Пневматические приводы трубопроводной арматуры химических производств

1. Введение в пневматические приводы арматуры химических производств

Пневматические приводы трубопроводной арматуры представляют собой устройства, преобразующие энергию сжатого воздуха в механическое перемещение запорного или регулирующего элемента. В соответствии с СТ ЦКБА 090-2013 «Арматура трубопроводная. Пневмоприводы и гидроприводы. Общие технические условия», пневмопривод определяется как привод, в состав которого входит пневматический механизм с одним или более объемными пневмодвигателями, где рабочая среда находится под давлением.

Применение пневматических приводов на объектах химической промышленности обусловлено рядом технических преимуществ. Во-первых, пожаробезопасность и нейтральность рабочей среды обеспечивают возможность применения в зонах с потенциально взрывоопасными атмосферами согласно требованиям ТР ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах». Во-вторых, простота конструкции определяет высокую надежность и продолжительный срок эксплуатации, измеряемый миллионами рабочих циклов. В-третьих, быстродействие пневмоприводов позволяет использовать их в системах аварийной отсечки и противоаварийной защиты (ПАЗ).

В технологических процессах производства лакокрасочных материалов, клеев и бытовой химии пневматические приводы обеспечивают автоматизированное управление потоками сырья, полупродуктов и готовой продукции. Типичные области применения включают: дозирование компонентов рецептур, регулирование температурных режимов теплообменного оборудования, управление реакторными системами и обеспечение безопасной эксплуатации оборудования под давлением в соответствии с требованиями ФНП ОРПИД.

Нормативная база для проектирования, изготовления и эксплуатации пневмоприводов включает: ГОСТ 24856-2014 «Арматура трубопроводная. Термины и определения», ГОСТ Р 53672-2009 «Арматура трубопроводная. Общие требования безопасности», а также серию стандартов ГОСТ Р ИСО 8573 по качеству сжатого воздуха.

2. Классификация и конструктивные особенности пневмоприводов

Согласно СТ ЦКБА 090-2013, пневматические приводы трубопроводной арматуры классифицируются по нескольким признакам: типу конструкции, характеру движения выходного звена, способу действия и назначению. По типу конструкции выделяют мембранные, поршневые, реечно-поршневые (Rack and Pinion), кулисно-поршневые (Scotch Yoke), лопастные и сильфонные приводы. По характеру движения различают приводы с поступательным (линейным) и вращательным (поворотным) движением выходного звена.

2.1. Мембранные приводы

Мембранные пневматические приводы являются наиболее распространенным типом для управления регулирующими клапанами седельного типа. Конструктивно привод состоит из корпуса с двумя камерами, разделенными эластичной мембраной (диафрагмой). При подаче сжатого воздуха в одну из камер мембрана деформируется и перемещает связанный с ней шток, который передает усилие на затвор арматуры.

Мембранные приводы подразделяются на приводы прямого действия (при увеличении давления воздуха шток выдвигается) и обратного действия (при увеличении давления шток втягивается). В конструкциях с пружинным возвратом (одностороннего действия) при снятии управляющего давления привод автоматически возвращается в исходное положение под действием пружины, что обеспечивает безопасное состояние арматуры при аварийном обесточивании.

К преимуществам мембранных приводов относятся: высокая чувствительность к изменению входного сигнала, плавность хода, отсутствие трения скольжения в зоне уплотнения, простота конструкции. Ограничениями являются: относительно небольшой рабочий ход штока (обычно до 100 мм), ограничение по максимальному давлению питания и зависимость срока службы от качества материала мембраны.

2.2. Поршневые приводы прямоходные

Поршневые приводы прямоходного типа применяются для управления задвижками, клапанами с большим ходом штока и арматурой, требующей значительных усилий перемещения. Конструкция включает цилиндр с поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение под действием сжатого воздуха.

Согласно СТ ЦКБА 090-2013, поршневые приводы разделяются на приводы двустороннего действия (рабочий и холостой ходы осуществляются под действием сжатого воздуха) и одностороннего действия (рабочий ход под действием воздуха, обратный — посредством пружины). Приводы двустороннего действия обеспечивают больший крутящий момент или усилие в обоих направлениях движения, однако при потере давления питания не обеспечивают фиксированного положения арматуры без специальных устройств.

Для поршневых приводов критически важно качество обработки внутренней поверхности цилиндра и состояние уплотнений поршня. Износ уплотнений приводит к внутренним перетечкам воздуха, снижению развиваемого усилия и увеличению расхода воздуха. Типичный ресурс поршневых уплотнений составляет 1-2 миллиона циклов при соблюдении требований к качеству сжатого воздуха.

2.3. Поворотные приводы (реечные и кулисные)

Поворотные (неполноповоротные) приводы предназначены для управления арматурой с поворотным запорным элементом: шаровыми кранами, дисковыми затворами, пробковыми кранами. Угол поворота выходного вала обычно составляет 90 градусов, реже — 180 градусов.

Реечно-поршневые приводы (Rack and Pinion) преобразуют поступательное движение одного или двух поршней во вращательное движение вала посредством реечной передачи. Особенностью данной конструкции является постоянный крутящий момент на протяжении всего хода, что обеспечивает равномерное усилие при открытии и закрытии арматуры. Для увеличения долговечности реечное зацепление покрывается никелевым или хромовым покрытием.

Кулисно-поршневые приводы (Scotch Yoke) используют кулисный механизм для преобразования линейного движения поршня во вращательное. Отличительной особенностью является неравномерная характеристика крутящего момента: максимальные значения достигаются в начале и конце хода (в крайних положениях), что соответствует реальным потребностям при управлении дисковыми затворами, где наибольшие усилия возникают при страгивании диска из седла. Приводы кулисного типа экономически эффективны при крутящих моментах свыше 7000 Нм.

3. Позиционеры: конструкции и принципы работы

Позиционер представляет собой устройство обратной связи, обеспечивающее точное соответствие положения штока или вала арматуры входному управляющему сигналу. Применение позиционера формирует замкнутый контур регулирования положения, что позволяет преодолевать силы трения в арматуре, компенсировать неуравновешенные силы от давления рабочей среды и обеспечивать требуемые динамические характеристики регулирования.

3.1. Пневматические и электропневматические позиционеры

Пневматические позиционеры работают с входным пневматическим сигналом (типично 0,2-1,0 бар или 3-15 psi) и применяются в полностью пневматических системах автоматизации. Принцип действия основан на механизме «сопло-заслонка» с рычажной системой обратной связи. Изменение входного давления вызывает перемещение заслонки относительно сопла, что изменяет выходное давление, подаваемое на привод.

Электропневматические позиционеры (ЭПП) преобразуют электрический токовый сигнал (4-20 мА) в пневматическое давление. Конструктивно они включают электропневмопреобразователь (ЭПП) и пневматический усилитель мощности. ЭПП широко применяются совместно с регулирующими клапанами, оснащенными мембранными исполнительными механизмами (МИМ).

Типичные технические характеристики электропневматических позиционеров: входной сигнал 4-20 мА (опционально 0-10 В), давление питания 1,4-7 бар, рабочий диапазон температур от -40 до +85 C, степень защиты IP65 или IP66. Точность позиционирования современных ЭПП составляет 0,5-1% от диапазона хода.

3.2. Интеллектуальные позиционеры с цифровыми протоколами

Интеллектуальные (smart) позиционеры представляют собой микропроцессорные устройства с расширенными функциональными возможностями. Позиционеры данного класса, такие как Siemens SIPART PS2, Fisher DVC6200, Emerson FIELDVUE, Yokogawa YVP, поддерживают цифровые протоколы связи HART, PROFIBUS PA, Foundation Fieldbus, что обеспечивает интеграцию в современные распределенные системы управления (DCS).

Функциональные возможности интеллектуальных позиционеров включают: автоматическую настройку параметров регулятора положения (автокалибровка), расширенную диагностику состояния клапана и привода, сбор и хранение статистических данных о работе арматуры, функцию частичного хода (Partial Stroke Test) для проверки работоспособности без полного срабатывания, мониторинг трения в сальниковом уплотнении и седле клапана.

Точность интеллектуальных позиционеров достигает 0,1-0,3% от диапазона хода благодаря цифровой обратной связи и адаптивным алгоритмам управления. Зона нечувствительности (мертвая зона) может настраиваться в широких пределах, что позволяет оптимизировать работу позиционера под конкретные условия эксплуатации.

3.3. Методика подбора позиционера

При выборе позиционера необходимо учитывать следующие факторы: тип управляющего сигнала (пневматический, токовый, цифровой), тип привода (поступательный, поворотный, одностороннего или двустороннего действия), требования к точности позиционирования, условия окружающей среды (температура, влажность, агрессивные воздействия), требования по взрывозащите, необходимость диагностических функций.

Для пневматических приводов одностороннего действия используются позиционеры с одним выходом, для приводов двустороннего действия — с двумя выходами. Позиционеры для поворотных приводов оснащаются специальными монтажными комплектами и механизмами обратной связи, адаптированными под угловое перемещение.

4. Требования к качеству сжатого воздуха

4.1. Стандарты качества воздуха

Качество сжатого воздуха для пневматических систем регламентируется стандартом ГОСТ Р ИСО 8573-1-2016 «Сжатый воздух. Часть 1. Загрязнения и классы чистоты» (заменил устаревший ГОСТ 17433-80). Стандарт ISO 8573-1 устанавливает классы чистоты по трем основным параметрам: содержанию твердых частиц, влажности (точке росы) и содержанию масла.

Класс чистоты обозначается тремя цифрами через точку: первая цифра определяет класс по твердым частицам, вторая — по влажности, третья — по содержанию масла. Например, обозначение 3.4.3 означает: класс 3 по частицам (размер до 5 мкм), класс 4 по влажности (точка росы +3 C), класс 3 по маслу (содержание до 1 мг/м3).

Для стандартных пневмоприводов промышленного назначения рекомендуется класс чистоты 4.4.4 или лучше. Интеллектуальные позиционеры с микропроцессорным управлением требуют более высокого качества воздуха — класс 2.2.2 или 3.3.3. Загрязненный воздух вызывает ускоренный износ уплотнений, засорение дроссельных отверстий в позиционерах, коррозию внутренних поверхностей и снижение точности позиционирования.

4.2. Системы подготовки воздуха

Система подготовки воздуха для пневмоприводов включает следующие элементы: фильтры грубой и тонкой очистки для удаления твердых частиц, влагоотделители (сепараторы) для удаления капельной влаги, осушители для снижения точки росы, маслоотделители для удаления масляных аэрозолей и паров, регуляторы давления для стабилизации давления питания, лубрикаторы для добавления смазки (при необходимости).

Для химических производств с повышенными требованиями к чистоте воздуха применяются адсорбционные осушители с регенерацией адсорбента, обеспечивающие точку росы до -70 C. Мембранные осушители используются для умеренных требований (точка росы до -40 C). Угольные фильтры применяются для удаления паров масла и обеспечения класса чистоты по маслу 1 или 2.

Блоки подготовки воздуха (FRL — Filter-Regulator-Lubricator) устанавливаются непосредственно перед каждым пневмоприводом или группой приводов. Регулятор давления в составе блока обеспечивает стабильное давление питания независимо от колебаний в магистральной сети. Слив конденсата из фильтров должен осуществляться регулярно — вручную или с помощью автоматических конденсатоотводчиков.

5. Техническое обслуживание и диагностика

5.1. Виды и периодичность технического обслуживания

Техническое обслуживание пневматических приводов регламентируется требованиями СТО Газпром 2-2.3-385-2009 «Порядок проведения технического обслуживания и ремонта трубопроводной арматуры», отраслевыми стандартами и технической документацией производителей. Периодичность и объем работ зависят от условий эксплуатации, интенсивности использования и критичности арматуры для технологического процесса.

Ежесменное обслуживание включает визуальный осмотр привода, проверку отсутствия утечек воздуха по характерному шипящему звуку, контроль давления в системе питания, проверку соответствия положения арматуры показаниям указателя. Обнаруженные утечки или отклонения фиксируются в оперативном журнале для последующего устранения.

Периодическое техническое обслуживание (ежемесячное, ежеквартальное) включает: проверку герметичности всех пневматических соединений методом обмыливания, очистку и замену фильтрующих элементов блоков подготовки воздуха, слив конденсата из ресиверов и фильтров, проверку и регулировку концевых выключателей, проверку работоспособности позиционера путем подачи контрольных сигналов.

Годовое техническое обслуживание предусматривает полную ревизию привода с разборкой при необходимости, проверку состояния уплотнений и их замену при выработке ресурса, проверку и регулировку пружин, калибровку позиционера с документированием результатов, испытание на герметичность с фиксацией падения давления.

5.2. Типичные неисправности и методы диагностики

Наиболее распространенными неисправностями пневмоприводов являются: утечки воздуха через изношенные уплотнения поршня и штока, повреждения мембраны, засорение дросселей и глушителей, неисправности позиционера, коррозия внутренних поверхностей, поломка пружин. Косвенными признаками неисправности служат: увеличенное время срабатывания привода, неполное открытие или закрытие арматуры, повышенный расход воздуха, нестабильность положения в промежуточных позициях.

Диагностика утечек воздуха проводится методом обмыливания — нанесением мыльного раствора на соединения и уплотнения. Появление пузырьков указывает на место утечки. Для количественной оценки утечек применяется метод измерения падения давления: после отключения подачи воздуха и стабилизации давления контролируется его снижение за определенный период. Согласно нормативным требованиям, допустимое падение давления составляет не более 1 бар за 72 часа.

Современные интеллектуальные позиционеры обеспечивают непрерывную диагностику состояния клапана и привода. Диагностические параметры включают: ход штока и его отклонение от заданного значения, время отработки команды, трение в сальниковом уплотнении (оценивается по разности давлений при движении в противоположных направлениях), люфт в кинематической цепи, состояние пружины привода. Данные диагностики передаются в систему верхнего уровня по цифровым протоколам и используются для планирования технического обслуживания по состоянию.

• Снижение быстродействия привода: проверить давление питания, чистоту дросселей, состояние глушителей на выхлопе
• Нестабильность положения при регулировании: проверить настройку позиционера, отсутствие утечек, состояние обратной связи
• Привод не развивает полное усилие: проверить давление питания, состояние уплотнений поршня/мембраны, затяжку крепежа
• Самопроизвольное изменение положения: проверить исправность фиксаторов положения, утечки через распределитель
• Повышенный расход воздуха: проверить все уплотнения на утечки, состояние мембраны, работу конденсатоотводчиков

6. Взрывозащита и безопасность

Применение пневматических приводов на взрывоопасных производствах химической промышленности регламентируется требованиями серии стандартов ГОСТ 31610 (IEC 60079) «Взрывоопасные среды» и технического регламента ТР ТС 012/2011. Пневматическая часть привода сама по себе является искробезопасной, однако навесное электрическое оборудование (позиционеры, концевые выключатели, электромагнитные клапаны) должно иметь соответствующий уровень взрывозащиты.

Уровни взрывозащиты оборудования (EPL — Equipment Protection Level) согласно ГОСТ 31610.0-2019 подразделяются на: Ga (очень высокий уровень защиты, зона 0), Gb (высокий уровень защиты, зона 1), Gc (повышенный уровень защиты, зона 2) для газовых взрывоопасных сред, и аналогично Da, Db, Dc для пылевых сред. Выбор уровня защиты определяется классификацией взрывоопасной зоны по ГОСТ IEC 60079-10-1.

Наиболее распространенные виды взрывозащиты для навесного оборудования пневмоприводов: «взрывонепроницаемая оболочка d» (ГОСТ IEC 60079-1), «искробезопасная электрическая цепь i» (ГОСТ 31610.11), «повышенная защита e» (ГОСТ 31610.7). Позиционеры во взрывозащищенном исполнении, например Siemens SIPART PS2 в корпусе Ex d IIC T4-T6, допускаются к применению в зонах 1 и 2.

Согласно СТ ЦКБА 090-2013, пневмоприводы по назначению могут изготавливаться в трех исполнениях: нормального (общепромышленного) назначения, во взрывозащищенном исполнении и повышенной безопасности для атомных станций (АС). Для взрывозащищенного исполнения устанавливаются дополнительные требования к материалам, конструкции и испытаниям.

7. Расчет и подбор пневмопривода

Выбор пневматического привода для конкретной арматуры основывается на расчете требуемого крутящего момента (для поворотной арматуры) или усилия (для арматуры с линейным ходом) и сопоставлении его с характеристиками привода при заданном давлении питания. Исходными данными для расчета являются: тип и размер арматуры, рабочие параметры среды (давление, температура, свойства), требуемый режим работы (запорный, регулирующий, аварийный).

Для запорной поворотной арматуры (шаровые краны, дисковые затворы) крутящий момент привода должен превышать момент сопротивления арматуры с учетом коэффициента запаса. Типичный коэффициент запаса составляет 1,25-1,5 для нормальных условий и до 2,0 для тяжелых условий эксплуатации (высокая вязкость среды, низкие температуры, длительные простои).

При подборе привода одностороннего действия необходимо учитывать, что усилие (момент) при движении на открытие и закрытие различается из-за действия возвратных пружин. В крайних положениях момент от пружин максимален и направлен в сторону исходного положения. Это должно учитываться при определении запаса по моменту для гарантированного срабатывания арматуры.

Для регулирующей арматуры дополнительно учитывается неуравновешенное усилие от перепада давления на затворе. Привод должен обеспечивать надежное позиционирование во всем диапазоне рабочих условий. При использовании позиционера требования к приводу могут быть снижены, поскольку позиционер компенсирует гистерезис и нелинейность характеристики.

Давление питания выбирается исходя из давления в заводской пневмосети (обычно 4-8 бар) с учетом потерь в трубопроводах и арматуре. Рекомендуется расчетное давление принимать на 1-1,5 бар ниже минимального гарантированного давления в сети для обеспечения надежности срабатывания при колебаниях давления.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)