Сильфонная арматура: герметичные запорные и регулирующие клапаны

Таблица 1. Типы сильфонной арматуры и их применение

Таблица 2. Материалы сильфонов и их характеристики

Таблица 3. Ресурс сильфонов по количеству рабочих циклов

Таблица 4. Методы контроля состояния сильфонной арматуры

Введение в сильфонную арматуру

Сильфонная арматура представляет собой специализированный класс трубопроводной арматуры, обеспечивающий абсолютную герметичность относительно окружающей среды за счет применения сильфонного узла. В условиях современных химических производств, где транспортируются токсичные, взрывоопасные и агрессивные среды, требования к герметичности арматуры достигают максимального уровня. Традиционное сальниковое уплотнение штока не способно гарантировать полное отсутствие утечек рабочей среды, что создает риски для персонала и окружающей среды.

Сильфонный узел решает эту проблему путем создания гибкого металлического барьера, который деформируется при перемещении штока, но сохраняет абсолютную герметичность. Согласно ГОСТ 24856-2014, сильфонная арматура определяется как арматура, у которой для герметизации штока относительно окружающей среды, а также в качестве чувствительного или силового элемента используется сильфон. Этот элемент представляет собой гофрированную тонкостенную оболочку, способную к упругим деформациям растяжения, сжатия и изгиба без потери герметичности.

Применение сильфонной арматуры особенно актуально на предприятиях химической, нефтехимической, фармацевтической промышленности, в атомной энергетике и других отраслях, где обращаются с опасными веществами. Сильфонные клапаны занимают значительную долю рынка трубопроводной арматуры и применяются везде, где недопустима даже минимальная утечка рабочей среды во внешнюю среду.

Определение и принцип работы сильфонных клапанов

Основные функции сильфона

Сильфон в трубопроводной арматуре выполняет несколько критически важных функций. Основная задача – обеспечение герметизации подвижного штока или шпинделя относительно окружающей атмосферы. В отличие от сальниковых уплотнений, требующих периодической подтяжки и замены набивки, сильфонный узел создает металлический герметичный барьер, который не нуждается в обслуживании в течение всего срока службы.

Второстепенные функции сильфона включают использование в качестве чувствительного элемента в предохранительных клапанах, где сильфон реагирует на изменение давления и обеспечивает автоматическое срабатывание. В некоторых конструкциях сильфон выступает силовым элементом, создающим дополнительное усилие для открытия или закрытия затвора.

Принцип обеспечения герметичности

Принцип работы основан на способности гофрированной металлической оболочки деформироваться в осевом направлении при сохранении полной герметичности. Один конец сильфона герметично приварен или припаян к корпусу клапана, второй конец соединен со штоком. При перемещении штока вверх или вниз сильфон растягивается или сжимается соответственно, при этом внутренняя полость остается полностью изолированной от внешней среды.

Гофры сильфона позволяют компенсировать значительные осевые перемещения штока – от нескольких миллиметров до десятков миллиметров в зависимости от размера клапана. Количество гофров в сильфонах для трубопроводной арматуры обычно составляет от 4 до 20, что обеспечивает необходимый рабочий ход при сохранении требуемой жесткости конструкции.

Конструкция сильфонного узла

Геометрические параметры

Конструкция сильфона характеризуется несколькими ключевыми параметрами. Наружный диаметр сильфона определяется размером проходного сечения клапана и обычно находится в диапазоне от 15 до 200 мм для промышленной арматуры. Высота гофра влияет на амплитуду деформации – чем выше гофр, тем больший ход может обеспечить сильфон при одинаковом количестве гофров. Шаг гофров определяет количество гофров на единицу длины и влияет на жесткость узла.

Толщина стенки сильфона является критическим параметром, определяющим баланс между гибкостью и прочностью. Для многослойных сильфонов толщина одного слоя обычно составляет от 0,08 до 0,25 мм. Общая толщина пакета слоев обеспечивает необходимую прочность при рабочем давлении. Согласно классификации, сильфон с отношением радиуса впадины гофра к толщине стенки 15 и более называется тонкостенным, менее 15 – толстостенным.

Многослойные конструкции

Подавляющее большинство сильфонов для промышленной арматуры выполняются многослойными. Количество слоев варьируется от 2 до 12 в зависимости от требуемого рабочего давления и условий эксплуатации. Многослойная конструкция позволяет использовать тонкие листы металла, что обеспечивает необходимую гибкость, при этом суммарная толщина пакета слоев дает требуемую прочность.

Важная технологическая особенность многослойных сильфонов – расположение продольных сварных швов отдельных слоев. Швы размещают равномерно по окружности: для двухслойного сильфона швы располагают на противоположных сторонах, для трехслойного – через 120 градусов, для четырехслойного – через 90 градусов. Такое расположение обеспечивает равномерное распределение напряжений и предотвращает концентрацию дефектов в одной зоне.

Присоединительные элементы

Присоединительные детали сильфонов изготавливаются из материала, совместимого с материалом самого сильфона. Для стальных сильфонов применяется сталь марок 08Х18Н10Т или 12Х18Н10Т с содержанием углерода до 0,12 процентов. Соединение сильфона с присоединительными деталями выполняется методом аргонодуговой сварки, что обеспечивает высокое качество сварного шва и сохранение коррозионной стойкости зоны соединения.

Классификация сильфонной арматуры

По функциональному назначению

Сильфонная арматура классифицируется по нескольким признакам. По функциональному назначению выделяют запорную, регулирующую и предохранительную сильфонную арматуру. Запорная сильфонная арматура предназначена для полного перекрытия потока среды и имеет два рабочих положения – полностью открыто и полностью закрыто. Регулирующая сильфонная арматура позволяет плавно изменять расход среды путем частичного перекрытия проходного сечения. Предохранительная сильфонная арматура автоматически сбрасывает избыточное давление при превышении установленного значения.

По типу конструкции

По типу конструкции трубопроводная арматура с сильфонным уплотнением подразделяется на клапаны, краны и задвижки. Клапаны сильфонные, где запорный элемент перемещается параллельно оси потока, являются наиболее распространенным типом. Краны сильфонные с поворотным запорным элементом обеспечивают быстрое открытие и закрытие. Задвижки сильфонные с перпендикулярным перемещением затвора применяются на трубопроводах большого диаметра.

По способу управления

По способу управления сильфонная арматура делится на ручную, с электрическим приводом, с пневматическим приводом и с гидравлическим приводом. Ручная арматура управляется маховиком или рукояткой и применяется на трубопроводах малого диаметра при нечастом переключении. Арматура с электроприводом обеспечивает дистанционное управление и автоматизацию технологических процессов. Пневматические и гидравлические приводы используются в системах автоматического регулирования параметров процесса.

Материалы изготовления сильфонов

Нержавеющие стали аустенитного класса

Основным материалом для изготовления сильфонов служат нержавеющие стали аустенитного класса. Наиболее распространены марки 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т, которые сочетают хорошую коррозионную стойкость с необходимыми механическими свойствами. Эти стали содержат около 18 процентов хрома и 10 процентов никеля, что обеспечивает стойкость к большинству кислот средней концентрации, щелочей и органических растворителей.

Легирование титаном предотвращает межкристаллитную коррозию при сварке и эксплуатации при повышенных температурах. Температурный диапазон применения сильфонов из хромоникелевых сталей составляет от минус 196 до плюс 400 градусов Цельсия при рабочих условиях. Материал сохраняет пластичность при криогенных температурах и прочность при повышенных температурах.

Молибденсодержащие нержавеющие стали

Для работы с особо агрессивными средами применяют молибденсодержащие нержавеющие стали марок 10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13М3Т. Добавка молибдена в количестве 2-3 процентов значительно повышает стойкость к питтинговой и щелевой коррозии, особенно в присутствии хлоридов. Эти материалы незаменимы на производствах хлора и хлорсодержащих продуктов, при работе с морской водой, концентрированными кислотами.

Молибденовые стали обеспечивают работу сильфонов при температурах до 450 градусов Цельсия и давлениях до десятков мегапаскалей. Стоимость таких материалов выше обычных хромоникелевых сталей, но в критических применениях использование молибденсодержащих сталей технически и экономически обосновано.

Титановые сплавы

Титановые сплавы марок ВТ1-0 и ОТ4-0 применяются для сильфонов, работающих с экстремально агрессивными средами. Титан демонстрирует исключительную стойкость к азотной кислоте любой концентрации, хлорной воде, влажному хлору, гипохлоритам. В морской воде титан практически не подвержен коррозии, что делает его незаменимым в морской химии и на морских платформах.

Рабочий температурный диапазон титановых сильфонов ограничен пределами от минус 196 до плюс 350 градусов Цельсия, что позволяет применять их в криогенной технике и при умеренно повышенных температурах. Основной недостаток титана – высокая стоимость материала и сложность обработки, что ограничивает массовое применение.

Специальные сплавы и композиты

Инвар, сплав на основе железа и никеля марки 36НХТЮ, применяется в измерительных сильфонах благодаря низкому коэффициенту термического расширения. Это обеспечивает стабильность показаний приборов при колебаниях температуры. Бериллиевая бронза марки БрБ2 используется в датчиках давления и низкотемпературных применениях благодаря хорошим упругим свойствам.

Фторопласт Ф-4 применяется для изготовления неметаллических сильфонов, работающих с особо агрессивными средами при умеренных давлениях. Фторопласт обладает универсальной химической стойкостью и работает в диапазоне температур от минус 200 до плюс 260 градусов Цельсия. Однако низкая механическая прочность ограничивает применение фторопластовых сильфонов давлениями не более 1-2 мегапаскалей.

Технологии производства сильфонов

Гидравлическое формование

Гидравлическое формование является основным методом изготовления цельнотянутых сильфонов. Процесс начинается с заготовки в виде тонкостенной трубы, которая помещается в разъемную форму. Внутрь трубы под высоким давлением подается жидкость, которая раздувает стенки трубы, формируя гофры в полостях формы. Преимущество гидроформовки – равномерное распределение давления по всей поверхности, что минимизирует остаточные напряжения и обеспечивает однородность свойств.

Метод позволяет формировать сильфон целиком за один цикл, что повышает производительность при серийном выпуске. Гидравлическое формование применяют для сильфонов диаметром до 100 миллиметров. Точность геометрии гофров и чистота поверхности при гидроформовке выше, чем при механическом формовании.

Механическое формование

Механическое формование роликами применяется для изготовления сильфонов большого диаметра, свыше 100 миллиметров. Процесс предусматривает последовательное формирование отдельных гофров путем вдавливания ролика в стенку трубы с последующей калибровкой. Один гофр формируется за несколько проходов инструмента, что обеспечивает точность размеров. После формовки всех гофров проводится окончательная калибровка роликами для придания требуемой формы.

Механическое формование технологически более сложное и трудоемкое по сравнению с гидравлическим, но позволяет изготавливать сильфоны большего диаметра и с более высокими гофрами. Метод обеспечивает хороший контроль геометрических параметров на каждом этапе производства.

Сварные пластинчатые сильфоны

Сварные пластинчатые сильфоны изготавливают из кольцевых пластин-мембран, которые свариваются попеременно по внутреннему и наружному диаметру. Технология позволяет использовать широкий спектр материалов, включая сплавы на основе никеля, хрома, титана, которые трудно поддаются формовке. Отсутствие пластической деформации материала при изготовлении сохраняет исходные свойства металла.

Сварные пластинчатые конструкции обладают повышенной циклической прочностью по сравнению с формованными сильфонами. Ресурс сварных пластинчатых сильфонов может достигать 100-200 тысяч циклов, что значительно превосходит цельнотянутые аналоги. Современные производители активно внедряют сварные пластинчатые сильфоны как наиболее перспективное направление увеличения надежности и долговечности арматуры.

Ресурс и долговечность сильфонной арматуры

Понятие ресурса сильфона

Ресурс сильфона определяется как количество рабочих циклов от начала эксплуатации при заданных параметрах до перехода в предельное состояние. Рабочий цикл включает подачу горячего продукта под давлением, разогрев системы, работу при установившемся режиме, прекращение подачи продукта и охлаждение. Каждый цикл сопровождается деформацией сильфона, накоплением усталостных повреждений в материале.

Для трубопроводов технологических установок, которые отключаются не более 200 раз в год, минимальный расчетный ресурс составляет 10000 циклов, что соответствует 50 годам эксплуатации. На практике реальный ресурс сильфонной арматуры при правильной эксплуатации часто превышает расчетные значения в полтора-два раза.

Факторы, влияющие на ресурс

Основные факторы, определяющие долговечность сильфонов: амплитуда деформации при рабочем цикле, рабочее давление среды, температура эксплуатации, коррозионная агрессивность среды, качество изготовления. Увеличение амплитуды деформации резко снижает ресурс из-за роста напряжений в материале гофров. При проектировании стремятся ограничить деформацию сильфона не более 50-60 процентов от максимально допустимой.

Рабочее давление создает дополнительные напряжения в стенках сильфона. С увеличением давления, толщины стенок, высоты и шага гофров ресурс падает. Эти параметры учитываются при расчете путем корректировки амплитуды напряжений. Для сильфонных компенсаторов, работающих при температуре до 250 градусов, применяется коэффициент запаса 1,5, при температуре выше 250 градусов – коэффициент 2.

Усталостная прочность материалов

Усталостное разрушение сильфонов происходит в результате многократного циклического нагружения. Графические зависимости количества циклов до разрушения от размаха напряжений получают экспериментально на натурных образцах. Для углеродистых и низколегированных сталей при температуре до 360 градусов и хромоникелевых сталей при температуре до 450 градусов разработаны стандартные кривые усталости.

Кривые усталости показывают, что при снижении амплитуды напряжений вдвое ресурс увеличивается примерно на порядок. Это объясняет важность правильного подбора сильфона по параметрам давления, температуры и компенсирующей способности. Завышенный запас по прочности приводит к увеличению жесткости узла и габаритов арматуры, заниженный запас – к преждевременному выходу из строя.

Нормативная база и стандарты

Российские стандарты

Основным нормативным документом, определяющим термины и определения в области трубопроводной арматуры, является ГОСТ 24856-2014. Стандарт содержит определение сильфонной арматуры и классификацию арматуры по различным признакам. ГОСТ 21744-83 устанавливает общие технические условия на многослойные металлические сильфоны, включая требования к материалам, конструкции, методам контроля и испытаний. В настоящее время также действует ГОСТ Р 55019-2012, дополняющий требования к многослойным сильфонам.

Для сосудов и аппаратов, частью которых является сильфонная арматура, действует ГОСТ 34347-2017, определяющий требования к стальным сварным сосудам. Расчет на прочность сильфонов и арматуры выполняется согласно серии стандартов ГОСТ 34233, охватывающих различные аспекты прочностного анализа. Безопасность эксплуатации регламентирует ГОСТ 12.2.063-2015, устанавливающий общие требования безопасности к трубопроводной арматуре. Нормы герметичности затворов установлены ГОСТ 9544-2015.

Технические регламенты

Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 032/2013 устанавливает требования к оборудованию, работающему под избыточным давлением, включая сильфонную арматуру. Регламент определяет процедуры подтверждения соответствия, маркировку продукции, требования к эксплуатационной документации. ТР ТС 012/2011 регламентирует безопасность оборудования для работы во взрывоопасных средах, что актуально для химических производств.

Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности ФНП устанавливают правила безопасной эксплуатации оборудования под давлением. Документ содержит требования к конструированию, изготовлению, монтажу, наладке, эксплуатации, техническому освидетельствованию сильфонной арматуры на опасных производственных объектах.

Международные стандарты

Серия стандартов IEC 60079 определяет требования к взрывозащите электрооборудования, включая электроприводы сильфонной арматуры. Стандарт IEC 61511 устанавливает требования к функциональной безопасности систем, включая защитную арматуру, классифицируя их по уровням полноты безопасности SIL. Стандарты API широко применяются в нефтехимической промышленности.

Применение в химической промышленности

Производства с токсичными средами

В химической промышленности сильфонная арматура находит применение везде, где обращаются с токсичными веществами. Производства хлора и каустической соды, фосгена, синильной кислоты, аммиака требуют абсолютной герметичности арматуры. Даже минимальная утечка этих веществ создает опасность для персонала и окружающей среды. Сильфонные клапаны обеспечивают класс герметичности А по ГОСТ 9544-2015, что соответствует полному отсутствию видимых утечек.

На производствах ядовитых веществ применяются сильфонные клапаны из специальных материалов. Для хлора используют титановые сильфоны, обеспечивающие стойкость к влажному хлору и гипохлоритам. Для производства фтора и фтористых соединений применяют никелевые сплавы. Конструкция арматуры предусматривает дублирование герметичности – сочетание сильфонного узла с сальниковым уплотнением.

Производства кислот и щелочей

Производство серной, азотной, соляной, фосфорной кислот, а также концентрированных щелочей предъявляет высокие требования к коррозионной стойкости арматуры. Сильфонные клапаны из молибденсодержащих нержавеющих сталей обеспечивают длительную работу в этих средах. Для особо агрессивных концентрированных кислот применяют сильфоны из титана или футерованную арматуру с сильфонным уплотнением штока.

В производстве концентрированной азотной кислоты титановая сильфонная арматура демонстрирует исключительную надежность. Титан пассивируется в азотной кислоте любой концентрации, образуя защитную пленку оксида. Срок службы титановых сильфонов в азотной кислоте измеряется десятилетиями при условии отсутствия механических повреждений и правильной эксплуатации.

Фармацевтическое производство

Фармацевтическая промышленность предъявляет особые требования к чистоте продукции и отсутствию загрязнений. Сильфонная арматура из нержавеющих сталей с электрополированной поверхностью обеспечивает высокую чистоту технологических сред. Полное отсутствие утечек через сальниковое уплотнение исключает попадание смазки и загрязнений в продукт.

На фармацевтических производствах часто применяют сильфонную арматуру с возможностью стерилизации паром или химическими агентами. Конструкция арматуры обеспечивает легкую очистку и дезинфекцию всех поверхностей, контактирующих с продуктом. Сертификация по стандартам GMP подтверждает соответствие арматуры требованиям фармацевтического производства.

Полимерное производство

Производство полимеров включает работу с мономерами, катализаторами, растворителями, многие из которых токсичны и пожароопасны. Сильфонная арматура применяется на линиях подачи мономеров, на реакторах полимеризации, в системах очистки и выделения полимеров. Взрывозащищенные электроприводы и пневмоприводы в комбинации с сильфонными клапанами обеспечивают безопасность технологических процессов.

Критерии выбора сильфонной арматуры

Параметры рабочей среды

Выбор сильфонной арматуры начинается с анализа параметров рабочей среды. Химический состав среды определяет требуемый материал сильфона и деталей проточной части. Необходимо учитывать не только основной компонент, но и примеси, которые могут быть более агрессивными. Рабочая температура влияет на выбор материала и конструкции сильфона. При температурах выше 250 градусов требуется применение высокотемпературных материалов и учет термических деформаций.

Рабочее давление определяет количество слоев сильфона и толщину стенок. Для вакуумных применений важна жесткость сильфона, предотвращающая его схлопывание при разрежении. Расход среды и требуемая пропускная способность определяют диаметр клапана. Наличие абразивных частиц в среде требует особой конструкции уплотнительных поверхностей и защиты сильфона от механических повреждений.

Условия эксплуатации

Частота переключений арматуры влияет на требуемый ресурс сильфона. При частых циклах необходимо выбирать сильфоны с повышенной циклической прочностью, например, сварные пластинчатые конструкции. Наличие вибраций от работающего оборудования требует дополнительных мер защиты сильфона от усталостных разрушений. Климатические условия эксплуатации определяют исполнение арматуры по степени защиты от окружающей среды.

Требования по взрывозащите определяют тип привода и степень защиты электрооборудования. Для взрывоопасных зон применяют электроприводы во взрывозащищенном исполнении. Альтернативой служат пневматические мембранные приводы, которые не содержат источников воспламенения.

Требования по автоматизации

Системы автоматизации предъявляют требования к управляемости и контролю положения арматуры. Электроприводы с позиционерами обеспечивают точное регулирование и дистанционную индикацию положения затвора. Концевые выключатели сигнализируют о крайних положениях клапана. Датчики момента контролируют правильность посадки затвора и своевременно сигнализируют об износе уплотнений.

Для систем противоаварийной защиты применяют запорную арматуру с приводами, обеспечивающими гарантированное закрытие или открытие при пропадании энергоснабжения. Пружинные возвратные механизмы в пневмоприводах или аккумуляторные батареи в электроприводах обеспечивают аварийное управление. Время срабатывания арматуры должно соответствовать требованиям технологического процесса и систем безопасности.

Монтаж и эксплуатация

Правила монтажа

Монтаж сильфонной арматуры требует соблюдения ряда правил для обеспечения надежной работы. Перед установкой необходимо проверить соответствие маркировки арматуры проектным данным, убедиться в отсутствии транспортных повреждений, проверить наличие защитных заглушек на присоединительных патрубках. Трубопровод перед монтажом арматуры должен быть очищен от окалины, сварочных брызг, строительного мусора.

Установка арматуры выполняется в положении, указанном в паспорте. Большинство сильфонных клапанов рассчитаны на вертикальное положение штока, что обеспечивает правильную работу сильфона и отсутствие боковых нагрузок. Присоединительные фланцы должны быть соосны и параллельны, перекос фланцев создает изгибающие моменты на корпус клапана и может привести к повреждению сильфона.

Затяжка фланцевых соединений выполняется равномерно крест-накрест динамометрическим ключом с моментом, указанным в документации. Недостаточная затяжка приводит к течи через фланцевое соединение, избыточная – к деформации фланцев и корпуса арматуры. После монтажа удаляются защитные заглушки, проверяется свободный ход штока во всем диапазоне перемещений.

Пусконаладочные работы

Перед первым пуском системы проводится опрессовка трубопровода с установленной арматурой. Важно помнить, что пробное давление при опрессовке не должно превышать значение, указанное в паспорте сильфонной арматуры. Обычно это давление ниже пробного давления трубопровода из-за ограничений по прочности сильфона. Опрессовка выполняется при нормальной температуре, арматура должна находиться в открытом положении.

Проверка работоспособности включает плавное открытие и закрытие арматуры с контролем усилия на маховике или момента на приводе. Увеличение требуемого усилия может свидетельствовать о попадании посторонних предметов в затвор или заедании сальникового уплотнения. Для регулирующей арматуры проверяется плавность хода во всем диапазоне регулирования, отсутствие заеданий и скачков.

Правила эксплуатации

Эксплуатация сильфонной арматуры должна обеспечивать исключение механических повреждений сильфона. Конструкция сильфонной арматуры предусматривает защиту сильфона от внешних воздействий, однако внутренние повреждения возможны при гидроударах, резких перепадах давления, попадании твердых частиц. Запорная арматура должна открываться на полный ход, дросселирование потока при частично открытом затворе не допускается.

Перекрытие трубопровода запорной арматурой должно производиться плавно во избежание гидравлических ударов. Скорость закрытия определяется типом привода и особенностями технологического процесса. Быстрое закрытие клапана большого диаметра на трубопроводе с высокой скоростью потока может вызвать гидроудар, способный повредить не только арматуру, но и трубопровод.

Техническое обслуживание

Регламентные работы по техническому обслуживанию сильфонной арматуры проводятся согласно эксплуатационной документации. Периодический осмотр включает проверку внешнего состояния корпуса, отсутствие течей среды через фланцевые соединения и через корпус, контроль состояния сальникового уплотнения. Наличие течи из сальника может свидетельствовать о разрушении сильфона.

Смазка резьбовых соединений штока и сальникового узла выполняется рекомендованными смазками с периодичностью, указанной в паспорте. Использование несовместимых смазок может привести к повреждению уплотнений. Электроприводы требуют проверки затяжки электрических соединений, состояния токосъемных контактов, работоспособности концевых выключателей.

Ремонт и замена сильфонов

Важной особенностью сильфонной арматуры является неремонтопригодность сильфонного узла. При разрушении сильфона требуется полная замена сильфонного узла, что сопоставимо по стоимости и трудоемкости с заменой всего клапана. Это обстоятельство подчеркивает важность правильного выбора сильфонной арматуры на стадии проектирования и строгого соблюдения правил эксплуатации.

Срок службы сильфонной арматуры при правильной эксплуатации превышает срок службы сальниковой арматуры благодаря отсутствию изнашиваемых элементов в сильфонном узле. Однако превышение расчетных параметров эксплуатации, механические повреждения, коррозионное воздействие агрессивных сред могут привести к преждевременному выходу сильфона из строя.