Научная статья на тему 'К вопросу о проектировании регулирующих клапанов'

К вопросу о проектировании регулирующих клапанов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
877
118
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РЕГУЛИРОВАНИЕ / ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС / КОНСТРУКЦИЯ / DESIGN / КЛАПАН / VALVE / АРМАТУРА / КЛАССИФИКАЦИЯ / CLASSIFICATION / КОРПУС / ЗАПОРНЫЙ ОРГАН / VALVE PLUG / CONTROL / WORKFLOW / BODY

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Солопов С. А., Мельцер А. М., Капранова А. Б.

В статье приведен обзор наиболее распространенных типов регулирующей арматуры, используемых для управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Выявлено, что для достижения конечной цели регулирования в промышленности в основном применяются регулирующие клапаны с S-образной конструкцией корпуса. Однако для уменьшения гидравлического сопротивления, а также акустического давления, создаваемого работой клапана, могут быть использованы осесимметричные регулирующие клапаны.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The issue of the design of control valves

The article provides an overview of the most common types of control valves used for process control in various industries. To accomplish the overall functions and control features in industry the control valves with an S-shaped body structure are used. However, to reduce the flow resistance and the acoustic pressure generated axisymmetric control valves can be used.

Текст научной работы на тему «К вопросу о проектировании регулирующих клапанов»

К вопросу о проектировании регулирующих клапанов

2

11 2 С.А. Солопов , А.М. Мельцер , А.Б. Капранова

1ЗАО «НПО Регулятор», Ярославль 'Ярославский государственный технический университет, Ярославль

2

Аннотация: В статье приведен обзор наиболее распространенных типов регулирующей арматуры, используемых для управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Выявлено, что для достижения конечной цели регулирования в промышленности в основном применяются регулирующие клапаны с Б-образной конструкцией корпуса. Однако для уменьшения гидравлического сопротивления, а также акустического давления, создаваемого работой клапана, могут быть использованы осесимметричные регулирующие клапаны.

Ключевые слова: регулирование, технологический процесс, конструкция, клапан, арматура, классификация, корпус, запорный орган.

Совершенствование конструктивных решений регулирующих клапанов является актуальной проблемой проектирования трубопроводной арматуры, в частности, применительно к проточной части, в связи с необходимостью интенсификации операции управления процессом подачи рабочей среды в зависимости от ее физико-механических и химических свойств. Регулирующая арматура, как промежуточное звено между рабочей средой и технологиями управления [1-3], относится к наиболее часто используемым его элементам с целью регулирования расходов, давления, уровня, температуры, состава среды и т. д.

В качестве примера на рис. 1 приводится условная схема клапана для регулирования подачи нефти и попутного газа. Элементы данного клапана имеют следующие номинальные значения основных конструктивно-режимных параметров - диаметр 200 мм и давление 100 кгс/см . Несмотря на широкое применение указанных устройств, вопросы оптимального выбора, эффективного проектирования и применения регулирующих клапанов различных типов не теряют своей актуальности и требуют дополнительной проработки с учетом свойств рабочей среды.

Рис. 1. Регулирующий клапан АМ332.200.100.17.00.00 БК200 РШ00 с навесным оборудованием: 1 - корпус; 2 - фланец;

3 - крышка; 4 - мембранный исполнительный механизм; 5 - ручной дублер;

6 - монтажная плита с навесным оборудованием

Основные задачи проектирования регулирующей арматуры

При разработке трубопроводной арматуры решающими факторами для оптимизации процесса регулирования потоками рабочих сред в соответствии с техническим регламентом являются его гидравлическое сопротивление и расходная характеристика [1, 2]. Как уже отмечалось, при выборе диапазонов изменения конструктивно-режимных параметров данных устройств для специального назначения определяющую роль играют такие характеристики рассматриваемого процесса, как давление, температура и их напоры для рабочего вещества [4-6]. Условно формирование технического проекта трубопроводного оборудования можно разбить на два этапа. На

первом - согласно предварительно полученным инженерным методикам расчета, анализу данных после проведения модельных экспериментов и работы опытных стендов, обзору сведений об изделиях-аналогах определяются основные оптимальные параметры (или пределы их изменения) регулирующей арматуры: геометрические для ее элементов (масса, габариты) и режимные для выбора условий эксплуатации (давление, расходные характеристики). На втором этапе проектирования - строится проточная часть арматуры с учетом типа, а также размещения регулирующих (запорных) и уплотнительных элементов [1].

Для обеспечения требуемых технологическим регламентом выходных характеристик клапана в современном арматуростроении используется компьютерное моделирование с применением готовых программных продуктов для решения задач гидродинамики [7]. Целями применения численного моделирования данного технологического процесса являются:

- уточнение диапазонов изменения основных конструктивно-режимных параметров, например, размеров элементов проточной части и подбора наиболее рациональной их формы, обеспечивающей наименьшее гидравлическое сопротивление;

- оптимальный выбор привода на основе анализа силовых факторов, действующих на запорно-регулирующий орган при течении среды через клапан;

Заметим, что для достижения указанных целей в процессе численного моделировании решается множество вспомогательных задач по подбору геометрической формы регулирующих элементов для указанной арматуры с учетом существующих или новых предлагаемых инженерных методик [1, 2, 7]. Таким образом, на базе модельно спроектированной и рассчитанной проточной части проектируются корпусные детали, подбирается привод [1].

Условная классификация регулирующей арматуры

Согласно проведенному анализу различных конструкций регулирующей арматуры можно выделить следующие ее виды по следующим основным признакам:

- по типу присоединения (фланцевая, муфтовая, цапковая, приварная [1]), выбираемому в зависимости от требований технологического регламента;

- по типу корпуса (прямоточный, угловой, трехходовой, /-образный и т.д.), рис. 2;

- по типу запорных органов (плунжерные односедельные, односедельные клеточные, двухседельные и т.д.), рис. 3.

Кратко остановимся на анализе особенностей различных типов корпуса трубопроводного оборудования. Прямоточный или проходной корпус (рис. 2, а) характеризуется соосным расположением присоединительных патрубков, имеет плавную внутреннюю поверхность и одинаковую площадь поперечного сечения. Данная модификация корпуса характеризуется низким перепадом давления и высокой пропускной способностью рабочей среды. Угловой корпус (рис. 2, б) имеет компактную конструкцию и простую форму проточной части, что положительно сказывается на себестоимости изделий на его основе, особенно подходит для закоксованных, блокирующих, а также сред характеризующихся высокой вязкостью. К основным недостаткам указанного корпуса арматуры следует отнести относительно высокий коэффициент гидравлического сопротивления ввиду резкого изменения направления течения рабочей среды. Трехходовой корпус (рис. 2, в) обладает тремя присоединительными патрубками 10 и в основном используется для пропорционального управления или байпаса с небольшой площадью [1, 2].

Данный корпус характеризуется высокой стоимостью, вследствие чего не востребован на современном рынке арматуростроения.

в) г)

Рис. 2. Типы корпуса трубопроводной арматуры: а) прямоточный; б) угловой; в) трехходовой; г) /-образный; 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - седло; 4 - плунжер (золотник); 5 - клетка (втулка) направляющая; 6 - шток; 7 - шпилька; 8 - гайка; 9 - уплотнение штока; 10 - присоединительные

патрубки клапанов

Z-образный корпус (рис. 2, г) обычно цельнокованый, обладает способностью противостоять высоким давлениям [1]. Однако ввиду дороговизны изготовления и значительному значению коэффициента гидравлического сопротивления [2] также применяется реже по сравнению с описанными первыми двумя типами корпусов. Итак, наибольшее распространение в современном российском арматуростроении получили прямоточный и угловой виды корпуса.

Касательно известных типов запорных органов (рис. 3) можно отметить следующее. В плунжерных односедельных органах трубопроводного оборудования регулирование среды происходит за счет изменения площади кольцевой щели между седлом и плунжером (рис. 3, а) [1].

Односедельные клеточные клапаны (рис. 3, б) имеют направляющую клетку с радиальными отверстиями необходимого сечения, позволяющими регулировать расход среды.

С помощью перфорированных клеточных клапанов (рис. 3, в) при работе арматуры удается снизить шум, вибрацию и кавитацию [2]. Двухседельные клапаны обладают уравновешенным узлом затвора, в основном используются там, где отсутствуют высокие требования по классу герметичности [1].

Отдельно можно провести классификацию регулирующих клапанов клеточного типа, разделив их со следующим признакам:

- с окнами определенного сечения для обеспечения требуемой расходной характеристики (рис. 3, б) [2, 8];

- с перфорированной клеткой для снижения эрозии, шума и воздействия кавитации (рис. 3, в) [1];

- с многоступенчатым снижением давления для использования в условиях больших перепадов давления (рис. 3, г) [1, 2, 9];

и

- с клеткой лабиринтного типа для технологических процессов с высокой вероятностью возникновения кавитации и уменьшения эрозии внутренних элементов клапана вследствие высоких скоростей потока [7];

- с многоступенчатым плунжером используемые также в условиях больших перепадов давления [1, 2].

а)

б)

в)

г)

Рис. 3. Некоторые виды запорных органов регулирующей арматуры: а) параболический плунжер с направляющей втулкой; б) клетка с окнами, предполагающими линейную расходную характеристику; в) с перфорированной клеткой; г) многоступенчатая клетка; 1 - седло; 2 - шток; 3 - втулка направляющая; 4 - плунжер (золотник); 5 - клетка; 6 - втулка прижимная; 7 - уплотнение; 8 - многоступенчатая клетка.

Особенности клапанов осесимметричного типа

Проанализируем более подробно конструктивные особенности клапанов осесимметричного вида.

Корпус осесимметричного клапана относится к прямоточному типу, в частности. На рис. 4 показан клапан, применяемый на газоперекачивающих станциях, имеющий следующие номинальные значения основных конструктивно-режимных параметров - диаметр 300 мм и давление 100 кгс/см2.

а) б)

Рис. 4. Осесимметричный клапан АМ332.300.100.1.00.00 БШ00 РШ00: а) схематичный вид в разрезе; б) расчетные поля скоростей по оси симметрии проточной части клапана; 1 - корпус; 2 - сепаратор; 3 - втулка; 4 - направляющая; 5 - золотник; 6 - заглушка; 7 - шток

Конструкция клапанов данного типа обеспечивает максимально спрямленное, симметричное относительно оси трубопровода, течение среды

(рис. 4, б), что устраняет вихревые и резкие изменения направления течения потока. Это в свою очередь значительно снижает потери напора, уровень шума, турбулентность, а также предотвращает эрозию, вызываемую средами содержащими абразив [1, 2]. Заметим, что осесимметричная конструкция обеспечивает большую в сравнении с традиционными клапанами пропускную способность оборудования при одинаковых номинальных диаметрах [1]. Клапаны осевого типа позволяют достичь практически одинакового гидравлического сопротивления при течении среды в любую сторону [7, 10]. Кроме того, регулирующие клапаны осевого типа более компактны, чем клапаны других видов, и имеют меньшую массу.

К недостаткам такой конструкции указанного типа можно отнести сравнительно большую себестоимость. Однако благодаря применению данного конструктивного решения, при прочих равных условиях достигается один из самых высоких показателей надежности и долговечности работы регулирующей арматуры в целом [1, 2, 4]].

Для сравнения приведем результаты, полученные при гидродинамическом анализе клапанов с Б-образной конструкцией корпуса [2]. На рис. 5, а и 5, б показаны поля скоростей по оси симметрии проточной части клапана АМ332.200.100.17.00.00 с Б-образным корпусом для истечении воды при 25°С и перепадом давления 1 атм. при прямом и обратном направлении потока рабочей среды. На рис. 4, б - в случае истечения того же рабочего вещества через осесимметричный корпус клапана АМ332.300.100.1.00.00. При моделировании использовалось модель несжимаемой жидкости.

а) б)

Рис. 5. Расчетные поля скоростей по оси симметрии проточной части клапана с Б-образным корпусом при различных способах подачи рабочей среды:

а) под золотник; б) над золотником; стрелка указывает направление движения рабочей среды

В случае, когда подача рабочей среды направлена под плунжер (золотник) 4 (рис. 2) Б-образного регулирующего клапана (рис. 5, а), что является стандартным для данного типа конструкции, такое направление течения создает опасность возникновения несбалансированных сил [1, 4], воздействующих на плунжер 4 (золотник) (рис. 2), что в свою очередь может привести к перекосам штока 6 (рис. 2) [1]. Когда рабочая среда подается над плунжером 4 (золотником) (рис. 2) Б-образного регулирующего клапана (рис. 5, б), вихревые течения возникают, начиная с объема под его седлом, развиваясь к выходному патрубку (рис. 2) [4], что создает опасность разрушения клапана вследствие эрозии и вибраций [1, 2]. Осесимметричная конструкция (рис. 4) независимо от направления потока рабочей среды имеет максимально спрямленное течение даже в условиях возможной кавитации.

Данное обстоятельство позволяет контролировать рабочий поток на всех участках клапана, продлевая его надежность [10].

Вывод

Проведенный анализ литературных источников, в том числе, зарубежных и отечественных патентов [11, 12] показал преимущественное использование регулирующих клапанов осесимметричного типа (рис. 4). Данный вывод подтверждают результаты гидродинамических расчетов и натурных испытаний регулирования потоков различных сред, в частности, на примерах - (1) движения несжимаемых жидкостей с относительно незначительной вязкостью и (2) газовых потоков под средним и высоким давлением [10]. При этом использование того или иного вида сепаратора 2 (рис. 4) зависит от физико-механических и химических свойств рабочего вещества, требований технического регламента по шумоизоляции и срокам службы клапана [1, 2].

Литература

1. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры // Изд. 5-е. — М.: Издательство ЛКИ, 2008. — 480 с.

2. Stephenson D. Pipeline design for water engineers. Third revised and updated edition. Amsterdam: ELSEVIER Science Publishers B.V., 1989. — 263 p.

3. Stockstill J.R. VALVE. Patent US 2256416 A, International Class.: F16K 5/00 (20060101); F16K 5/16 (20060101); Sacramento, Calif, Publ. Sept. 16, 1941.

4. Hodges P.K.B. Hydraulic Fluids. NY 10158-0012 USA Bsc.: F.Inst.Pet., 1996. — 167 p.

5. Menon E.S. Liquid Pipeline Hydraulics. NY. Basel: SYSTEK Technologies, Inc. Marcel Dekker, Inc. 2004. — 269 p.

6. Menon E.S. Gas Pipeline Hydraulics. Boca Raton: CRC Press, Taylor&Francis Group. 2005. — 399 p.

7. Anderson J.D.Jr. Computational Fluid Dynamics. The basics with applications. 1 edition. New York: McGraw-Hill Science/Engineering/Math; February 1, 1995. — 574 p.

8. Keith G. Control valve with elastically loaded cage trim. Patent US 3834666 A. European Class.: F16K1/34. Publ. Sept. 10, 1974.

9. Lindner H.P. Double wall plug control valve. Patent US 4041982 A. European Class.: F16K47/08, F16K47/14. Publ. Aug 16, 1977.

10. Веремеев Д.Н., Нефедцев В.П. Регулирующий клапан осевого потока. Патент РФ 84938, МПК F16K39/04. Патентообладатель: Открытое акционерное общество "Атоммашэкспорт" (RU). Опубл. 20.07.2009.

11. Васильев А.С., Шегельман И.Р., Щукин П.О. Патентный поиск в области конструкций запорной арматуры для АЭС, ТЭС и для магистрального трубопроводного транспорта // Инженерный вестник Дона, 2013, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1770.

12. Шегельман И.Р., Колесников Г.Н., Тихонов Е.А. Модификация конструкции клиновой запорной арматуры для АЭС, ТЭС и магистрального трубопроводного транспорта // Инженерный вестник Дона, 2013, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1832.

References

1. Gurevich D.F. Raschet i konstruirovanie truboprovodnoj armatury. Izd. 5-e. [The calculation and design of pipeline valves. The 5th edition] Moscow: Izdatel'stvo [Publishing] LKI, 2008. 480 p.

2. Stephenson D. Pipeline design for water engineers. Third revised and updated edition. Amsterdam: ELSEVIER Science Publishers B.V., 1989. 263 p.

3. Stockstill J.R. VALVE. Patent US 2256416 A, International Class.: F16K 5/00 (20060101); F16K 5/16 (20060101); Sacramento, Calif, Publ. Sept. 16, 1941.

4. Hodges P.K.B. Hydraulic Fluids. NY 10158-0012 USA Bsc.: F.Inst.Pet., 1996. 167 p.

5. Menon E.S. Liquid Pipeline Hydraulics. NY. Basel: SYSTEK Technologies, Inc. Marcel Dekker, Inc. 2004. 269 p.

6. Menon E.S. Gas Pipeline Hydraulics. Boca Raton: CRC Press, Taylor&Francis Group. 2005. 399 p.

7. Anderson J.D.Jr. Computational Fluid Dynamics. The basics with applications. 1 edition. New York: McGraw-Hill Science/Engineering/Math; February 1, 1995. 574 p.

8. Keith G. Control valve with elastically loaded cage trim. Patent US 3834666 A. European Class.: F16K1/34. Publ. Sept. 10, 1974.

9. Lindner H.P. Double wall plug control valve. Patent US 4041982 A. European Class.: F16K47/08, F16K47/14. Publ. Aug 16, 1977.

10. Veremeev D.N., Nefjodcev V.P. Regulirujushhij klapan osevogo potoka [Axial flow control valve]. Patent RF 84938, MPK F16K39/04. Patentoobladatel' [Patent holder]: Otkrytoe akcionernoe obshhestvo "Atommashexport" (RU). Publ. 20.07.2009.

11. Vasil'ev A.S., Shegel'man I.R., Shhukin P. O. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1770.

12. Shegel'man I.R., Kolesnikov G.N., Tihonov E.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1832.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.