Дисковые поворотные затворы

Затворы

Затвор дисковый — вид трубопроводной арматуры, который имеет  в своем механизме запирающий  и/или выполняющий регулировочную функцию  элемент, называемый диском . Данный элемент представляет собой  по форме  форму диск,  вращающийся вокруг  своей оси,  которая в свою очередь  расположена под углом или перпендикулярно по отношению направления потока проводимой среды.

В положении «открыто» плоскость диска установлена вдоль оси проходного отверстия. Дисковые поворотные затворы позволяют соединить в одной конструкции две основные функции трубопроводной арматуры — регулирование и запирание потока. Область применения дисковых затворов ограничена по сравнению с другими типами из-за того, что их конструкция плохо приспособлена для работы при средних и высоких давлениях рабочей среды. Допустимый интервал давлений для дисковых затворов обычно не превышает 2,5 МПа.

Конструкция
По конструкции дисковые затворы бывают разборные или неразборные. Сборно-разборная конструкция дискового поворотного затвора позволяет производить замену его элементов — дискового седлового уплотнения, штока и диска — в условиях неспециализированной мастерской. Зато цельносварная конструкция обеспечивает повышенную герметичность из-за отсутствия лишних соединений. С рабочей средой контактирует только две детали: седловое уплотнение и диск; с корпусом вода не соприкасается.

Корпус
Корпус дискового затвора изготавливают из чугуна и различных видов высококачественной стали (нержавеющей, углеродистой). Снаружи поверхность затвора может быть покрыта эпоксидной смолой или нейлоном. Некоторые модификации дисковые затворов оснащены диэлектрической защитой от блуждающих токов. При этом использование деталей из стали не всегда оправдано, по крайней мере, не во всех элементах трубопровода. Дело в том, что при отрицательных температурах сталь может стать хрупкой, и стальной корпус дискового затвора может разрушиться. Диск (тарель)Из-за специфической формы диска, разделенного пополам валом, дисковый поворотный затвор называют «затвор-бабочка» (англ. — butterfly valve). Диск контактирует с рабочей средой, потому должен обладать хорошей абразивной и коррозийной стойкостью. Сферическую рабочую поверхность диска тщательно полируют для обеспечения герметичности, меньшего крутящего момента для поворота диска и увеличения срока службы уплотнения. Диск может быть плоским или сложной формы. В качестве материала для диска используют ковкий чугун с полиамидным или эпоксидным покрытием, хромированный чугун с шаровидными включениями графита, алюминий, бронзу, латунь, нержавеющую сталь, в том числе с различными покрытиями. В дисковых затворах традиционной конструкции ось управления диском совпадает с осью самого диска в закрытом положении (т.е. шток расположен по центру диска). При эксплуатации таких затворов, в особенности больших диаметров могут наблюдаться трудноустранимые протечки в местах посадки штоков в корпус дискового затвора. Именно поэтому ведущие мировые производителей запорнорегулирующей арматуры начали выпускать затворы, в которых ось диска и ось штока эксцентрично разнесены по длине заслонки. Такой способ позволил уплотнять шток только в направлении внешней среды в месте, где шток выходит для соединения с приводом. Несмотря на кажущуюся простоту указанного решения, реализация его потребовала использования компьютерного проектирования и моделирования и применения упругих уплотнений для надежной герметизации диска в уплотнении. Для обеспечения необходимого класса герметичности затворов требуется сдвиг оси штока от центральной оси корпуса дискового затвора, наклон плоскости диска относительно плоскости, перпендикулярной центральной оси корпуса затвора, профилирование манжеты по окружности уплотнения и угловое смещение осей конусов манжеты диска и упругого уплотнения. Такая трехмерная эксцентричность в сочетании с упругим уплотнением обеспечивает равномерное прилегание диска к уплотнению и обеспечивает полную герметичность затвора во всем диапазоне допустимых температур. Дополнительным преимуществом данной конструкции является более низкий крутящий момент при открытии/закрытии диска.

Вал (шток)
Перекрывающий поток рабочей среды диск закреплен в корпусе при помощи цельного или раздельного вала. Обе эти конструкции обладают как достоинствами, так и недостатками. Единый сквозной вал защищен от смещения в вертикальном направлении. Зато вал, состоящий из двух частей, позволяет минимизировать турбулентность протока и уменьшить коэффициент потери давления. Подшипниковые втулки, установленные на валу, служат для опоры и центрирования вала. Абсолютно неподверженные коррозии, они полностью предохраняют от гальванической коррозии вал и также существенно уменьшают вращательный момент и трение. Двустороннее уплотнение вала является дополнительной гарантией герметичности закрытого поворотного затвора и предохраняет от засорения в области вращения.

Седловое уплотнение (вкладыш)
Седловое уплотнение — одна из важнейших деталей фланцевого затвора. От него зависит герметичность затвора. С двух сторон на седловом уплотнении отлиты кольца, которые обеспечивают герметичность при установке затвора между фланцами, что не требует применения дополнительных прокладок. Затворы дисковые выпускаются с различными видами уплотнения запорного элемента: с эластичным уплотнением на диске; с эластичным уплотнением в корпусе; с эластичной рубашкой в корпусе; с металлическим уплотнением. Основное преимущество затворов с уплотнением в корпусе по сравнению с затворами с уплотнениями на диске — значительно меньше воздействие среды на уплотнение, что существенно повышает долговечность последнего. Эластичное уплотнение обеспечивает большую герметичность по сравнению с металлическим, но это достигается за счет снижения долговечности затвора. На износ поверхности седлового уплотнения также оказывает влияние качество обработки краев диска. Состав эластомера определяет эксплуатационные свойства затвора, прежде всего, его совместимость с рабочими средами, температурный диапазон эксплуатации и прочность. В производстве уплотнений обычно используются резины на основе трех видов каучука: бутадиеннитрильного (СКН), этиленпропиленового (СКЭП и СКЭПТ) и фторкаучука (СКФ). Рассмотрим основные характеристики этих материалов, хотя, надо заметить, они все в той или иной степени подходят для водопроводной воды. Резины на основе бутадиеннитрильного каучука (СКН) обладают высокой прочностью, хорошо сопротивляются истиранию, стойки к маслам, нефтяным гидравлическим жидкостям, щелочам и растворителям. Из недостатков можно отметить низкую стойкость к озону, солнечному свету, окислителям и окисленным растворителям. При высоких температурах, особенно в кислородной среде (воздух 80 °С) ускоряется старение, материал становится твердым и хрупким. При перекрытии доступа воздуха процесс старения значительно замедляется. Газопроницаемость резины этого типа относительно высокая, вследствие чего имеется опасность взрывной декомпрессии, при которой разрываются части материала. Рабочие среды — вода, жидкости на основе минеральных масел, животные и растительные жиры, углеводороды. Сокращение по ISO 1629 — NBR. Температурный диапазон: кратковременно может выдерживать от –35 до +120 °C, долговременная эксплуатация рекомендуется при значениях от –20 до +90 °C. Применяется в тех областях, где наряду с высокой устойчивостью к горючим и минеральным маслам также требуется высокая эластичность и остаточная деформация (уплотнения цилиндра).Сополимеры этилена с пропиленом (СКЭП), а также тройные сополимеры с диеном (СКЭПТ) обладают высокой прочностью, воздухопроницаемостью и эластичностью; устойчивы к тепловому старению и действию озона, воды, пара, сильных окислителей (HNO3, Н2О2 и др.), слабых растворов кислот и щелочей, синтетических рабочих жидкостей типа фосфатов и диэфиpов; не разрушаются при работе в атмосферных условиях в течение нескольких лет; имеют высокое сопротивление низкой температуре и отличные диэлектрические свойства. Вследствие своей неполярности полимер неустойчив в гидравлических жидкостях на основе минеральных масел и углеводов, обладает плохой стойкостью к маслам, бензинам, окисленным растворителям. Рабочие среды — вода, пар, алкоголь, кетоны, моющие жидкости, органические и неорганические кислоты и щелочи. Международное обозначение — EPDM (ethylene propylene diene monomer rubber). Эластомер на основе сшитого переоксидным образом этиленпропилендиенкаучука обладает широким температурным диапазоном применения: от –20 до +130 °С. Фторкаучуки (СКФ) негорючи, устойчивы к атмосферным влияниям, кислороду, озону и солнечному свету, тепловому старению, воздействию масел, топлива, различных растворителей (даже при повышенных температурах), сильных окислителей (HNO3, Н2О2 и др.), не разрушаются при работе в атмосферных условиях в течение нескольких лет, обладают хорошей газо и паронепроницаемостью. Вулканизованные резины обладают высоким сопротивлением истиранию, длительной теплостойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами, высокой электрической прочностью. Резины СКФ могут длительно работать при высоких температурах до 160 °C и по несколько часов при 250 °C. Фторкаучуковые резины не отличаются высокой адгезией к металлу и при длительном контакте не слипаются друг с другом и с корпусом. Недостатками фторкаучуков и резин из них являются малая стойкость к аммиачным и аминным средам, полярным растворителям (ацетону, метилэтилкетону, диоксану), в тормозным жидкостям на гликольной основе; низкая эластичность, малая морозостойкость, средняя стойкость на разрыв. Рабочие среды — минеральные масла, различные углеводороды, нефть, бензин, кислоты. Иностранное обозначение — FKM, FPM. Наиболее часто в производстве седловых уплотнений используется Viton, являющийся зарегистрированной торговой маркой фирмы Du Pont. Также известны торговые марки Tecnoflon, Fluorel, DaiEl. Эластомеры на основе сшитого бисфенолом фторкаучука используется в числе прочего для изготовления уплотнительных и герметизирующих деталей, предназначенных для работы в горючих агрессивных жидкостях и газах при высоких температурах. Из других материалов для уплотнений встречаются нитрильный каучук (NBR), хлорсульфонированый полиэтилен (CSM), тефлон (TFM), силикон. Некоторые серии затворов, в основном отечественного производства, оснащаются метало-резиновым вкладышем (корпус усилен стальным кольцом, гуммированным эластомером). Такая конструкция позволяет дисковому затвору работать в особо агрессивных средах, для которых безопасность выходит на первый план. Ошибки при выборе уплотнения приводят к его деформации и разрушению. Весьма распространены следующие случаи: при превышении допустимой температуры для данной марки резины наблюдается потеря эластичности и формы; при даже незначительном отклонении концентрации и температуры жидкости от допускаемых резина может набухнуть, размягчиться, в особых случая даже раствориться; присутствие механических примесей в рабочей среде нередко становится причиной царапин и порезов на резиновых деталях.

Достоинства и недостатки
Дисковый затвор выгодно отличается от задвижки по таким показателям как малое время открытия и закрытия и возможность плавного регулирования расхода среды. Правда, точность регулирования у затворов все же невысока. Открытие/закрытие затвора производится простым поворотом диска на 90°. Для использования в качестве регулирующей арматуры предусмотрено несколько фиксированных промежуточных положений. Затвор дисковый  должен выбираться под определенный расход рабочей среды, который должен укладываться в поворот диска приблизительно от 15° до 75°. В этом диапазоне поворота диска затвор обладает пропорциональной характеристикой расхода, а поток рабочей среды не наносит вреда затвору. Регулирование расхода рабочей среды в узкой щели приводит к интенсивной кавитации, которая разрушает седловое уплотнение и покрытие диска. Использование эластичных уплотнений в дисковых затворах надежно исключает протечки во время эксплуатации затвора, обеспечивая герметичность класса А в соответствии с ГОСТ 9544–93 (без видимых протечек) и одновременно выполняя функции защитного покрытия для элементов корпуса и диска. Износостойкость используемой резины при соблюдении условий эксплуатации гарантируется в течение 5–10 лет или до 100 тыс. закрытий и открытий. После этого может потребоваться замена уплотнения, что предполагает несложную операцию, не требующую особой квалификации. Использование же уплотнения «металл по металлу» требует очень внимательного отношения к рабочей среде, т.к. любое попадание в среду твердых фракций выводит его из строя. Потеря герметичности в затворе с резиновыми уплотнениями происходит постепенно, по мере выработки, а не лавинообразно, как у других уплотнений. Применение защитных покрытий на основе эластомерных и полимерных материалов для деталей, непосредственно контактирующих с рабочей средой, обеспечивает стойкость арматуры к воздействию агрессивных сред. Эластомерный или метало-резиновый вкладыш исключает контакт рабочей среды с корпусом дискового затвора, а эластомерное или полимерное покрытие защищает диск. Поворотные затворы могут устанавливаться в любом положении, однако затворы больших диаметров рекомендуется устанавливать в горизонтальном положении штока, т.к. при вертикальной установке не исключена вероятность заклинивания, связанная с попаданием твердых частиц в область штока. Простота и удобство монтажа затворов, особенно в стесненных условиях, обусловлены малой монтажной длиной (в 4,5 раза меньше, чем у традиционной задвижки). Помимо компактных размеров, дисковый затвор отличается малыми весогабаритными характеристиками. Так, вес одного затвора может быть до восьми раз меньше веса задвижки того же условного прохода. Это уменьшает весовую нагрузку на трубопровод и упрощает монтажные работы, т.к. не требуется мощного грузоподъемного оборудования и специальных монтажных площадок. Дисковый затвор не имеет резьбовых рабочих паp. Резьбовая пара втулка-шпиндель задвижки подвергается коррозии из-за воздействия внешней среды и выходит из строя, особенно в колодцах теплотрасс, имеющих теплую и влажную окружающую среду, а также при установке задвижек на открытых площадках. Дисковый затвор, в отличие от задвижки, не имеет застойных зон в проточной части, а, значит, рабочая среда не застаивается в корпусе затвора даже при длительной остановке системы. Скапливающиеся в застойных зонах задвижки различные механические примеси, присутствующие в проводимой среде, рано или поздно приводят к невозможности герметичного перекрытия потока. Затвор удобен для установки на трубопроводах с теплоизоляцией. Наружный диаметр корпуса затвора не превышает наружного диаметра фланца трубопровода, а органы управления затвора расположены выше габаритного размера теплоизоляции. Для дискового затвора возможна любая автоматизация. Он может управляться как ручными средствами — рукояткой или редуктором, так и пневмо или электроприводом отечественного либо зарубежного производства.

Эксплуатация
Эксплуатация дисковых затворов происходит при малом давлении рабочей среды (до 2,5 МПа), которое практически не влияет на изменение физико-механических свойств резины. Эксплуатация же затворов на рабочих средах при температуре от +70 до +150 °С значительно ускоряет процесс ее старения. Для работоспособности затвора важное значение имеют профили диска и вкладыша, особенно точное соблюдение размеров и качество отделки взаимодействующих поверхностей и прочностные характеристики материалов. Неточность изготовления влечет за собой статический и динамический эксцентриситет уплотнения в затворе, которые обуславливают неравномерность распределения контактного давления от эластомерного вкладыша по кромке диска и в уплотнении прилива, что препятствует обеспечению герметичности в затворе и по осям. Дисковые поворотные затворы нельзя использовать для корректировки соосности ответных фланцев (труб), т.к. неравномерная нагрузка на различные части затвора приведут к его перекосу и заклиниванию диска. Управление затвором может осуществляться вручную (через редуктор) или при помощи электропривода. Затворы, используемые для регулирования протока, могут иметь пневматический (цилиндр, в котором под воздействием сжатого воздуха либо пружины перемещается поршень), мембранный (вариант пневматического, где цилиндр соединен с жестким центром мембраны, на всю площадь которой и производит действие сжатый воздух) или гидравлический (для приведения механизма в действие используется кинетическая энергия потока жидкости или потенциальная энергия давления рабочей жидкости) приводы. Для открывания затвора диск поворачивается на 90° и плоскость его устанавливается параллельно оси трубы. Поворотные дисковые затворы изготовляются промышленностью для труб диаметром от 40 до 2400 мм (при давлениях до 10 кгс/см2). Основные параметры затворов указаны в ГОСТ 12521–89 и ГОСТ 25923–83. ❏
Источники: tecofi.com, dpva.ru,dendor.ru, comsy.ru, elitteplo.ru, grifr.ru,santur.ru, savtomatica.ru, topka.ru,himagregat.ru, komplektneftegaz.ru,pronap.ru, 1057567.ru, wikipedia.org
1. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. Учебник для ВУЗов. Изд. 2е, перераб. и доп., М.: Стройиздат, 1974.