Классификация и особенности конструирования исполнительных устройств

Исполнительные устройства в основном классифицируют в зависимости от условной пропускной способности. По этому признаку их делят тна четыре группы:

а. исполнительные устройства больших расходов – регулирующие заслонки с условной пропускной способностью от 40 до 25 000 м³/ч (условные проходы от 50 до 1000 мм);

б. исполнительные устройства средних расходов – регулирующие клапаны с условной пропускной способностью от 2 до 5000 м³/ч (условные проходы от 10 до 300 мм);

в. исполнительные устройства малых расходов – регулирующие клапаны с условной пропускной способностью от 0,1 до 4,0 м³/ч (условные проходы от 6 до 25 мм);

г. исполнительные устройства микрорасходов – регулирующие клапаны с условной пропускной способностью 0,1 м³/ч и менее и условным проходом 10 мм и менее.

Исполнительные устройства средних расходов – регулирующие клапаны бывают односедельными; трехходовыми; шланговыми; диафрагмовыми; двухседельными; шаровыми; клеточными. В зависимости от вида управляющей энергии исполнительные устройства делят на пневматические, гидравлические и электрические. При этом один и тот же регулирующий орган можно комплектовать как пневматическим, так и электрическим исполнительным механизмом (приводом). В условиях пожаро- и взрывоопасных производств наиболее широко применяют исполнительные устройства с пневматическими приводами (пневматические исполнительные устройства).

По принципу действия исполнительные устройства делятся на регулирующие и запорно-регулирующие.

В зависимости от вида пропускной характеристики исполнительные устройства могут быть с равнопроцентной пропускной характеристикой и с линейной пропускной характеристикой.

По величине условного давления исполнительные устройства делятся на группы: а) низких давлений – до 16 кгс/см²; б) средних давлений – от 25 до 160 кгс/см² и в) высоких давлений – от 200 до 1500 кгс/см².

В зависимости от допустимой температуры регулируемой среды исполнительные устройства могут быть:

а) для низких температур – до –225 °С;

б) для нормальных температур – до +225 °С

в) для высоких температур – до +450 °С.

В зависимости от материала основных деталей регулирующего органа исполнительные устройства применяют: а) чугунные; б) стальные (из углеродистой стали); в) нержавеющие (из различных марок нержавеющих сталей); г) специальные.

В зависимости от способа уплотнения выходного штока регулирующего органа исполнительные устройства делятся на:

а) сальниковые;

б) бессальниковые (например, с сильфонным уплотнением штока).

В зависимости от взаимного расположения входного и выходного патрубков исполнительные устройства могут быть: а) проходные; б) угловые.

В зависимости от вида подсоединения к трубопроводу исполнительные устройства делятся на: а) фланцевые; б) муфтовые; в) линзовые; г) цапковые; д) приварные.

В зависимости от вида действия ИУ могут быть:

а) нормально открытые (НО), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановочное усилие, проходное сечение полностью открывается;

б) нормально закрытые (НЗ), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановочное усилие, проходное сечение полностью перекрывается.

По защищенности от воздействия окружающей среды исполнительные устройства могут быть в обыкновенном и взрывозащищенном исполнениях.

В обыкновенном исполнении они предназначены для работы в условиях воздействия окружающей среды, в которой допускаются загрязняющие соединения в концентрациях, ограниченных определенными нормами.

Односедельные клапаны.

Односедельные регулирующие клапаны в последнее время благодаря своим преимуществам начали вытеснять двухседельные клапаны. Односедельные клапаны подразделяются на регулирующие и запорно-регулирующие. Каждая из этих групп в свою очередь делится на клапаны с сильфонным и сальниковым уплотнениями штока. Кроме того, односедельные клапаны бывают проходными и угловыми.

Односедельные клапаны могут иметь линейную или равнопроцентную пропускную характеристику. Как правило, односедельные регулирующие клапаны применяют тогда, когда необходимо полностью перекрыть поток при закрытии клапана, а также при регулировании потоков вязких жидкостей и неоднородных сред (взвесей, растворов, пульп и др.).

Односедельные клапаны применяют также при малых условных проходах трубопровода.

Односедельные клапаны могут быть запорно-регулирующими. Они имеют на затворе уплотняющее фторопластовое кольцо, поэтому их можно применять для регулирования потоков сред с температурой до 120 °С.

В последнее время созданы односедельные регулирующие клапаны с разгруженным затвором. Они могут успешно регулировать потоки сред при больших перепадах давления. Разгрузка затвора 2 в таком клапане (рис.8.1.) обеспечивается наличием в нем каналов, соединяющих полости над затвором и под ним, благодаря чему давления над затвором и под ним равны.

Рис.8.1. Регулирующий орган однонедельного клапана с разгруженным затвором: 1 – седло; 2 – затвор: 3 – направляющая втулка: 4 – корпус: 5 – верхняя крышка.

 

 

Затвор имеет две направляемые цилиндрические поверхности – одна из них направляется седлом 1, другая – направляющей втулкой 3, зажимаемой между корпусом 4 и верхней крышкой. Благодаря большой площади направляющих поверхностей в клапане даже при высоких перепадах давления не возникают вибрации и шумы. Клапаны имеют ряд исполнений и рассчитаны на условное давление 320 кгс/см² для регулирования сред с температурой от –10 до + 450°С. Детали корпуса изготовляют либо из углеродистой, либо из нержавеющей стали, затвор и седло – из нержавеющей стали или из стеллита.

Затвор обеспечивает равнопроцентную пропускную характеристику клапана при диапазоне изменения пропускной способности, равном 50 %.

Негерметичность регулирующих клапанов с уравновешенным затвором не превышает 0,5 % максимальной пропускной способности. Клапаны комплектуют пневматическими, электрическими или гидравлическими приводами с необходимыми дополнительными блоками.

Трехходовые клапаны.

Трехходовые клапаны предназначены для смешения двух потоков в один или для разделения одного потока среды на два.

По этому признаку трехходовые клапаны разделяют на смесительные и разделительные.

У смесительного клапана к двум его патрубкам подводятся потоки различных сред или однородная среда, но с разными температурами; у разделительного к одному из его патрубков подводится поток среды, который разделяется этим клапаном на два самостоятельных потока, выходящих через другие патрубки.

Трехходовые регулирующие клапаны отличаются величиной пропускной способности от соответствующих двухседельных клапанов. Основные детали смесительных и разделительных клапанов унифицированы, но так как корпусы клапанов этих двух типов имеют неодинаковую форму и различные гидравлические сопротивления, то пропускная способность смесительных и разделительных клапанов также различна.

 

Шланговые клапаны.

Шланговые регулирующие клапаны отличаются от перечисленных тем, что регулируемая среда проходит в них через эластичный патрубок (шланг) который, деформируясь под действием исполнительного механизма, изменяет площадь проходного сечения, а следовательно, и расход. Шланговые клапаны могут регулировать потоки самых разнообразных сред. В зависимости от среды их эластичные патрубки изготовляют из бензостойких, маслостойких, маслобензостойких, химически стойких, эрозионно-стойких материалов, а также из материалов, пригодных для пище-вых продуктов. При этом применение резиновых или пластмассовых эластичных патрубков вместо дорогостоящих нержавеющих сталей дает большой экономический эффект.

Шланговые регулирующие клапаны имеют следующие преимущества:

- исключают застой продукта (конструкция клапана прямоточная с малым гидравлическим сопротивлением);

- выполнены без уплотнения штока, так как дроссельная часть клапана, ограниченная эластичным патрубком, полностью герметизирована;

- в закрытом положении эластичный патрубок надежно перекрывает проход, отсекая подачу среды в отводящий трубопровод;

- возможна быстрая и удобная замена эластичного патрубка при выходе его из строя.

Основными недостатками шланговых клапанов являются:

- невысокая температура регулируемых сред (80 °С) и небольшое рабочее давление (до 10 кгс/см²);

- значительная неуравновешенность регулирующего органа, что делает невозможным его применение без позиционера;

- сравнительно небольшой срок службы эластичного патрубка.

Шланговый регулирующий клапан (рис.8.2.) состоит из шлангового пережимного затвора, мембранно-пружинного исполнительного механизма повышенной мощности типа МИМП и пневматического позиционера. Необходимость в применении механизма МИМП и позиционера вызвана тем, что исполнительный механизм должен развивать большие усилия, так как затвор этого клапана неразгруженный. Клапаны можно комплектовать ручными дублерами. Затвор клапана (рис.8.2.) представляет собой эластичный патрубок 1, пережимаемый двумя валиками – траверсами и помещенный в герметичный кожух. Последний образован металлическими корпусом 3 и крышкой 4, уплотняемыми прокладками 5. На случай разрыва патрубка в крышке 4 предусмотрено сальниковое уплотнение штока 6. Эластичный патрубок в корпусе зажимается при помощи уплотнительных конусов – фланцев 2.

Верхняя траверса 7 жестко соединена ее штоком 6; нижняя 11 прикреплена к верхней при помощи ролико-втулочной цепи 8, переброшенной через зубчатое колесо 9, вращающееся на оси 10. При перемещении штока 6 с прикрепленной к нему траверсой 7 вниз нижняя траверса 11 поднимается и таким образом патрубок перекрывается (сжимается).

 

 

Рис.8.2. Шланговый регулирующий клапан:

1 – эластичный патрубок; 2 – уплотнительный конус (фланец); 3 – корпус; 4 – крышка; 5 – прокладка; 6 – шток; 7 – верхняя траверса; 8 – ролико-втулочная цепь; 9 – зубчатое колесо; 10 – ось; 11 – нижняя траверса.

 

Для сжатия эластичного патрубка, находящегося под давлением среды, требуется значительное усилие. Оно необходимо и для герметичного перекрытия прохода, т. е. для создания надежного контакта между пережимаемыми поверхностями патрубка.

Расход среды через шланговый клапан меняется в основном только в начале подъема штока. Зависимость между увеличением расхода и подъемом штока при раскрывании патрубка в первой половине хода примерно линейная, поэтому для пропорционального регулирования целесообразно использовать только эту часть хода. При двухпозиционном регулировании (открыто – закрыто) для уменьшения износа целесообразно раскрывать патрубок полностью. В клапанах предусмотрена возможность настройки на определенный ход.

Поскольку в шланговых клапанах среда не контактирует с металлическими частями (корпусом и крышкой), их можно изготовлять из низкосортных металлов, а применение их в агрессивных средах обуславливается только химической стойкостью материала эластичного патрубка. От химического состава среды также зависит материал зажимных конусов – фланцев, которые изготовляют из углеродистой, хромоникелевой и хромомолибденовой легированных сталей, титанового сплава, а также из углеродистой стали с последующей гуммировкой или эмалированием.

В шланговых регулирующих клапанах минимальный регулируемый расход составляет 10 – 12 % максимального. Это объясняется тем, что при большом перепаде давления патрубок, близкий к полностью закрытому положению, начинает самопроизвольно закрываться и открываться, т. е. вступает в режим автоколебаний. Это объясняется следующим. При большом перепаде давления в узкой щели, равной 6 – 8 % площади полного диаметра патрубка, в полости за дроссельной щелью давление резко понижается и образуется разрежение. Под атмосферным давлением патрубок сплющивается и перекрывает проход. Но как только движение среды прекращается, давление восстанавливается и патрубок раскрывается. Патрубок вступает в режим автоколебаний тем быстрее, чем больше величина перепада давления, чем уже дроссельная щель и чем меньше жесткость патрубка.

Диафрагмовые клапаны.

Диафрагмовые регулирующие клапаны применяют, как правило, для регулирования потоков агрессивных сред. Корпус диафрагмового клапана изготовляют из чугуна, а внутри покрывают кислотостойкими материалами.

Температурный предел применения диафрагмовых клапанов определяется температурной стойкостью материалов покрытия и диафрагмы и составляет: 60 °С – для клапанов, футерованных полиэтиленом; 80 °С – для клапанов, футерованных резиной; 110°С – для клапанов, футерованных фторопластом 42; 120 °С – для клапанов эмалированных; 135 °С – для клапанов, футерованных фторопластом 30, и 150 °С для клапанов, футерованных фторопластом 40.

Основные преимущества диафрагмовых регулирующих клапанов – возможность применения дешевых антикоррозионных материалов взамен дорогостоящих нержавеющих сталей, а также бессальниковая конструкция.

К недостаткам диафрагмовых клапанов относятся: неразгруженность затвора и ограниченные величины давления и температуры регулируемых сред.

Проходной корпус 12 диафрагмового регулирующего клапана (рис. 8.3.) по внутренней поверхности футерован химически стойкими материалами. На корпусе болтами закреплена крышка 9, а между крышкой и корпусом зажата диафрагма П. которая винтом 8 привинчена к крестовине 7 и, кроме того, соединена со штоком 5 клапана. На крышке 9 гайкой 6 закреплен мембранно-пружинный исполнительный механизм 3, шток 4 которого также соединен со штоком клапана. На крышке мембранной камеры исполнительного механизма 3 крепится позиционер 2. Регулирующие клапаны с условным проходом 10 и 15 мм и отсечные клапаны для двухпозиционного регулирования поставляют без позиционера. Чтобы предупредить разрушение диафрагмы от действия рабочей среды в крышке 9 регулирующего органа расположена телескопическая опора 10 набранная из колец, на которые опирается диафрагма. Крепление клапана к трубопроводу – фланцевое. Клапаны могут иметь дублирующий (аварийный) сальник. Для обнаружения утечки среды в атмосферу в крышке клапана предусмотрено отверстие, к которому крепится сигнализатор прорыва диафрагмы. Положение диафрагмы определяют по указателю, установленному на штоке исполнительного механизма.

 

Рис.8.3. Диафрагмовый регулирующий клапан:

1 – регулирующий орган; 2 – позиционер; 3 – пневмопривод; 4 – шток привода; 5 – шток регулирующего органа; 6 – гайка; 7 – крестовина; 8 – винт; 9 – крышка; 10 – телескопическая опора; 1 – диафрагма; 12 – корпус.

 

В зависимости от параметров среды клапаны различаются футеровкой корпуса и диафрагмой, которые могут быть выполнены из различных химически стойких материалов.

Теплообменные аппараты

Современная нефтяная и газовая промышленность оснащена сложным оборудованием, предназначенным для осуществления разнообразных процессов – нагрева, охлаждения, конденсации, массопередачи, перекачки, компримирования, фильтрации и ряда других операций с нефтью, газом и продуктами их переработки.

В зависимости от технологической необходимости в схеме химического или нефтеперерабатывающего предприятия или технологической установки применяют различные аппараты, причем значительную их долю (20 – 45 % общего веса аппаратуры и установок) составляют теплообменные и конденсационно-холодильные. Среди всей номенклатуры машин и аппаратов, от которых зависит эффективная и оптимальная их эксплуатация, значительную часть составляют аппараты воздушного охлаждения (АВО).