Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Профессиональное руководство для технических специалистов химической промышленности
Регулирующая арматура представляет собой ключевой элемент систем автоматического регулирования технологических процессов в химической промышленности. Согласно определению ГОСТ 24856-2014, регулирующая арматура предназначена для управления параметрами рабочей среды путем изменения расхода проходящего через нее потока.
Принцип действия регулирующих клапанов основан на изменении площади проходного сечения при перемещении запорно-регулирующего органа относительно седла. Это перемещение осуществляется исполнительным механизмом, получающим управляющий сигнал от системы автоматического регулирования. Изменение положения затвора приводит к изменению гидравлического сопротивления клапана, что позволяет регулировать расход среды и, как следствие, давление, температуру или другие технологические параметры в управляемом контуре.
В современных химических производствах регулирующая арматура работает совместно с датчиками технологических параметров, контроллерами и исполнительными устройствами, образуя замкнутый контур автоматического регулирования. Высокие требования к точности, надежности и безопасности технологических процессов определяют строгие стандарты к конструкции и характеристикам регулирующих клапанов.
Согласно ГОСТ 12893-2005, по числу затворов регулирующие клапаны подразделяются на односедельные, двухседельные и клеточные. Односедельные клапаны имеют один затвор, перемещающийся относительно седла. Их конструкция проще, обеспечивается высокая герметичность затвора по классу А согласно ГОСТ 9544-2015, однако требуется большее усилие для перемещения затвора при высоких перепадах давления из-за несбалансированности конструкции.
Двухседельные клапаны оснащены двумя затворами, работающими параллельно на одной оси. Такая конструкция обеспечивает сбалансированность усилий от давления среды, что позволяет применять их при больших перепадах давления и больших условных диаметрах. Класс герметичности затвора у двухседельных клапанов обычно соответствует классу III или IV по ГОСТ 9544-2015.
Клеточные (плунжерные) клапаны представляют собой наиболее совершенную конструкцию для сложных условий эксплуатации. В таких клапанах проходные площади образованы профилированными отверстиями во втулке корпуса и плунжером, перемещающимся внутри этой втулки. Клеточная конструкция обеспечивает жесткую направляющую плунжера, что исключает его вибрацию и заклинивание даже при работе на вертикальных участках трубопроводов.
Проходные клапаны имеют входной и выходной патрубки, расположенные на одной оси. Такая конструкция применяется на горизонтальных участках трубопроводов и является наиболее распространенной. Угловые клапаны имеют патрубки, расположенные под углом девяносто градусов друг к другу. Они устанавливаются на вертикальных участках трубопроводов и в пароконденсатных системах, где требуется изменение направления потока.
Трехходовые клапаны оснащены тремя патрубками и применяются для смешения двух потоков с разными параметрами или для разделения одного потока на два направления. В смесительных клапанах два входных патрубка и один выходной, что позволяет регулировать соотношение смешиваемых потоков. В разделительных клапанах один входной и два выходных патрубка, обеспечивающих распределение потока между двумя направлениями.
Фланцевые клапаны являются наиболее распространенным типом присоединения. Размеры фланцев регламентируются ГОСТ 33259-2015. Фланцевое соединение обеспечивает удобство монтажа и демонтажа для обслуживания. Клапаны под приварку применяются на ответственных участках, где требуется высокая надежность соединения и отсутствие возможных утечек через фланцевые стыки.
Муфтовые клапаны с резьбовым соединением используются на трубопроводах малых диаметров до DN 50. Штуцерные клапаны применяются в специальных случаях, когда требуется быстрое подключение без сварки или фланцевого соединения.
Пропускная характеристика регулирующего клапана представляет собой зависимость относительной пропускной способности от относительного хода затвора при постоянном перепаде давления. Выбор типа пропускной характеристики определяется характером изменения сопротивления регулируемого объекта и требованиями к качеству регулирования.
При линейной характеристике приращение пропускной способности пропорционально перемещению затвора. Математически линейная характеристика выражается уравнением, где относительная пропускная способность изменяется прямо пропорционально относительному ходу затвора. Такая характеристика применяется в системах с постоянным или слабо меняющимся гидравлическим сопротивлением объекта регулирования.
Согласно ГОСТ 12893-2005, диапазон регулирования для клапанов с линейной характеристикой должен составлять не менее семь к одному. Это означает, что при изменении хода затвора от минимального до максимального положения пропускная способность клапана изменяется в семь раз. Линейная характеристика обеспечивает постоянный коэффициент усиления в системе автоматического регулирования во всем диапазоне работы клапана.
Равнопроцентная характеристика обеспечивает такую зависимость, при которой одинаковые приращения хода затвора вызывают одинаковые процентные изменения пропускной способности относительно текущего значения. При такой характеристике малые перемещения затвора в области малых открытий дают малое изменение расхода, а в области больших открытий те же перемещения дают значительно большее изменение расхода.
Показатель степени равнопроцентной характеристики определяется требуемым диапазоном регулирования. Для достижения диапазона регулирования пятьдесят к одному показатель степени составляет приблизительно четыре, что обеспечивает изменение пропускной способности в пятьдесят раз при полном ходе затвора. Минимальный диапазон регулирования для равнопроцентной характеристики согласно ГОСТ 12893-2005 составляет шестнадцать к одному.
Равнопроцентная характеристика применяется в большинстве технологических процессов химической промышленности, где имеется переменное гидравлическое сопротивление объекта или большие изменения расхода в процессе регулирования. Такая характеристика компенсирует изменение коэффициента усиления объекта регулирования и обеспечивает стабильное качество регулирования во всем диапазоне нагрузок.
Параболическая характеристика занимает промежуточное положение между линейной и равнопроцентной. Она применяется в случаях, когда требуется регулирование при нескольких различных режимах работы, которые не слишком удалены друг от друга. Математически параболическая характеристика выражается квадратичной зависимостью относительной пропускной способности от относительного хода затвора.
Коэффициент пропускной способности Kv является основной характеристикой регулирующего клапана, определяющей его способность пропускать рабочую среду. Согласно международному стандарту IEC 60534-2, коэффициент Kv равен расходу воды в кубических метрах в час при температуре от пятнадцати до двадцати градусов Цельсия, проходящей через клапан при перепаде давления один бар.
Для жидких сред базовая формула расчета коэффициента пропускной способности имеет вид:
где Q - объемный расход жидкости в кубических метрах в час, ΔP - перепад давления на клапане в барах, ρст - плотность воды при стандартных условиях (одна тысяча килограммов на кубический метр), ρ - плотность рабочей жидкости в килограммах на кубический метр.
Для воды при нормальных условиях формула упрощается до соотношения, где коэффициент Kv равен расходу, деленному на квадратный корень из перепада давления. При работе с вязкими жидкостями, имеющими кинематическую вязкость более двадцати сантистоксов, необходимо применять поправочные коэффициенты, которые могут снижать эффективную пропускную способность на величину от десяти до тридцати процентов.
Для газообразных сред расчет усложняется необходимостью учета сжимаемости газа и изменения его плотности при прохождении через клапан. Различают докритический и критический режимы истечения газа. При докритическом режиме, когда отношение перепада давления к давлению на входе меньше критического значения, применяется формула, учитывающая температуру газа, его плотность и давление на входе в клапан.
Критическое истечение наступает, когда скорость потока в узком сечении клапана достигает скорости звука в данной среде. При критическом истечении дальнейшее снижение давления на выходе клапана не приводит к увеличению расхода через клапан. Коэффициент критического истечения определяется экспериментально для каждой конструкции клапана и указывается производителем в технической документации.
Номинальная пропускная способность Kvs представляет собой значение коэффициента Kv для полностью открытого клапана. При подборе регулирующего клапана рассчитанное значение Kv умножается на коэффициент запаса, который обычно принимается в диапазоне от одной целых двух десятых до одной целых трех десятых. Это дает требуемое значение Kvs, по которому выбирается клапан из стандартного ряда типоразмеров.
Стандартный ряд значений Kvs построен в виде геометрической прогрессии и включает значения: одна целая ноль, одна целая шесть, две целых пять, четыре целых ноль, шесть целых три, десять, шестнадцать, двадцать пять, сорок, шестьдесят три, сто и далее с соответствующим увеличением. Выбирается клапан с ближайшим большим значением Kvs относительно расчетного.
Рассмотрим пример расчета для химического производства. Требуется подобрать регулирующий клапан для линии подачи органического растворителя с плотностью восемьсот пятьдесят килограммов на кубический метр. Максимальный расход составляет десять кубических метров в час, требуемый перепад давления на клапане - ноль целых пять бар.
Расчет коэффициента Kv: Kv = десять умножить на корень квадратный из (одна тысяча деленная на восемьсот пятьдесят) деленное на корень квадратный из ноль целых пять. Выполнив вычисления, получаем Kv приблизительно равное пятнадцать целых четыре. С учетом коэффициента запаса одна целая три десятых получаем Kvs равное двадцать. Выбираем клапан со значением Kvs равным двадцать пять из стандартного ряда.
Выбор материалов для регулирующей арматуры в химической промышленности определяется коррозионной агрессивностью рабочей среды, температурой, давлением и механическими нагрузками. Основные конструкционные материалы должны обеспечивать длительную работоспособность в контакте с химическими веществами при сохранении механических свойств.
Углеродистая сталь марки 20 по ГОСТ 1050 применяется для изготовления корпусов клапанов, работающих с нейтральными средами, водой и паром. Температурный диапазон эксплуатации составляет от минус сорока до плюс четырехсот двадцати пяти градусов Цельсия. Литые корпуса изготавливаются из стали 20Л по ГОСТ 977, обеспечивающей достаточную прочность при номинальных давлениях до PN 64.
Нержавеющая сталь 12Х18Н9Т аналогична международной марке SS304 и применяется для сред со слабой и средней коррозионной агрессивностью. Содержание хрома около восемнадцати процентов обеспечивает образование защитной оксидной пленки на поверхности металла, предотвращающей коррозию. Добавление никеля около девяти процентов придает стали аустенитную структуру с хорошей пластичностью и свариваемостью.
Сталь 12Х18Н12М3Т с маркировкой SS316 по международным стандартам содержит дополнительно молибден около трех процентов, что существенно повышает стойкость к точечной и щелевой коррозии в хлоридсодержащих средах. Эта сталь является основным материалом для регулирующей арматуры в большинстве химических производств, работающих с кислотами средней концентрации, органическими растворителями и технологическими растворами. Температурный диапазон эксплуатации составляет от минус ста девяноста шести до плюс шестисот градусов Цельсия.
Сплав 904L представляет собой супераустенитную нержавеющую сталь с повышенным содержанием никеля около двадцати пяти процентов, хрома около двадцати процентов и молибдена около четырех с половиной процентов. Такой состав обеспечивает высокую стойкость к серной и фосфорной кислотам различной концентрации. Коэффициент устойчивости к точечной коррозии PREN для сплава 904L составляет около тридцати пяти, что значительно выше, чем у стандартных нержавеющих сталей.
Хастеллой C-276 является никелевым сплавом, содержащим около пятидесяти семи процентов никеля, шестнадцать процентов молибдена, шестнадцать процентов хрома и четыре процента вольфрама. Этот сплав обеспечивает исключительную стойкость к соляной кислоте, хлорному газу, плавиковой кислоте и смесям окислительных кислот. Хастеллой применяется в наиболее агрессивных средах, где другие материалы не обеспечивают требуемый срок службы.
Монель 400 представляет собой медно-никелевый сплав с содержанием никеля около шестидесяти трех процентов и меди около тридцати процентов. Сплав характеризуется высокой стойкостью к плавиковой кислоте, щелочам и морской воде. Температурный диапазон эксплуатации составляет от минус двухсот до плюс четырехсот градусов Цельсия, что позволяет использовать его в криогенных установках.
Титан Grade 2 по международной классификации является технически чистым титаном с содержанием основного металла более девяноста девяти процентов. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью в окислительных средах благодаря образованию стабильной оксидной пленки на поверхности. Он применяется для работы с хлорной водой, влажным хлором, азотной кислотой и другими окислителями. Ограничением применения титана является его низкая стойкость в восстановительных средах и средах, содержащих фтор.
Фторполимеры, в частности политетрафторэтилен PTFE, применяются в виде футеровки корпусов клапанов или уплотнительных колец. PTFE обеспечивает стойкость практически ко всем химическим веществам, за исключением расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора при повышенной температуре. Температурный диапазон применения PTFE составляет от минус двадцати до плюс ста восьмидесяти градусов Цельсия.
Керамические материалы на основе оксида алюминия или карбида кремния применяются для изготовления седел и затворов клапанов, работающих в абразивных средах. Керамика обладает высокой твердостью и износостойкостью, но требует осторожного обращения из-за хрупкости материала. Керамические элементы часто комбинируются с металлическими корпусами для обеспечения необходимой прочности конструкции.
Кавитация представляет собой одну из наиболее разрушительных проблем в работе регулирующих клапанов на жидких средах. Физически кавитация возникает, когда локальное статическое давление жидкости падает ниже давления насыщенных паров при данной температуре. В результате происходит парообразование с образованием кавитационных пузырьков, которые затем схлопываются при попадании в область повышенного давления, создавая микроударные волны с локальным давлением до нескольких тысяч атмосфер.
В регулирующем клапане наиболее узкое сечение потока находится в области затвора, где скорость жидкости максимальна. Согласно уравнению Бернулли, увеличение скорости потока сопровождается снижением статического давления. Если это снижение достаточно велико, давление падает ниже давления насыщенных паров, и начинается интенсивное парообразование.
После прохождения узкого сечения поток расширяется, скорость снижается, а давление восстанавливается. Пузырьки пара попадают в область повышенного давления и мгновенно конденсируются, создавая локальные гидравлические удары. Многократное повторение этого процесса приводит к эрозионному разрушению материала деталей клапана в зоне схлопывания кавитационных пузырьков.
Согласно стандарту IEC 60534-8-1, для оценки склонности клапана к кавитации используется коэффициент кавитации сигма, который представляет собой безразмерную величину, характеризующую гидравлические условия работы клапана. Сравнение рабочего значения сигма с критическим значением, определенным экспериментально для данной конструкции клапана, позволяет прогнозировать возникновение кавитационного разрушения.
Критический перепад давления, при котором начинается кавитация, зависит от давления на входе в клапан, давления насыщенных паров жидкости и конструктивных особенностей проточной части. Для воды при температуре двадцать градусов Цельсия давление насыщенных паров составляет приблизительно ноль целых ноль два три бара, однако для химических жидкостей это значение может существенно отличаться и должно определяться по справочным данным.
Современные производители регулирующей арматуры предлагают специальные антикавитационные исполнения клапанов, использующие принцип многоступенчатого снижения давления. В клеточных клапанах антикавитационного типа профиль отверстий в клетке выполнен таким образом, что перепад давления реализуется постепенно через несколько последовательных ступеней дросселирования.
Каждая ступень снижает давление на величину, недостаточную для возникновения кавитации, а общий перепад давления набирается за счет суммирования перепадов на отдельных ступенях. Количество ступеней определяется требуемым общим перепадом давления и может достигать пяти-восьми ступеней для особо сложных условий.
Производители такие как Emerson с технологией Fisher Cavitrol Hex и другие ведущие компании разработали специализированные тримы для предотвращения кавитации. Эти решения включают перфорированные клетки с системой лабиринтных каналов, обеспечивающих контролируемое снижение давления без образования кавитационных пузырьков в зонах, где они могут повредить детали клапана.
При невозможности полностью исключить кавитацию применяются материалы с повышенной стойкостью к кавитационной эрозии. Стеллит представляет собой кобальтовый сплав с добавлением хрома, вольфрама и углерода, обеспечивающий твердость около шестисот единиц по шкале HRC. Наплавка стеллитом уплотнительных поверхностей затвора и седла существенно увеличивает срок службы клапана в условиях кавитации.
Керамические вставки из оксида алюминия или карбида кремния также обеспечивают высокую стойкость к кавитационной эрозии. Твердость керамики составляет от полутора до трех тысяч единиц по шкале HV, что на порядок выше твердости закаленных сталей. Комбинированные конструкции с металлическим корпусом и керамическими вставками в зонах кавитации обеспечивают оптимальное соотношение прочности и износостойкости.
Исполнительный механизм регулирующего клапана преобразует управляющий сигнал от системы автоматики в перемещение затвора клапана. Согласно ГОСТ 14691, исполнительные механизмы подразделяются на пневматические, электрические, гидравлические и электро-пневматические.
Пневматические мембранные приводы являются наиболее распространенным типом исполнительных механизмов в химической промышленности благодаря надежности, простоте конструкции и искробезопасности. Рабочим телом служит сжатый воздух с давлением от одной целых четырех до двух целых четырех бара согласно требованиям ГОСТ Р ИСО 8573-1-2016 к качеству сжатого воздуха.
Мембрана изготавливается из многослойного армированного эластомера, обеспечивающего герметичность рабочей камеры и необходимую упругость. Диаметр мембраны определяется требуемым усилием на штоке и составляет от ста до трехсот миллиметров для стандартных конструкций. Возвратная пружина обеспечивает перемещение затвора в заданное безопасное положение при прекращении подачи управляющего сигнала.
По принципу действия при отказе воздуха различают нормально открытые и нормально закрытые клапаны. В нормально открытых клапанах пружина открывает затвор при отсутствии давления воздуха, что обеспечивает проход среды в аварийной ситуации. В нормально закрытых клапанах пружина закрывает затвор, перекрывая поток среды при отказе системы управления. Выбор типа отказного положения определяется требованиями технологической безопасности конкретного процесса.
Электрические приводы применяются в системах с электрическим управляющим сигналом и обеспечивают высокую точность позиционирования затвора. Мощность электродвигателя определяется требуемым крутящим моментом и скоростью перемещения затвора. Редуктор преобразует высокую скорость вращения двигателя в медленное перемещение штока клапана с увеличением крутящего момента.
Современные электрические приводы оснащаются встроенными позиционерами с обратной связью по положению, обеспечивающими точность позиционирования до ноль целых одной десятой процента от полного хода. Для взрывоопасных зон химических производств применяются электроприводы во взрывозащищенном исполнении с видами взрывозащиты Ex d или Ex e согласно ГОСТ 31610 серии стандартов.
Электро-пневматические позиционеры преобразуют электрический управляющий сигнал от системы автоматики в пневматический сигнал для управления мембранным приводом. Современные цифровые позиционеры оснащены микропроцессорами и обеспечивают диагностику состояния клапана, определение износа деталей и прогнозирование необходимости технического обслуживания.
Позиционеры производства Emerson FIELDVUE, Siemens SIPART PS2, ABB TZIDC обеспечивают точность позиционирования до ноль целых пяти сотых процента и время отработки полного хода от двух до пяти секунд в зависимости от типоразмера клапана. Протоколы связи HART, Profibus, Foundation Fieldbus позволяют интегрировать клапаны с позиционерами в современные системы автоматизации на базе распределенных систем управления DCS.
Процесс подбора регулирующего клапана включает несколько последовательных этапов, обеспечивающих правильный выбор типоразмера и конструктивного исполнения для конкретных условий эксплуатации.
Для подбора клапана необходимы следующие параметры рабочей среды: тип среды и ее физико-химические свойства, максимальный, номинальный и минимальный расходы в кубических метрах в час или килограммах в час, давление на входе и выходе клапана в барах или мегапаскалях, температура среды в градусах Цельсия, плотность или относительная плотность среды, кинематическая вязкость для вязких жидкостей, давление насыщенных паров для жидкостей.
Дополнительно требуется информация о присутствии механических примесей, их размере и концентрации, наличии абразивных частиц, коррозионной агрессивности среды, требованиях к классу герметичности затвора и взрывоопасности среды.
На основании исходных данных выполняется расчет требуемого коэффициента пропускной способности Kv для номинального режима работы. Учитывается коэффициент запаса от одной целых двух десятых до одной целых трех десятых для обеспечения работоспособности при максимальных нагрузках. Определяется номинальная пропускная способность Kvs путем умножения расчетного Kv на коэффициент запаса.
По значению Kvs выбирается типоразмер клапана из каталога производителя. Условный диаметр клапана может отличаться от диаметра трубопровода, на котором он устанавливается. При этом необходимо учитывать гидравлические потери на конфузоре перед клапаном и диффузоре после него.
Тип пропускной характеристики выбирается исходя из характера изменения сопротивления регулируемого объекта. Для большинства технологических процессов химической промышленности рекомендуется равнопроцентная характеристика, обеспечивающая стабильное качество регулирования во всем диапазоне нагрузок.
После предварительного выбора клапана выполняются проверочные расчеты. Проверка на возможность кавитации для жидких сред путем сравнения эксплуатационного коэффициента сигма с критическим значением для выбранной конструкции. При высоком риске кавитации рассматривается применение антикавитационного исполнения клапана или изменение схемы регулирования.
Проверка уровня шума и вибрации особенно важна для газовых и паровых сред при высоких перепадах давления. Расчетный уровень шума не должен превышать нормативные значения для данного типа производственного помещения. При необходимости применяются шумоглушащие тримы или акустические кожухи.
Проверка достаточности усилия исполнительного механизма выполняется с учетом максимального перепада давления и размера клапана. Необходимое усилие на штоке должно быть меньше номинального усилия выбранного исполнительного механизма с запасом не менее двадцать процентов.
Материалы корпуса, затвора и седла выбираются на основании коррозионной агрессивности среды, температуры и давления. Для агрессивных сред применяются нержавеющие стали, специальные сплавы или футерованные конструкции. При наличии абразивных частиц применяются твердосплавные наплавки или керамические вставки на уплотнительных поверхностях.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.