Виды регулирующих клапанов и их особенности

Классификация запорных устройств

Вентиль запорный — элемент любой системы, работающей с жидкостями. Он предназначен для того чтобы перекрывать или открывать подачу жидкости. Если на линии случается авария, рабочие перекрывают вентили, чтобы устранить поломку. Прежде чем покупать деталь, нужно узнать её устройство и принцип действия. Она состоит из нескольких элементов:

  1. Ручки для вращения.
  2. Корпуса, который имеет минимум два патрубка. Один входящий, другой выходящий.
  3. Шпинделя, передающего усилие при вращении ручки.
  4. Золотника — запирающее устройство, которое закрывает канал подачи жидкости.

Принцип работы детали заключается в том, что после поворота ручки, шпиндель начинает двигаться по резьбе вниз. Он постепенно закрывает отверстие, через которое поступает вода, масло, топливо, кислоты.

Регулирующие проходные клапаны имеют несколько классификаций. По способу установки выделяют такие элементы:

  1. Муфтовые — модели, использующиеся при изготовлении бытовых магистралей. Закрепляются между трубами с помощью резьбовых соединений. Могут закрепляться на изделия до 150 мм по диаметру. Чтобы установить муфтовую деталь, нужен гаечный ключ.
  2. Клапан запорный проходной фланцевый. Деталь закрепляется на трубопроводе болтами, гайками. Для этого на концах конструкции наварены круглые или квадратные пластины, которые имеют крепёжные отверстия. Максимальный диаметр труб — до 1000 мм.

Если говорить о герметизации, то выделяют такие элементы:

  1. Сильфоны — конструкции, которые имеют специальную гофрированную трубку.
  2. Сальниковые модели. Имеют дополнительную камеру, которая изнутри имеет уплотняющую набивку.

Разновидности трубопроводной арматуры:

  1. Задвижки — используются в системах с низким уровнем гидравлического давления.
  2. Вентили — запорная арматура, которая используется для перекрытия или регулирования подачи жидкости по трубопроводу.

По строению выделяется два вида клапанов:

  1. Угловые — конструкция позволяет скреплять трубы, идущие перпендикулярно относительно друг друга.
  2. Проходные — устанавливаются на вертикальных или горизонтальных трубопроводах.

Большинство клапанов приводятся в действия вручную. Однако есть модели с электрическим приводом, который автоматически регулирует подачу рабочей смеси.

Сфера применения

Регулирующий клапан является наиболее распространенным типом арматуры для изменения давления циркулирующей по трубопроводу среды.  Такие конструкции используются в промышленных и бытовых системах водоснабжения, газоснабжения и  магистралях дли транспортировки нефти и газа.

Также существует клапан запорно-регулирующий, который позволяет не только изменять расход подачи, но и полностью перекрывать циркуляцию среды. В такой арматуре в качестве запорного механизма применяется плунжер, профильная часть которого при перемещении изменяет сечение проходного отверстия, а при полном контакте с седлом, за счет уплотнительных поверхностей, обеспечивает герметичность отсечения.

Регулировочный клапан может изготавливаться из нержавеющей стали, чугуна, высоколегированных сплавов либо латуни. Выбор материалов непосредственно зависит от типа рабочей среды, с которой будет контактировать арматура.

Клапан с ручным приводом
Клапан с ручным приводом

Ранее на рынок поставлялись исключительно клапаны с ручным приводом, управление которыми осуществлялось за счет вращения штурвала. Такие конструкции, ввиду необходимости прикладывания значительных усилий, не использовались на трубопроводах больших диаметров (свыше 150 мм).

Виды регулирующих клапанов и их особенности

В современной практике такие конструкции используются в бытовой сфере, тогда как в промышленности широкое распространение получили аналоги с автоматическим управлением. Автоматический клапан регулятор комплектуется датчиками, которые фиксируют уровень давления в системе, и в соответствии с заданным алгоритмом действий изменяют расход рабочей среды посредством перемещения затвора электрическим, гидравлическим либо пневмоприводом.

https://www.youtube.com/watch?v=FOauYoUptPM

В зависимости от формы корпуса клапаны делятся на следующие типы:

  • проходные – не меняют направление движения рабочей среды, монтируются на прямых участках трубопровода;
  • угловые – изменяют направление трубопровода на 900;
  • трехходовые – корпус укомплектован тремя патрубками (2 – входные, 1 – подающий), используются для смешивания двух видов рабочей среды в один поток.
Угловой клапан с электроприводом фланцевого типа
Угловой клапан с электроприводом фланцевого типа

Также классификация выполняется по способу фиксации клапанов на трубопроводе, согласно которому арматура может быть приварной, фланцевой, муфтовой либо штуцерной. В бытовой эксплуатации наиболее распространены муфтовые конструкции, стыкующиеся с трубами посредством резьбового соединения, в промышленности – фланцевая (соединяется болтами и гайками через специальную закладную пластину) и приварная арматура.

В качестве примера рассмотрим клапан регулирующий фланцевый проходного типа, конструкция которого приведена на изображении.

Конструкция регулирующего клапана
Конструкция регулирующего клапана

На схеме представлены следующие узлы компоновки:

  • В – корпус клапана;
  • F – фланцы, посредством которых арматура фиксируется на трубопроводе;
  • Р – уплотнительный блок, обеспечивающий герметичность клапана и предотвращающий выход транспортируемой среды за пределы его корпуса;
  • S – шток, соединяющий привод арматуры с затворным механизмом;
  • Т – плунжер, выступающий в качестве запорного узла;
  • V – пропускное отверстие (седло), в которое при регулировке давления входит запорный плунжер.

Принцип работы арматуры достаточно прост – шток передает исходящее от привода усилие на плунжер, который опускается и изменяет сечение пропускного отверстия, вследствие чего уменьшается объем проходящей через клапан жидкости либо газа. Это приводит к падению уровня давления в трубопроводе и росту скорости перемещения рабочей среды. Если плунжер полностью перекрывает пропускное отверстие давление в системе стает нулевым, при условии полной герметичности контактирующих узлов.

Запорные клапаны применяются для регулирования рабочего потока. Их устанавливают на системах для обеспечения хорошей герметизации соединений. Сферы применения:

  1. Химическая, газовая, нефтяная промышленность.
  2. Домостроительство, изготовление систем отопления, подведения воды, газа.

С их помощью можно контролировать не только жидкую, но и газовую среду.

Применение запорной арматуры
Применение запорного клапана

Технические характеристики

Относительно характеристик деталей для регулировки подачи рабочей смеси, они изменяется зависимо от материала, из которого изготовлен клапан. Ниже будут приведены параметры на примере чугунных изделий:

  1. Диаметр прохода — до 50 мм.
  2. Выдерживает температурный режим снаружи от -40 до 40 градусов по Цельсию.
  3. Длина — до 200 мм.
  4. Срок службы — до 50 лет.
  5. Средняя масса — 5 кг.
  6. Температура рабочей смеси — 225 градусов по Цельсию.

Детали изготавливаются согласно установленным ГОСТам.

Выбирают регулировочные клапаны, опираясь следующие технические характеристики:

  • диаметр патрубков и пропускного отверстия;
  • тип запирания – регулировочный и регулировочно-запорный;
  • диапазон применения – давление и температура пропускаемой жидкости или газа, при которых сохраняется работоспособность клапана;
  • материалы, из которых изготовлен корпус и уплотнители;
  • тип фиксации на трубопроводе;
  • способ управления;
  • тип регулирующего механизма.

Размер корпуса регулировочного клапана должен совпадать с размером трубы, на которую будет производиться монтаж.

Материалы корпуса и уплотнителей выбираются устойчивые к воздействию того вещества, которое будет поступать через трубопровод.

Существует три типа фиксации клапанов: фланцевый, резьбовой и приварной:

  1. В первом случае на конце патрубка располагается фланец – плоская деталь с отверстиями под болты или шпильки. Такое соединение деталей чаще используется в промышленности.
  2. В бытовых трубопроводах используют регулировочную арматуру с резьбой на концах патрубков.
  3. Сварные устройства требуют дополнительных трудозатрат и используются редко.

По способу управления выделяют ручной и автоматический регуляторы. При ручном управлении пропускную способность меняют путем вращения вентиля или штурвала.

Для вращения штурвала на трубопроводах с большим диаметром требуются значительные трудозатраты, поэтому регулировочные клапаны с ручным управлением применяются чаще в бытовой сфере.

Клапаны с автоматическим управлением оснащаются датчиками, контролирующими давление и температуру. Изменение расхода рабочей среды происходит в соответствии с заложенным в датчики алгоритмом и на основании показаний приборов. Шток, перемещающий затвор, приводится в действие электро–, пневмо– или гидравлическим приводом.

Преимущества регулирующих клапанов

Этот вид регулятора используется в бытовых и промышленных системах водо– и газоснабжения, теплосетях и нефтяных магистралях.

Широкая популярность регулирующих клапанов обусловлена их достоинствами:

  • Надежность и долговечность. Корпус изготавливают из прочных материалов, таких как нержавеющая сталь, латунь, чугун, легированные сплавы металлов, устойчивых к воздействию агрессивных химических веществ.
  • Простота конструкции и эффективность. Механизм работы клапана прост и при этом достаточен для выполнения задачи точного регулирования напора рабочей среды.
  • Разнообразие видов, типов и размеров. Подобрать регулирующий клапан можно для трубопровода любого назначения. Существуют клапаны с корпусами разного размера, с затворами различной конструкции, с ручным и автоматическим управлением, разнообразными датчиками.

В зависимости от конструкции регулирующих органов, арматура разделяется на:

  • седельную;
  • клеточную;
  • мембранную;
  • золотниковую.

Седельный клапан, в свою очередь, может иметь 1 либо 2 седла. Односедельная арматура имеет одно пропускное отверстия, такие конструкции устанавливаются на трубопроводы малых диаметров (до 150 мм). 2-ух седельный клапан имеет преимущество в плане уравновешенного плунжера, он может эксплуатироваться в системах с давлением до 6.5 МПа и диаметром до 300 мм. Запорный плунжер может выполняться в стержневой, тарельчатой либо игольчатой конфигурации.

Схема конструкции клеточного клапана
Схема конструкции клеточного клапана

В арматуре клеточного типа затвор имеет форму полого цилиндра, перемещающегося внутри отверстия – клетки, которая одновременно выступает в качестве направляющего устройства и пропускного узла. Сам цилиндр обладает радиальной перфорацией, за счет которой выполняется регулировка давления в трубопроводе. Особенности конструкции клеточной арматуры обеспечивают минимальный уровень шума и вибрации при работе клапана.

В отличие от седельных и клеточных клапанов, которые могут комплектоваться ручным приводом, мембранная арматура выпускается исключительно с пневматическими либо гидро-приводами. Затвором в ней служит эластичная резиновая мембрана (реже – мембрана из фторопласта). Привод может быть вынесенным либо встроенным.

Поскольку гибкость мембраны может ставать причиной погрешностей в регулировке давления, клапан комплектуется дополнительным узлом – позиционером, контролирующим пространственное положение соединяющего мембрану с приводом штока. К преимуществам мембранных конструкций относится устойчивость резинового затвора к химически агрессивным средам и коррозии, что позволяет использовать такую арматуру на трубопроводах химической промышленности и транспортирующих нефтепродукты линиях.

Конструкция мембранного клапана
Конструкция мембранного клапана

Золотниковый клапан регулирует уровень давления рабочей среды за счет поворота затвора (золотника) на определенный угол, что приводит к частичному открытию либо закрытию пропускного отверстия. По принципу действия такая арматура схожа с обычными шаровыми кранами, чаще всего она применяется в энергетической промышленности.

Преимуществом золотниковой арматуры является необходимость прикладывания минимальных усилий при управлении клапаном, поскольку давление жидкости в пропускном отверстии практически не оказывает сопротивление на перемещение запорного элемента. Однако такие конструкции не способы обеспечить полную герметичность отсечения рабочей среды при закрытии седла, поэтому они практически не применяются на трубопроводах с высоким давлением.

Маркировка

Технические требования к регулирующей арматуре приведены в нормативном документе ГОСТ №12893 “Клапаны регулирующие односедельные, двухседельные и клеточные”. Согласно положениям ГОСТа, все клапаны имеют унифицированную маркировку типа 21ч10нж, в которой:

  • 21 – тип арматуры (регуляторы давления имеют числовую номенклатуру 21 и 19);
  • ч – материал изготовления корпуса (ч – чугун, с – углеродистая сталь, б – латунь либо бронза, тн – титан, п – пластик);
  • 10 – тип привода (в данном случае – механический, 6 – пневматический, 7 – гидравлический);
  • нж – материал изготовления уплотнительных поверхностей, нержавейка.

Основным отечественным производителей клапанов является компания “Авангард”  (Старооскольский арматурный завод). Среди зарубежных компаний отметим фирмы Dafnoss (Дания), Bugatti (Италия) и FAR (Италия).

Сравнение трубопроводной арматуры различных типов

Сравним трубопроводную арматуру различных конструкций. В таблице 1 приведено краткое описание основных отличительных характеристик трубопроводных устройств.

Характеристику арматурных устройств отличающихся типов нужно приводить с осторожностью, ведь недостатки базовой конструкции отдельного типа могут быть ослаблены или устранены при её модернизации. Ниже приведены три примера модернизации арматурных устройств.

Задвижка полнопроходная с обрезиненным клином фланцевая с ручным приводом

Рисунок 1. Задвижка
полнопроходная с
обрезиненным клином
фланцевая с
ручным приводом

Рассмотрим отдельно типы арматуры.

Задвижки

Задвижка (англ. gate valve) — арматурное устройство, имеющее затвором в виде листа, диска или клина, перемещающихся вдоль уплотнительных колец седла корпуса перпендикулярно оси потока среды. Задвижки могут быть проходными и суженными, в которых отверстия уплотнительных колец меньше Ду трубопровода.

Виды регулирующих клапанов и их особенности

По геометрии затвора задвижки различаются клиновые и параллельные задвижки.

Типы затворов и принцип их действия

Основной рабочей деталью регулирующей арматуры является затвор. По конструкции регулирующего органа выделяют следующие типы арматуры:

  • седельная,
  • мембранная,
  • клеточная,
  • золотниковая.

Седельный затвор

Основными элементами седельного затвора являются плунжер и седло. Плунжером называют цилиндрический поршень, у которого длина значительно больше диаметра. Седло – деталь затвора, расположенная между проходным отверстием клапана и его внутренней частью.

При перемещении поршня через седло меняется размер проходного отверстия. Выпускается одно– и двухседельная регулирующая арматура. Односедельная используется на трубах небольшого диаметра.

Двухседельный затвор позволяет точнее регулировать давление в трубах и может использоваться в трубопроводах диаметром до 30 см, так как в двухседельной системе плунжер лучше уравновешен и проще обеспечить герметичность затвора.

Мембранный затвор

В затворах этого типа также имеется седло, но вместо поршня его перекрывает гибкая мембрана. Мембрана не только позволяет регулировать давление рабочей среды, она защищает внутренние части арматуры от воздействия агрессивных веществ. В затворах этого типа высокий показатель герметичности подвижных элементов.

Однако регулирующий клапан с мембранным затвором вынужденно дополнительно оснащают контролирующими положение штока позиционерами. Необходимость усложнения конструкции обусловлена возможным снижением точности регулировки из-за трения между элементами.

В качестве направляющего устройства для подвижного элемента затвора такого типа используется клетка – седло с радиальными отверстиями для управления расходом рабочей среды.

Внутри клетки, меняя ее пропускную способность, перемещается полый цилиндр. Таким образом, клетка выполняет функцию седла и пропускного отверстия.

Золотниковый затвор

Виды регулирующих клапанов и их особенности

Золотниковая регулирующая арматура имеет другое название – регулирующий кран, механизм ее работы действительно больше похож на работу крана.

Для изменения давления находящийся внутри корпуса золотник поворачивают на нужный угол, тогда как в затворах остальных типов уменьшение сечения пропускного отверстия происходит при поступательном, а не вращательном движении штока.

Таблица 1.

Классификация трубопроводной арматуры по типу конструкции затвора
Название Схема Способ движения затвора Преимущества Недостатки
Задвижки Задвижка. Схема конструкции затвора задвижка. Возвратно-поступательно вдоль уплотнительной поверхности. Малое гидравлическое сопротивление. Отсутствие противодавления рабочей среды. Большая строительная высота, малая строительная длина. Медленное
срабатывание. Большое усилие на привод затвора.
Сильный износ поверхности седла на загрязненных
жидкостях
Клапан Клапан. Схема конструкции затвора клапана. перпендикулярно к уплотнительной поверхности Малая строительная высота. Быстрое срабатывание. Высокая герметичность. Большая строительная длина. Большое усилие на привод затвора. Большое гидравлическое сопротивление. Наличие противодавления рабочей среды.
Кран Кран. Схема конструкции затвора крана. вращательно на 90° вдоль уплотнительной поверхности Малая строительная высота, малая строительная длина. Быстрое срабатывание.  Малое гидравлическое сопротивление. Отсутствие противодавления рабочей среды. Большое усилие на привод затвора. Сильный износ поверхности седла и пробки на загрязненных и агрессивных жидкостях.
Заслонка Заслонка. Схема конструкции затвора заслонки. вращательно на 90° Малая строительная высота, малая строительная длина. Быстрое срабатывание. Малое гидравлическое сопротивление. Малое усилие на привод затвора. Отсутствие противодавления рабочей среды. Применяется на газах. Малая герметичность.
Клапан диафрагмовый (мембранный) Клапан диафрагмовый (клапан мембранный). Схема конструкции затвора клапана диафрагменного. возвратно-поступательно перпендикулярно к уплотнительной поверхности Малая строительная высота. Быстрое срабатывание. Малое усилие на привод затвора. Применяется на агрессивных жидкостях. Большая строительная длина. Большое гидравлическое сопротивление. Наличие противодавления рабочей среды.
Клапан шланговый Клапан шланговый. Схема конструкции затвора шлангового клапана. возвратно-поступательно перпендикулярно к уплотнительной поверхности Малая строительная высота. Быстрое срабатывание. Малое усилие на привод затвора. Применяется на агрессивных жидкостях. Малое гидравлическое сопротивление. Большая строительная длина. Наличие противодавления рабочей среды. 

Выполнение одних и тех же функций осуществляется различными типами арматуры, основой которых являются задвижки, краны, клапаны, заслонки.

Достоинства и недостатки

Запорные клапаны имеют сильные и слабые стороны. Преимущества:

  1. При поломках можно заменить любую деталь из конструкции.
  2. Надёжность перекрытия трубопровода, высокая герметичность.
  3. Устройство открывается медленно, и система не испытывает ударов рабочей смеси, перегрузок, скачков давления.
  4. При работе с деталью не нужно прилагать больших усилий.
  5. Модели, оборудованные электрическим приводом, позволяют задавать алгоритм открытия, закрытия заслонки по времени или зависимо от изменения давления.

Недостатки:

  1. Сложная форма проточной части.
  2. Высокая стоимость.
  3. Если конструкция имеет сальники, необходимо проводить дополнительное обслуживание оборудования.
  4. Если проточная часть имеет дефекты, возникают застойные явления, которые могут разрушить конструкцию.

Учитывая недостатки можно избежать многих проблем при эксплуатации запорных механизмов.

Принципы выбора и цены

Мембранный затвор

Цены на детали изменяются зависимо от их размера, материала из которого они изготавливаются, наличия электрического привода, массы, вида уплотнительных элементов, типа скрепления с трубами. Средняя цена зависимо от материала:

  1. Чугунные — 250 рублей.
  2. Стальные — 550 рублей.
  3. Латунные — 750 рублей.

При выборе устройства нужно учитывать некоторые особенности:

  1. Латунные — обладают устойчивостью к образованию ржавчины, выдерживают частые перепады температур, высокое давление. Недостаток — высокая цена.
  2. Стальные — популярный материал относительно изготовления запорных механизмов. Выдерживает большие нагрузки, резкие перепады температур. При изготовлении сплав насыщается легирующими добавками, которые изменяют его характеристики.
  3. Чугунные — низкая цена, распространённость, хорошие литейные качества сделали модели из этого материала привлекательными для покупателей. Основные недостатки — низкая устойчивость к образованию ржавчины, малый показатель прочности.

сфера применения

На упаковках с деталями указывается для каких рабочих сред они предназначены, какое давление выдерживают. От этого необходимо отталкиваться, выбирая проходной вентиль.

Выбор запорной арматуры
Особенности выбора

Монтаж

Для установки клапана не нужно обладать специфическими навыками. Достаточно соблюдать пошаговую инструкцию не нарушая последовательность. Этапы монтажа:

  1. Перед установкой вентиля освободить пространство в том месте, где будет оборудоваться механизм.
  2. Отключить воду, чтобы она не мешала при работе. Лишнюю жидкость слить по системе вывода из системы. Для этого должны быть отдельные краны.
  3. Цельная труба разрезается с помощью резака по размеру запорного элемента.
  4. На концах труб нарезается резьба с помощью специальных плашек. С помощью металлической щётки удаляется стружка.
  5. Резьба покрывается уплотнительной нитью для создания более надёжного соединения. Некоторые сантехники используют герметик.
  6. Вентиль устанавливается между трубами, накручивается на резьбу. Зажимается с помощью гаечного ключа.

Далее открывается задвижка, которая удерживала поток жидкости. Нужно проверить надёжность соединения на разных уровнях давления. Так можно заменить старый вентиль в домашних условиях. Важно следить за накручиванием запирающего элемента на резьбу. Нельзя допускать перекосов, которые могут разрушить целостность системы.

Если клапан с фланцем, нужна дополнительная подготовка труб. Для этого они разрезаются, по торцам навариваются металлические пластинки с отверстиями под крепёжные элементы. Далее между трубами устанавливается клапан. Между фланцами закрепляется резиновая прокладка на водостойкий клей. Конструкция закрепляется с помощью болтов, гаек.

Запорные клапаны являются необходимыми элементами любой системы, работающей с газами, жидкими средами. С их помощью изменяется мощность подачи жидкости или газа, полностью перекрывается поток. Монтаж может провести любой человек, зная пошаговую инструкцию.

Школа ТПА. Запорный клапан. Часть 1.