. 3.1.

Из приведённых в табл. 3.1 значений коэффициентов гидравлического сопротивления следует, что в трубопроводах, по которым поток движется постоянно и с большой скоростью, целесообразно устанавливать в качестве запорной арматуры задвижки, краны или заслонки. На тупиковых трубопроводах, поток в которых движется редко и его скорость не имеет принципиального значения, лучше устанавливать вентили.

В табл. 3.2 приведена сравнительная характеристика различных типов запорных устройств.

Подробно см. раздел гидравлики в курсе «Процессы и аппараты химических производств»

Значения коэффициента гидравлического (местного) сопротивления для Задвижка Вентиль Характеристика различных типов запорных устройств Задвижка большое время открывания и закрывания. Малое гидравлическое сопротивление Большая длина. Малый ход затвора, малое время открываКлапан ния и закрывания. Большое гидравлическое сопротивление Кран Большой крутящий момент, необходимый для срабатывания. Малое гидравлическое сопротивление Малые габариты и масса. Малое время открывания и закрывания. Проход частично перекрыт затвором при отЗаслонка крытом положении. Незначительное гидравлическое сопротивление

3.4. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ

Применение ходовой резьбы, обладающей свойством самоторможения, позволяет оставлять затвор в любом положении с уверенностью, что это положение сохранится и не будет самопроизвольно изменяться под действием давления среды.

Вентиль отличается простотой конструкции и обеспечивает высокую плотность в закрытом положении. Промышленностью выпускаются вентили с размером до Dy=200 мм. Но наиболее целесообразна установка вентилей на трубопроводах малого диаметра. По мере увеличения условного диаметра трубопровода, начиная с Dу=50 мм, вентили уступают место задвижкам.

Это объясняется тем, что при больших условных диаметрах прохода и высоких давлениях усилие на шпинделе возрастает настолько, что вентиль становится трудноуправляемым.

Положительным качеством вентиля является сравнительно небольшой ход затвора, необходимый для полного открытия вентиля.

Для этой цели тарелку вентиля достаточно поднять на диаметра отверстия в седле, тогда как для открытия задвижки необходимо клин или диск переместить на величину, равную диаметру отверстия, т.е. в четыре раза больше, поэтому вентиль имеет значительно меньшую габаритную высоту, чем задвижка того же диаметра, но длина его (расстояние между наружными торцами проходных фланцев вентиля) больше, чем в задвижке, причем с увеличением диаметра прохода эта разница увеличивается.

Конструкторами арматуры создано большое количество типов вентилей, предназначенных для работы в конкретных условиях. На рис. 3.3 сделана попытка показать классификацию используемых в промышленности вентилей.

По месту расположения на трубопроводе различают вентили проходные (рис. 3.4, а) и угловые (рис. 3.4, б).

Проходные вентили устанавливаются на горизонтальном или вертикальном участке трубопровода, угловые – на месте поворота трубопровода. Угловые вентили имеют меньшее гидравлическое сопротивление, однако область их применения ограничена поворотными участками трубопровода.

И проходной, и угловой вентили вызывают резкое изменение траектории потока, что приводит к значительным потерям давления в них. С целью уменьшения гидравлического сопротивления сконструированы прямоточные вентили (рис. 3.5). Их шпиндель расположен под углом к оси прохода потока. Но за уменьшение сопротивления приходится заплатить увеличением хода шпинделя: для полного открывания вентиля этот ход у прямоточного вентиля значительно больше, чем у нормального.

Р и с. 3.3. Классификация запорных вентилей а – вентиль запорный проходной; б – вентиль запорный угловой Как правило, вентили конструируются и устанавливаются так, чтобы движение среды происходило «под клапаном», т.е. навстречу движения тарелки клапана при закрывании (см. рис. 3.1, а и 3.2). Обратное движение среды, т.е. «на клапан» (см. рис. 3.1 б), осуществляется редко и применяется главным образом в вентилях большого диаметра, для неответственных установок, с целью разгрузить шпиндель от больших продольных усилий сжатия.

Для присоединения к трубопроводам вентили снабжаются либо фланцем, либо муфтами с внутренней резьбой. Для энергетических установок вентили ввариваются в трубопровод, для чего они снабжаются соответствующими патрубками.

Вентили чаще всего приводятся в действие вручную, с помощью маховика. В последнее время все шире стали применять вентили с электрическим, электромагнитным, пневматическим и гидравлическим приводом. На рис. 3.6 показан конструкция вентиля с электроприводом.

Задвижки. Напомним, что задвижка – это арматура с затвором в виде листа, диска или клина, который перемещается вдоль уплотнительных поверхностей корпуса перпендикулярно оси потока.

Задвижки имеют большее распространение и применяются обычно для трубопроводов от Dу=50 мм до Dу=2000 мм. Положительными качествами задвижки являются сравнительная простота конструкции и малое, по сравнению с вентилями, гидравлическое сопротивление, поэтому в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в качестве запорно-регулирующего устройства, как правило, используются задвижки. Недостатком задвижек является их относительно большая высота, поэтому в тех случаях, когда затвор должен быть, как правило, закрыт, а открывание производится редко,