Шпаков О.Н. Особенности применения арматуры в технологических процессах различных отраслей народного хозяйства

Для остановки потока применяется запорная арматура, предназначенная для работы в полностью открытом или полностью закрытом положении. В сложных условиях эксплуатации эта арматура часто снабжается пневматическим, гидравлическим или электрическим приводами.

Для управления и регулирования потока в системах используют регулирующую арматуру: клапаны, дисковые затворы, конусные, цилиндрические или шаровые краны. Контрольная (без привода) арматура регулирует расход в трубопроводах. Старейшая и наиболее популярная до сих пор регулирующая арматура спроектирована в виде односедельных и двухседельных клапанов для работы регулирующего элемента в промежуточных положениях.

Задвижки никогда не должны использоваться для регулирования процессов, они допускаются для регулирования только в том случае, когда скорость потока является очень низкой. Высокая скорость потока в задвижках, применяемых для регулирования, может быстро повредить уплотнительные поверхности и привести к чрезмерным утечкам в полностью закрытом положении затвора.

Исключение составляют задвижки, применяемые при высокой температуре и высоком давлении в энергетике. В этом исполнении уплотнение в затворе осуществляется применением неподвижного перфорированного диска с перекрытием отверстий подвижным регулирующим элементом. Регулирующая арматура необходима в каждой технологической установке или объекте, где скорость течения должна быть контролируемой.

Для эффективного регулирования скорость потока должна быть пропорциональна степени закрытия прохода. Однако некоторые управляющие приложения требуют расхода не пропорционально проценту закрытия прохода (такие, например, как быстрое открытие). Наиболее точное управление потоком осуществляется регулирующей арматурой, которая управляется контроллером и приводом, а не в ручном режиме.

Обратная или невозвратная арматура допускает проход среды только в одном направлении, она блокирует поток от движения в противоположном направлении. Обратная арматура маркируется стрелками на наружной поверхности корпуса, чтобы убедиться, что она установлена в правильном положении. Многие агрегаты технологического оборудования, в т. ч. насосы, турбины и котлы, защищены обратной арматурой, если она не имеет мягкого уплотнения из эластомеров и допускает неполную герметичность.

Обратная арматура охватывает весь диапазон: от размера в ладонь до крупной арматуры для гидроузлов, через которую можно пройти. Обратная арматура используется в тандеме с задвижками во многих ситуациях, потому что арматура с уплотнениями металл по металлу, как правило, имеет высокую допустимую интенсивность утечек.

Кроме того, арматура обеспечивает безопасность систем посредством применения предохранительных и перепускных (для жидкостей) клапанов.

Применение арматуры характеризуется составом и параметрами сред, а также соотношением основных энергетических параметров среды. Чем сложнее среда, чем она агрессивнее или используется при высоких давлениях и температурах, тем более вероятно, что для обеспечения ее соответствия технологическим процессам потребуется более сложная и специализированная арматура.

В одних отраслях большое значение имеет количество регулирующих контуров, сложность процесса регулирования, в других более важна пропускная способность, надежность и долговременность эксплуатации, тогда как часто наибольшее внимание уделяется способности надежно выдерживать сверхкритические давления и температуры.

Многие отрасли используют подобные друг другу участки технологических схем, что создает возможность для применения одних и тех же видов арматуры, хорошо себя зарекомендовавших. Например, сравним частоту применения (табл.) различных типов арматуры на нефтеперерабатывающих заводах и химических комбинатах (данные Британской ассоциации арматуростроителей).

Энергетическая арматура. В первые 100 лет эксплуатации промышленная арматура для использования на паре и других средах претерпела много улучшений и усовершенствований. Паровая арматура остается по-прежнему важной при использовании на критических параметрах. Высокие температура и давление сейчас диктуют использование хромоникелевых сталей. Основная проблема заключается в обеспечении уплотнения в затворе и соединении корпуса и крышки в условиях высоких температур и высокого давления.

Остро стоит вопрос обеспечения герметичности и необходимых пропускных характеристик при громадном перепаде давления. Типичная электростанция (рис. 1) имеет большое количество арматуры для тяжелых условий эксплуатации – от самой маленькой из кованой стали до крупной. Разнообразие проектов в энергетике очень высоко: это и мини-газовые электростанции с диаметром подающего трубопровода 32 мм, и промышленные газовые станции с номинальными диаметрами трубопроводов питательной воды более 500 мм.

Уникальная окружающая среда объектов атомной энергетики (рис. 2) требует, чтобы все используемые в ее строительстве устройства соответствовали строжайшим стандартам качества и документации. Поскольку права на ошибку в этой отрасли нет, арматура должна быть совершенной во всем – от контроля дефектов отливок до ультранадежных систем управления. Развитие атомной промышленности стало огромным стимулом для развития арматуры и технологии производства, систем обеспечения качества. Цифровая эпоха впервые дала о себе знать именно в атомной отрасли, особенно в системах дистанционного управления процессами.

Гидроэнергетика – одно из самых эффективных направлений в производстве электроэнергии, использующее потенциал рек. Отсутствие топливной составляющей в производстве электроэнергии ГЭС (рис. 3) способствует снижению зависимости стоимости электроэнергии от органического топлива. Для получения электроэнергии ГЭС используют возобновляемые источники энергии.

Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая отрасли. Арматуру практически любого типа и материала с лабиринтами трубопроводов можно найти на заводах этих отраслей. Диапазон рабочих температур: от криогенных до 700 °С. Едкие вещества, такие как сероводород и плавиковая кислота, требуют специальный арматуры и материалов.

Тяжелые условия требуют специально сконструированной арматуры. Например, в криогенных системах (с температурой среды ниже –150 °С) важна удлиненная крышка, при этом набивка не будет замерзать, а в кислороде арматура должна быть полностью свободной от всех масел и смазок.

Судовая арматура представлена практически всеми существующими типами арматуры, изготовленными из множества широко известных, а также и не столь распространенных материалов. Например, современный супертанкер (рис. 4) оснащен арматурой, исчисляемой сотнями штук различных типов и диаметров.

Судовая арматура отличается широким многообразием выполняемых функций как на палубе, так и в трюмах. Все суда, чтобы привести в движение свои механизмы, используют какой-либо вид энергии, и управлять этой энергией предназначена как раз арматура. Арматура для пожаротушения должна срабатывать в строго определенный момент, т. е. должна отличаться сверхнадежностью.

Судам, транспортирующим жидкий груз, просто необходима разветвленная система трубопроводов. Эти суда, от нефтеналивных барж до танкеров, перевозящих сжиженный природный газ, начинены самой разнообразной арматурой. Причем арматура должна быть тщательно подобрана в зависимости от агрессивности проводимой среды – будь то нефтепродукты или криогенный СПГ.

Корпуса арматуры должны быть достаточно прочными и устойчивыми к коррозии, вызываемой агрессивной морской водой и морской атмосферой. Все большую популярность завоевывают шаровые краны, включая краны с металлическим уплотнением в седле. То же можно наблюдать со стороны футерованных поворотных дисковых затворов, причем именно в той области применения, в которой ранее доминировали задвижки.

Доказано практикой, что выбор меньших по размерам и более легких по массе поворотных дисковых затворов в судостроении в большинстве случаев вполне оправдан. На современных судах все активнее используются системы автоматизации, охватывающие и трубопроводные системы, на которых все чаще можно видеть блоки автоматически управляемой арматуры. Такие системы нередко бывают подключены к современному вычислительному комплексу, контролирующему все судовые технические функции.

Достижения в технологии сварки также помогли поднять арматуру на новый уровень. В мировом арматуростроении широко распространена наплавка уплотнительных поверхностей твердыми сплавами, из которых наиболее применяемым является стеллит. К сожалению, требования законодателей в технологии атомной промышленности РФ ограничили применение этой самой лучшей наплавки из-за присутствия в ее составе кобальта, подверженного неприятностям от облучения. Опасения в отношении стеллита повлияли на исключение этой наплавки из большинства рекомендованных в нормативно-технических документах, действующих в России.

Целлюлозно-бумажная промышленность, являясь энергоёмкой, требует разработки и внедрения арматуры с высокой пропускной способностью и небольшим перепадом давления. При применении арматуры должны быть решены такие проблемы, как повышение уровня точности и качества регулирования, снижение шума и кавитации. Поскольку получение целлюлозы и бумаги является длительным процессом, надежность управления каждым устройством, участвующим в процессе, должна быть чрезвычайно высока. В этом отношении подобные требования должны быть распространены не только на регулирующую, но и на запорную арматуру.

На целлюлозно-бумажных предприятиях (рис. 5) предъявляют повышенные требования к коррозионной стойкости оборудования, т. к. не могут быть полностью предотвращены утечки целлюлозной массы, крайне агрессивных кислот и щелочей. Персонал, обслуживающий нормальное протекание технологических процессов, зачастую вынужден работать в противогазах. Соединения между арматурой, приводами и другими узлами должны быть полностью герметизированы. Предпочтительно применение неполноповоротной арматуры – кранов и дисковых затворов. Широко используются пневмоприводы.

Ужесточение законодательств многих стран в части охраны окружающей среды оказало большое влияние на качество уплотнений в арматуре. Причем, если это требование привычно для сальников, где есть возможность подтянуть, сменить набивку, то уплотнение по штоку, так называемое «верхнее уплотнение», находится в гораздо более сложном положении. Тем не менее к этому уплотнению предъявляется требование по обеспечению герметичности по классу А, и изготовители справляются с этой сложной задачей, применяя передовые технологии, обеспечивающие высокую точность изготовления и подбор контактирующих пар. Перспективным направлением является применение эластичных (оболочковых) седел в затворах.

Использование арматуры в трубопроводах (рис. 6) является существенным аспектом для многих отраслей промышленности, но есть сотни тысяч километров магистральных трубопроводов, которые транспортируют среду от ее первоначальной обработки к месту, где она преобразуется в окончательный продукт. Эта среда может транспортироваться по трубопроводам для сырой нефти и газа на суше и море.

Арматура используется для оптимизации условий эксплуатации трубопровода, и может быть установлена на любой части трубопровода. Используется специализированная устьевая и фонтанная арматура, которая монтируется на устье скважины для регулирования выхода продукта из скважины. Далее трубопроводы тянутся через транспортировочные и станции первичной обработки нефти или станции подготовки газа к транспортировке вплоть до конечного пункта (как правило, НПЗ или ГПЗ). Одним из отличительных устройств этого вида транспорта являются устройства очистки или осмотра трубопроводов изнутри. Поэтому, как правило, в магистральных трубопроводах используется полнопроходная арматура.

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (особенно в больших зданиях) используют арматуру, размеры которой варьируют от DN 6 до DN 1 000 (для большинства видов арматуры).

Системы холодного и горячего водоснабжения в небоскребах могут быть оборудованы арматурой с давлением до PN 100, чтобы справиться с высоким подъёмом (чтобы добраться до верхних этажей и для поддержания давления в трубопроводах). Давление, необходимое для подачи воды на верхние этажи высотных зданий, как правило, вынуждает применять арматуру из стали вместо чугуна или ковкого чугуна.

Системы пожаротушения в первую очередь оборудованы клапанами и задвижками из ковкого чугуна. В автоматизированных сборочных линиях в системах сжатого воздуха применяется, как правило, небольшая арматура. Но давление может быть как очень низким для сжатого воздуха, так и почти PN 400 для гидравлических систем.

Пищевая промышленность – это огромная отрасль с растущей потребностью в арматуре, имеющая много проблем, включая проблемы безопасности, которая диктует строгие требования к материалам. Арматура должна изготавливаться из мягкого материала, не должна впитывать или удерживать любой продукт, который проходит через нее.

В применяемой арматуре не должно быть «мертвых» зон или щелей, где материал может оказаться в ловушке, что потом негативно повлияет на качество выходящего продукта. Для арматуры в пищевой промышленности не характерны очень высокие давления или коррозионные агрессивные среды, которые присутствуют в других отраслях промышленности, но преобладают требования к способности промывки до стерильного состояния, которая осуществляется ежедневно.

В статье невозможно перечислить все особенности применения арматуры в многочисленных системах, однако, несомненно, незаметная на первый взгляд трубопроводная арматура всегда находится на передовой в любых системах и установках.

Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 5 (54) 2019