Иллюстрация 1: Поворотный затвор

Дисковые затворы — это четвертьоборотные клапаны, которые популярны для включения-выключения или модулирования. Они легкие, имеют небольшую занимаемую площадь, меньшую стоимость, быструю работу и доступны с отверстиями большого размера. «Бабочка» представляет собой диск, соединенный со стержнем. Когда клапан открывается, диск вращается, пропуская жидкость. Он закрывается, когда стержень поворачивает диск на четверть оборота в положение, перпендикулярное направлению потока. В этой статье вы узнаете, как работает дроссельная заслонка, какие существуют типы поворотных затворов, какие варианты привода доступны для этих клапанов и многое другое.

Принцип работы

Дисковые затворы имеют относительно простую конструкцию. На рисунке 2 показаны основные компоненты поворотного затвора, которыми являются корпус, уплотнение, диск и шток. Диск (Рисунок 2 с маркировкой E) дискового затвора выравнивается по центру подключенного трубопровода, а шток (Рисунок 2 с маркировкой B) соединяется с приводом или ручкой на внешней стороне клапана. В закрытом положении диск расположен перпендикулярно потоку, как показано на рисунке 2, и уплотняется к седлу клапана (на рисунке 2 обозначено D). Уплотнительное кольцо (Рисунок 2 с маркировкой C) в сальнике штока предотвращает утечку вдоль штока. Когда привод или рукоятка поворачивает шток дроссельной заслонки на 90°, диск также поворачивается на 90°, становясь параллельным потоку. Частичное вращение позволяет регулировать поток или делать его пропорциональным.

Иллюстрация 2: Части дроссельной заслонки: диск (A), шток (B), рукоятка (C), уплотнение (D), уплотнительное кольцо (E), корпус клапана (F)

Дисковые затворы, используемые для модуляции, могут иметь линейную или равнопроцентную характеристику.

• Линейный: Когда диск открывается на X%, скорость потока составляет X% от максимальной скорости потока. Например, если диск открыт на 1/3 оборота (30 градусов), то расход составит 33,3% от максимального.
• Равный: Существует логарифмическая зависимость между ходом диска и скоростью потока. Например, если диск поворачивается на 10 градусов, а расход увеличивается со 100 до 170^м3/ч, что составляет увеличение на 70%, то следующее вращение на 10 градусов приведет к увеличению расхода со 170 до 289^м3/ч, что также составляет увеличение на 70%. Для продвинутых дисковых затворов такое соотношение возможно от 20 до 90 градусов (полностью открыто).

Символ поворотного затвора показан ниже:

Рисунок 3: Символ дроссельной заслонки

Виды дисковых затворов

Дисковые затворы бывают разных конструкций, каждая из которых предназначена для определенных областей применения и диапазонов давления. Дисковые затворы можно классифицировать в зависимости от конструкции дискового закрытия, конструкции соединения и метода привода.

Конструкция дискового затвора

Дисковые затворы могут быть концентрическими или эксцентриковыми в зависимости от расположения штока по отношению к центральной линии диска и угла наклона поверхности седла клапана.

Концентрический

Самой простой конструкцией поворотного затвора является центрический или концентрический поворотный затвор. Шток проходит через центральную линию диска, а седло является периферией внутреннего диаметра корпуса клапана (рис. 4 слева). Такая конструкция клапана с нулевым смещением известна как конструкция с упругим седлом, потому что эффективное уплотнение зависит от гибкости резинового седла. При закрытии диск сначала соприкасается с седлом под углом около 85° во время вращения на 90°. Концентрические поворотные затворы подходят для диапазонов низкого давления.

Рисунок 4: Поворотный затвор с нулевым смещением и рычажной рукояткой (слева) и эксцентриковый поворотный клапан с маховиком (справа).

Эксцентричный

Шток эксцентрикового поворотного затвора проходит не через центральную линию диска, а позади нее (в противоположную сторону от направления потока), как показано на рисунке 4 (справа). Шток поворотного затвора с одним смещением находится непосредственно за центральной линией диска. Такая конструкция уменьшает расстояние контакта диска с уплотнением до полного закрытия клапана. Меньший контакт увеличивает срок службы клапана.

В поворотном затворе с двойным смещением или двойным эксцентриковым поворотным клапаном шток находится за центральной линией диска с дополнительным смещением в одну сторону (Рисунок 5). Конструкция штока с двойным эксцентриситетом снижает контакт диска и седла до последних 1-3° закрытия диска.

Поворотный затвор с тройным смещением (TOV или TOBV) подходит для критических применений и имеет конструкцию, аналогичную дроссельному затвору с двойным смещением. Третье смещение — это ось контакта диска с седлом. Поверхность седла имеет коническую форму, что в сочетании с такой же формой на гребне диска приводит к минимальному контакту перед полным закрытием клапана. Поворотный затвор с тройным смещением более эффективен и меньше изнашивается. Клапаны с тройным смещением часто изготавливаются из металлических седел для герметичного перекрытия. Металлические седла делают дисковые затворы пригодными для более высоких температурных диапазонов.

Высокопроизводительные дисковые затворы используют давление в трубопроводе для увеличения уплотнения между седлом и кромкой диска. Эти поворотные затворы имеют более высокое номинальное давление и подвержены меньшему износу.

Иллюстрация 5: Вид сверху на схему эксцентрикового поворотного заслонки: седло (A, E), шток (B), диск в открытом положении (C) и корпус (D)

Проектирование соединений

Дисковые затворы могут подключаться к системе трубопроводов различными способами. Наиболее распространенными соединениями являются межфланцевый, с наконечниками и фланцевые.

Иллюстрация 6: Типы подключения поворотных затворов: поворотный затвор вафельного типа (слева), фланцевый поворотный затвор (посередине) и поворотный затвор с наконечником (справа).

Вафельный стиль

Самый экономичный вариант, вафельный поворотный затвор, сэндвич между двумя фланцами трубы. Длинные болты, которые пересекают весь корпус клапана, соединяют фланцы трубы. Этот тип соединения подходит для герметизации от двунаправленного перепада давления и предотвращения обратного потока в системах, предназначенных для универсального потока. Некоторые версии этого клапана имеют фланцевые отверстия снаружи корпуса клапана (Рисунок 6 с маркировкой A). Прокладки, уплотнительные кольца и плоские поверхности клапанов с обеих сторон клапана объединяются для обеспечения эффективного уплотнения.

С ушками

Поворотный затвор с наконечником имеет резьбовые вставки (проушины) снаружи корпуса клапана (Рисунок 6 с маркировкой C). Два комплекта болтов, без гаек, соединяют фланцы труб с каждой стороны от вставок болтов. Такая конструкция позволяет отключать одну сторону, не влияя на функцию другой стороны для бесконечного обслуживания. Поворотные затворы с наконечниками, используемые в тупиковых условиях, обычно имеют более низкое номинальное давление. В отличие от вафельных дисковых затворов, клапаны с наконечниками переносят вес трубопровода через корпус клапана.

Метод приведения в действие

Поворотные затворы могут управляться вручную с помощью ручек и шестерен или автоматически с помощью электрических, пневматических или гидравлических приводов. Эти устройства обеспечивают точное вращение диска в положении от полностью открытого до полностью закрытого. Краткое описание различных типов приводных механизмов приведено ниже.

Ручной дроссельный затвор

Поворотные затворы с ручным приводом недороги и просты в эксплуатации. Два распространенных метода:

• Ручной рычаг: Ручной рычаг является обычным явлением для небольших поворотных затворов. Рукоятка позволяет зафиксировать клапан в открытом, частично открытом или закрытом положении. Пример можно увидеть на рисунке 4 (слева). Дисковые затворы с удлиненным шпинделем имеют длинные штоки, что позволяет дистанционно управлять клапаном, когда он находится под землей или в карьере.
• Передача: Они предназначены для дисковых затворов немного большего размера и используют редуктор для увеличения крутящего момента за счет снижения скорости открытия/закрытия. Клапаны с зубчатым приводом также являются самоблокирующимися (не могут приводиться в движение назад) и могут быть оснащены индикаторами положения. Пример можно увидеть на рисунке 4 (справа).

Иллюстрация 7: Ручные поворотные затворы

Поворотный клапан с приводом

Приводы с механическим приводом являются надежным методом дистанционного управления поворотными затворами. Приводы дроссельных заслонок также обеспечивают быструю работу более крупных клапанов. Эти приводы могут быть сконструированы таким образом, чтобы они могли открываться без сбоев (оставаться открытыми в случае отказа привода), оставаться закрытыми (оставаться закрытыми в случае отказа привода) и часто поставляться с ручным приводом в случае отказа, как показано на рисунке 8. Ниже перечислены три типа автоматических приводов:

• Электрический (моторизованный) дроссельный затвор: Использует электродвигатель для поворота штока дроссельной заслонки. 
• Пневматический дроссельный затвор: Требуется сжатый воздух для перемещения поршня или мембраны для открытия/закрытия клапана, как показано на рисунке 8. 
• Гидравлический дроссельный затвор: Требуется гидравлическое давление для перемещения поршня или мембраны для открытия/закрытия клапана.

Стандарты ISO для поворотных затворов с приводом

• ИСО 5211: ISO 5211 — международный стандарт, определяющий требования к креплению неполнооборотных приводов (с редукторами или без них) к промышленной арматуре. В стандарте ISO 5211 указаны размеры фланцев и размеров приводных компонентов неполнооборотных приводов, необходимых для их крепления к приводимым компонентам, а также справочные значения крутящих моментов для интерфейсов и муфт. 
• ISO 5752: Стандарт ISO 5752 для дисковых затворов определяет базовую серию размеров «от лица к лицу» и «от центра к лицу» для двухходовых металлических поворотных затворов.
• ISO 10631: ISO 10631 определяет общие требования к конструкции, материалам (например, стали, чугуну, высокопрочному чугуну, медному сплаву), показателям давления/температуры и испытаниям дисковых затворов с металлическим корпусом для использования во фланцевых трубопроводных системах или системах стыковой сварки.
• ISO 16136: ISO 16136 определяет требования к конструкции, функциональным характеристикам и изготовлению дисковых затворов из термопластичных материалов, предназначенных для изолирующего и регулирующего обслуживания, их соединению с трубопроводной системой, материалам корпуса, их номинальному давлению/температуре в диапазоне от − 40 °C до + 120 °C в течение срока службы 25 лет, а также определяет их испытания.

Иллюстрация 8: Пневматические поворотные затворы с маховиком

Проводка дроссельных заслонок

Дроссельная заслонка с электрическим приводом имеет два варианта подключения:

• 2-х точечные приводы управления: Три провода в 2-точечных приводах управления предназначены для +, - и управляющего провода. Провод управления должен быть включен для открытия клапана и отключен для закрытия клапана или наоборот. Эта функция особенно полезна, если клапан расположен удаленно. Клапан остается в последнем положении, если питание не подается на весь агрегат.
• 3-х точечные приводы управления: Четыре провода в 3-точечных приводах управления предназначены для +, - и двух управляющих проводов. Два управляющих сигнала могут закрывать или открывать клапан в зависимости от того, какой из них подается. 3-точечное управление допускает промежуточные остановки (частично открытые). Оба провода управления не должны приводиться в действие одновременно, иначе привод может быть поврежден.

Приложений

Дисковые затворы используются в различных отраслях промышленности и применениях, таких как фармацевтика, химическая и нефтяная промышленность, пищевая промышленность, водоснабжение, очистка сточных вод, противопожарная защита, газоснабжение, обращение с топливом и санитарная арматура. Дисковые затворы для воды используются в качестве регулирующих клапанов в трубопроводах для перекрытия потока воды. Эти клапаны выпускаются в огромных размерах и подходят для работы с суспензиями и жидкостями с относительно большим количеством твердых частиц при низком давлении. Поворотные затворы из нержавеющей стали используются в коррозионных и морских условиях, поскольку материал обладает высокой прочностью и устойчивостью к коррозии.

Шаровой кран против дроссельной заслонки

Как правило, поворотный затвор с характеристиками, аналогичными шаровому крану, дешевле, проще в установке и занимает меньшую установочную площадь. Однако из-за диска в дисковых затворах их нельзя очистить. Шаровые краны выгодны для систем с высоким давлением и малым диаметром, поскольку они лучше подходят для больших перепадов давления и вызывают минимальный перепад давления на клапане. Дисковые затворы имеют относительно простую конструкцию с меньшим количеством движущихся частей и меньшим количеством карманов/ловушек для сред. Поэтому они проще в ремонте и дешевле в обслуживании. Для труб малого диаметра шаровой кран обычно лучше подходит по крутящему моменту и стоимости. Крутящий момент и экономические преимущества дисковых затворов проявляются в районе DN 50 и выше. 

Иллюстрация 9: Дроссельная заслонка (слева) и шаровой кран (справа)