В этой статье представлен обзор клапанов, их функций и наиболее часто используемых типов клапанов в отрасли. Представлен принцип конструкции, области применения, преимущества и недостатки различных типов клапанов. Также обсуждаются различные методы классификации клапанов, чтобы выделить ключевые факторы при выборе клапанов.

Что такое клапан?

Клапан — это механическое устройство, используемое в жидкостных и газовых системах для управления, направления, изоляции, смешивания или регулирования потока или давления жидкости путем изменения прохода через трубу. Когда клапан находится в открытом положении, проход свободен, и жидкость течет в направлении от более высокого давления к более низкому. Частично или полностью заблокировав проход через клапан, поток может быть уменьшен или полностью остановлен.

Технически клапаны являются фитингами для труб, но из-за их важной функции, большого разнообразия типов и вариантов эксплуатации они обычно рассматриваются отдельно от других фитингов. Клапаны часто являются самыми дорогостоящими компонентами трубопроводной системы на предприятии; Стоимость клапанов может составлять до 30% от общей стоимости трубопроводов.

Каковы функции клапана в трубопроводных системах?

Клапаны играют важнейшую роль в повышении эффективности, улучшении контроля качества, а также обеспечении безопасности и надежности технологического процесса. Основным фактором при выборе клапана является желаемая функция клапана. Клапаны встраиваются в систему трубопроводов по одной или нескольким из следующих причин:

• Начало или остановка потока жидкости
• Регулирование расхода в трубопроводной системе
• Регулирование давления
• Регулирование температуры жидкости в системе трубопроводов
• Перенаправление потока с одного пути на другой
• Ограничение расхода для балансировки системы или предотвращения избыточного давления
• Предотвращение обратного потока жидкости
• Остановка потока в случае сбоя системы
• Повышение безопасности за счет снижения давления или вакуума в системе трубопроводов

На этапе проектирования производственного процесса или системы трубопроводов инженеры обычно указывают тип клапана, подходящего для желаемой функции, на схеме технологического процесса и контрольно-измерительных приборов (P&ID). P&ID представляет собой схематическую иллюстрацию функциональной взаимосвязи трубопроводов, контрольно-измерительных приборов и компонентов системы. Различные типы клапанов, обычно встречающиеся в P&ID, представлены и обсуждаются в следующем разделе.

Какие существуют типы клапанов?

Ниже перечислены различные типы клапанов и соответствующие им символы P&ID. Наиболее часто используемыми типами клапанов являются задвижки, шаровые клапаны, обратные клапаны и шаровые краны.

Задвижка

Задвижки являются наиболее распространенным типом клапанов, используемых на технологических предприятиях. Закрывающийся затвор движется по линейной траектории, блокируя или пропуская поток жидкости. Задвижки обеспечивают хорошее перекрытие и считаются подходящими практически для всех жидкостей, включая воздух, топливный газ, питательную воду, пар, суспензии и вязкие жидкости.

Задвижки недороги и легко разбираются для технического обслуживания. Они обеспечивают низкое сопротивление жидкости благодаря прямой траектории, которая позволяет жидкости течь прямо без изменения направления.

Во время использования задвижки обычно держат либо в полностью открытом, либо в полностью закрытом положении, так как они не рекомендуются для дросселирования. Конструкция клапана затрудняет управление потоком.

Кроме того, попадание жидкости на частично открытый затвор может повредить клапан. Многооборотная конструкция этих клапанов делает их непригодными для применений, где требуется быстрая работа.

Шаровой клапан

Шаровой клапан обычно имеет сферический корпус, который содержит подвижный плунжерный элемент и стационарное кольцевое седло. Две половины корпуса разделены внутренней перегородкой. Штепсельный элемент соединяется с рабочим маховиком через шток. При вращении колеса винтовое действие перемещает вилку к кольцевому седлу или от него. Шаровые клапаны могут использоваться для функции остановки/запуска, а также для регулирования потока жидкости. Они полезны в тех случаях, когда требуется хорошее регулирование потока и важна герметичность, например, в системах охлаждающей воды, системах подачи питательной воды и химикатов, а также в системах подачи топлива/смазочного масла.

Шаровые клапаны стоят дороже, чем задвижки, но обеспечивают лучшее управление отключением и дросселированием. Конструкция этих клапанов заставляет жидкость менять направление при прохождении через нее; Это создает большие потери давления и турбулентность. Шаровые клапаны, как правило, тяжелее других клапанов. Они не подходят для жидкостей, содержащих частицы, жидкости с высокой вязкостью и другие среды, склонные к задыханию.

Шаровой кран

Шаровой кран использует полый шар для остановки или пропускания потока жидкости. Перфорированный шар можно поворачивать с помощью рукоятки клапана. Когда отверстие в шаре обращено к входу потока, жидкость протекает через него. Вращательное движение рукоятки клапана на четверть оборота поворачивает шар на 90°, блокируя поток.

Шаровые краны меньше, легче и дешевле по сравнению с задвижками того же размера и номинала. Они позволяют визуально определять открытое или закрытое состояние клапана. В открытом состоянии ручка выровнена по направлению потока; В закрытом состоянии ручка расположена перпендикулярно направлению потока. Кроме того, шаровые краны отличаются простотой в эксплуатации, большим объемным расходом, высоким давлением, длительным сроком службы и возможностью ремонта седел и уплотнений без снятия корпуса крана с линии. С другой стороны, шаровые краны трудно чистить, что может привести к загрязнению. Они не подходят для приложений, требующих непрерывного дросселирования.

Обратный клапан

Обратный клапан используется для предотвращения обратного потока в трубопроводных системах. Клапан открывается за счет давления жидкости, проходящей по трубопроводу. Обратный поток закрывает клапан и предотвращает движение жидкости в обратном направлении. Обратные клапаны не требуют внешнего управления. Они работают в автоматическом режиме и, следовательно, не имеют рукоятки управления или штока. Простейшие обратные клапаны имеют односторонний заслоночный механизм.

Обратные клапаны, как правило, маленькие, простые и недорогие. Промышленное применение обратных клапанов включает в себя системы управления питательной водой, газовые системы, которые смешивают несколько газов в один газовый поток, а также системы смешивания топлива и окислителей. В бытовых условиях обратные клапаны часто используются для предотвращения смешивания санитарной питьевой воды с водой из антисанитарных систем.

Плунжерный клапан

В плунжерных клапанах используется цилиндрический или конический плунжер для пропускания или ограничения потока жидкости. Пробка имеет один или несколько полых каналов, через которые проходит жидкость, когда канал выровнен с направлением потока. Для поворота пробки и блокировки потока жидкости требуется вращательное движение на четверть оборота. Пробковые клапаны хорошо работают с шламом. Протирочное действие пробки не позволяет взвешенным частицам накапливаться и образовывать препятствие. Типичные области применения пробковых клапанов включают газообразные и парогазовые системы, трубопроводы природного газа, системы нефтепроводов, угольные, минеральные и канализационные системы. Они также подходят для применения в вакууме и под высоким давлением.

Пробковые клапаны отличаются длительным сроком службы и высокой надежностью, что делает их пригодными для работы с коррозионными, абразивными и токсичными материалами. Обычно они используются в качестве запорной арматуры для обеспечения быстрого герметичного отключения. Клапаны могут быть отремонтированы и очищены без снятия корпуса с трубопроводной системы. Пробковые клапаны не рекомендуются для дросселирования и приложений, требующих высокочастотного переключения. По сравнению с шаровыми кранами, они стоят дороже и требуют большего усилия для срабатывания из-за более высокого трения.

Затвор (Дроссельная заслонка) "бабочка"

Под «бабочкой» подразумевается вращающийся металлический диск, установленный на стержне. Четверть оборота диска требуется для открытия или перекрытия клапана. В закрытом положении диск полностью перекрывает проход. В открытом положении поверхность диска параллельна направлению потока и обеспечивает практически неограниченный поток жидкости. Дисковые затворы находят применение в системах охлаждающей воды, сжатого воздуха или газа, противопожарной защите, обслуживании шлама, вакуумном обслуживании, а также обслуживании воды и пара под высоким давлением / высокой температурой.

Дисковые затворы имеют короткий круглый корпус, что снижает потребность в пространстве и делает их легкими и простыми в установке. Компактная конструкция также делает их пригодными для применения с большими клапанами. Дисковые затворы имеют высокий коэффициент потока. Они обеспечивают хорошую герметизацию даже при низком давлении. С другой стороны, дроссельные затворы могут быть сложными в очистке, а функция дросселирования ограничена низким перепадом давления, а неуправляемое движение диска может зависеть от турбулентности потока.

Игольчатый клапан

Игольчатые клапаны по конструкции схожи с шаровыми клапанами. Запорным элементом в этих клапанах является длинный, конический, похожий на иглу плунжер, который вставляется в подходящее седло для остановки потока. Шток поворачивается для вставки или втягивания поршня, открывая или ограничивая путь потока. Шток с тонкой резьбой требует много оборотов для полного втягивания поршня; Эта функция позволяет точно регулировать расход. Игольчатые клапаны обычно используются в трубопроводных системах малого диаметра, где требуется очень точное управление потоком. Игольчатые клапаны обычно подходят для систем с жидкостями с низкой вязкостью, протекающими с низким расходом. Наиболее распространенным применением является регулирование потока к хрупким манометрам, чтобы защитить их от повреждений, вызванных резким скачком давления. Они также используются в качестве спускных клапанов для сброса давления или слива жидкости для анализа или технического обслуживания.

Клапаны подходят только для низких скоростей потока, так как проход потока между седлом и иглой небольшой. Игольчатые клапаны не подходят для жидкостей со взвешенными твердыми частицами. Чрезмерное усилие во время отключения может привести к повреждению седла игольчатого клапана.

Пережимной клапан

В пережимных клапанах используется эластичная трубка и зажимное устройство, которое непосредственно ограничивает поток через трубку. Зажимной механизм расплющивает трубку для создания уплотнения.

Пережимные клапаны можно использовать для запуска, остановки и регулирования потока жидкости. Поскольку эти клапаны имеют меньшее количество компонентов, они относительно дешевле и более герметичны по сравнению с другими клапанами. Эти клапаны идеально подходят для пневматической транспортировки твердых материалов и для работы с шламами. Пережимные клапаны минимизируют турбулентность и трение во время потока. Однако они не подходят для газов и для применения при высоких температурах или высоком давлении. Высокий перепад давления или вакуум в системе могут привести к разрушению или деформации трубки, что приведет к неполному открытию клапана.

Мембранный клапан

Мембранный клапан, также известный как мембранный клапан, состоит из эластомерной мембраны и седла/седла, на котором мембрана закрывается. Линейный компрессор используется для того, чтобы толкать тонкую гибкую мембрану в контакт с седлом/седлом для закрытия клапана. Мембранные клапаны также позволяют частично закрывать проход, что делает их пригодными для дросселирования. Они подходят для вязких жидкостей и жидкостей, содержащих твердые материалы, так как твердые частицы не задерживаются в механизме клапана. Мембранные клапаны обычно используются на водоочистных сооружениях, фармацевтических, пищевых и химических заводах, в вакуумных службах и в коррозионных средах.

Мембранные клапаны герметичны, просты в обслуживании, чистые, безопасные и эффективные. Они подходят для применения при умеренном давлении и температуре. Рабочая температура и давление мембранных клапанов зависят от материала мембраны. Седло в мембранном клапане может предотвратить полный дренаж трубы. При использовании при непрерывном дросселировании мембрана может со временем изнашиваться, что приводит к выходу клапана из строя.

Как классифицируются клапаны в трубопроводных системах?

Существует несколько различных способов классификации клапанов. Они могут быть сгруппированы в зависимости от их функции, типа рабочего механизма, торцевых соединений, механического движения, конструкционного материала, номинального давления и температуры, а также размера порта. При выборе клапана важно учитывать каждую из этих классификаций, чтобы убедиться, что клапан подходит для желаемого применения.

( A ) Функция клапана

Клапаны включаются в технологический процесс для выполнения различных функций. Они могут использоваться для запуска/остановки потока или для регулирования потока и давления. Они могут потребоваться для управления направлением потока или для повышения безопасности процесса. В зависимости от регулирования расхода клапаны классифицируются как запорные или регулирующие.

Запорная арматура

Запорные клапаны спроектированы таким образом, чтобы либо полностью ограничивать поток жидкости, либо пропускать его без препятствий. Эти клапаны не рекомендуется использовать в непрерывном режиме в частично открытом состоянии, так как они могут плохо контролировать поток или со временем подвергаться износу.

Регулирующие клапаны

Регулирующие клапаны используются для регулирования давления и расхода жидкости с достаточной точностью. Эти клапаны можно безопасно и эффективно использовать в процессах, требующих частичного открытого или закрытого состояния.

Некоторые клапаны подходят для выполнения обеих функций, в то время как другие рекомендуются только для одной. В таблице ниже представлены рассмотренные выше клапаны в зависимости от их функции.

Тип клапана	Перекрытие	Регулирование
Задвижка	ДА	НЕТ
Шаровой клапан	НЕТ	ДА
Шаровой кран	ДА	НЕТ
Обратный клапан / NRV	ДА	НЕТ
Пробковый клапан	ДА	НЕТ
Дроссельная заслонка	ДА	ДА
Игольчатый клапан	НЕТ	ДА
Пережимной клапан	ДА	ДА
Мембранный клапан	ДА	ДА

( B ) Режим работы

Клапаны можно классифицировать как ручные, приводимые в действие или автоматические в зависимости от способа их эксплуатации.

Ручные клапаны

Ручные клапаны обычно управляются вручную с помощью колес, рычагов, педалей, ручек или цепей. Эти клапаны могут приводиться в действие механическим приводом для изменения направления движения и/или для увеличения рабочей скорости или крутящего момента.

Клапаны с приводом

В высокоточных или крупномасштабных приложениях клапаны часто подключаются к электродвигателям, пневматическим системам, гидравлическим системам или соленоидам, чтобы обеспечить дистанционное управление и автоматизацию работы клапанов.

• Приводы электродвигателей:
  В приводах электродвигателей используются реверсивные электродвигатели для вращения штока клапана с помощью зубчатой системы, которая увеличивает крутящий момент и снижает скорость вращения.
• Пневматические приводы:
  Пневматические приводы используют давление воздуха для обеспечения силы, необходимой для работы клапана.
• Гидравлические приводы:
  Гидравлические приводы используют жидкость под давлением и поршень для передачи усилия, необходимого для работы клапана.
• Электромагнитные приводы: Электромагнитные приводы используют магнитное притяжение между пробкой,
  прикрепленной к штоку клапана, и катушкой электромагнита для управления клапаном.

Автоматические клапаны

Некоторые клапаны автоматически активируются при выполнении определенного условия расхода. Например, обратные клапаны закрываются без какого-либо внешнего вмешательства во время обратного потока. Аналогичным образом, клапаны сброса давления активируются автоматически при обнаружении избыточного давления.

( C ) Присоединение к трубопроводу

Клапаны подключаются к трубам через стыки; Эти соединения могут быть резьбовыми, фланцевыми или сварными. Некоторые распространенные типы концов клапанов перечислены ниже:

• Клапаны фланцевые:
  фланец - это пластина или кольцо, которое образует ободок на конце трубы или клапана; Два фланца соединяются болтами для формирования соединения.
• Резьбовые клапаны:
  Резьбовые концевые клапаны имеют резьбовые соединения, к которым прикручивается конец трубы или другого фитинга.
• Клапаны с раструбной сваркой:
  труба вставляется в раструб и приваривается.
• Клапан для стыковой сварки:
  клапаны для стыковой сварки имеют скошенные концы, которые соответствуют аналогичному скосу на трубе.
• Клапаны межфланцевого типа:
  тонкий корпус клапана расположен между двумя фланцами трубы, а корпус клапана окружен болтами. Эти клапаны обычно устанавливаются в системах с ограниченным пространством.

( D ) Механическое движение

В зависимости от механического движения запорного элемента клапаны можно классифицировать как клапаны линейного движения или клапаны с вращающимся движением. Если запорный элемент клапана движется по прямой линии, чтобы разрешить или остановить поток, клапан называется клапаном линейного перемещения. Когда запорный элемент вращается или движется по круговой траектории, клапан называется клапаном вращающегося движения.

Клапаны также можно классифицировать как многооборотные или четвертьоборотные в зависимости от степени поворота ручки/колеса, необходимой для полного открытия или закрытия клапана. Клапанам с вращательным движением часто требуется всего четверть оборота (90°) штока, чтобы перейти из полностью открытого положения в полностью закрытое.

Классификация некоторых распространенных типов клапанов, основанная на механическом движении, представлена в таблице ниже:

Тип клапана	Линейное перемещение	Вращательное движение	Четверть оборота
Задвижка	ДА	НЕТ	НЕТ
Шаровой клапан	ДА	НЕТ	ДА
Шаровой клапан	НЕТ	ДА	ДА
Обратный клапан / NRV	НЕТ	ДА	НЕТ
Пробковый клапан	НЕТ	ДА	НЕТ
Затвор	НЕТ	ДА	ДА
Пережимной клапан	ДА	НЕТ	НЕТ
Мембранный клапан	ДА	НЕТ	НЕТ

( E ) Строительные материалы

Корпус клапана может быть изготовлен из нержавеющей стали, легированной стали, латуни, чугуна или пластика в зависимости от желаемой температуры и давления, долговечности и применения. Прокладка, уплотнение и седло клапана обычно изготавливаются из PTFE, POM, FKM, PA, EPDM, или NBR для достижения желаемого уровня уплотнения и номинальной температуры/давления.

( F ) Номинальное давление и температура

Клапаны также могут быть классифицированы в соответствии с их номинальным давлением и температурой. Эти номинальные характеристики определяют максимально допустимые уровни давления и температуры, которым клапан может безопасно подвергаться.

Заключение

Клапаны доступны в большом разнообразии конструкций и конфигураций. Большое количество доступных опций делает выбор клапана сложной задачей. Выбор оптимального клапана для конкретной области применения требует учета требуемой функции, условий эксплуатации и характеристик жидкости, частоты работы, требований к изоляции или регулированию, потребностей в техническом обслуживании, а также желаемого уровня безопасности и надежности. Производители клапанов могут помочь вам выбрать лучший клапан для вашей области применения.