О.Н. Шпаков, кандидат технических наук. Дисковые затворы

В первом выпуске журнала «Вестник арматуростроителя» Олег Николаевич Шпаков, кандидат технических наук, представил статью о дисковых затворах. 

Дисковый затвор (Нрк. заслонка; поворотный затвор, поворотно-дисковый затвор) – тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент имеет форму диска, поворачивающегося вокруг оси, перпендикулярной или расположенной под углом к направлению потока рабочей среды.

В XX веке благодаря необходимости применения арматуры больших диаметров с приемлемыми габаритами широкое применение получили дисковые затворы. Особенно актуальной эта задача стала в связи с осуществлением большого количества проектов по строительству каналов и сооружений для переброски огромных объемов воды порой на дальние расстояния. В мире были построены сотни километров каналов с большими пропускными способностями. Для этих водоводов наиболее подходящими стали крупные дисковые затворы.

Корпус дискового затвора по сути дела отрезок трубы. Диск может быть плоским или двояковыпуклым (линзовым) – чечевицеобразного сечения. Для герметизации применяются металлические или мягкие (резина, фторопласт) уплотнительные кольца или вкладыши. Дисковые затворы могут использоваться в качестве запорной, обратной и регулирующей арматуры. В открытом положении диск устанавливается вдоль оси корпуса, создавая минимальное сопротивление потоку. В закрытом положении кромки диска взаимодействуют с уплотнительными кольцами, которые располагаются в корпусе или на диске. Серийно дисковые затворы выпускаются для трубопроводов с диаметрами прохода от 50 до 2400 мм и более. Уникальными конструкциями арматуры стали затворы с диаметрами более 10 метров, использовавшиеся в аэродинамических трубах, служащих для отработки летных аппаратов с большими размерами.

Затворы небольших размеров вставляются между фланцами трубопровода стягиваемыми шпильками, что экономит пространство и массу. Такая конструкция известна как межфланцевая или вафельная. Затворы вафельного типа могут быть изготовлены с проушинами, в этом случае при установке в качестве концевой арматуры второй фланец не требуется.

Применение затворов с вкладышами ограничивается неабразивными средами. Однако специалисты компании EBRO Armaturen выполнили во вкладыше воздушные полости, заполняемые сжатым воздухом в закрытом положении для обеспечения герметичности, когда вкладыш прижат к диску по всему периметру. При отсутствии в полостях сжатого воздуха образуется зазор между вкладышем и диском, а поворот диска выполняется без трения, а значит, и без износа. Такой затвор может использоваться для управления абразивными средами с песком, цементом и другими сыпучими материалами.

Уплотнительные кольца затворов многих компаний выполняются из эластичных материалов, например химстойкой резины, нитрила или фторопласта. Затворы отличаются герметичностью, малыми протечками и/или возможностью регулировать потоки. Компактная конструкция и 90-градусный цикл работы делают их привлекательными как для ручного, так и для приводного управления. Перечислим некоторые из характеристик, которые определяют популярность дисковых затворов:

• легкость управления;
• отсутствие трущихся частей;
• низкие гидравлические потери;
• малые масса и стоимость по сравнению с другими типами арматуры;
• большие диаметры прохода;
• ход в четверть оборота.

Дисковые затворы с эксцентрично установленными дисками используются для тяжелых условий работы (повышенные давление, температура, в т. ч. криогенная) и являются усовершенствованной модификацией обычных конструкций. Такое расположение диска создает ему более благоприятные условия взаимодействия с уплотнительными кольцами. Конструкция дискового затвора может быть уподоблена шаровым кранам, в которых используется часть сферы, контактирующей с уплотнительными кольцами только на нескольких последних градусах закрытия. Это обеспечивает улучшенную герметичность и дает возможность осуществлять регулирование параметров потока.

Дисковый затвор без эксцентриситета – дисковый затвор, в котором ось вращения диска пересекает ось уплотнительного седла.

Дисковый затвор с эксцентриситетом – дисковый затвор, в котором ось вращения диска не совпадает с осями уплотнительных седел и (или) с осью патрубков и (или) расположена вне плоскости седла.

Однако возможности дисковых затворов на этом не исчерпываются. С целью полного исключения утечек среды через уплотнения изготовители создали затворы с тройным эксцентриситетом. В этих конструкциях седло установлено с наклоном относительно оси прохода, что полностью исключает трение кромок диска об уплотнительную поверхность. В последние годы возросло применение затворов на криогенных средах, особенно из-за расширения производства и транспортирования сжиженного природного газа. Исследование материалов при криогенных температурах выявило неравномерность изменения формы уплотнительных колец с понижением температуры в отличие от изменения при повышении температуры. Для компенсации непропорционального сжатия материала конструкторы предложили дополнительно сместить плоскость затвора, назвав подобное изменение конструкции четвертным эксцентриситетом, хотя здесь эксцентриситет как таковой отсутствует. В этих конструкциях, в отличие от дисковых затворов с тройным эксцентриситетом, уплотнительные кольца имеют постоянное сечение по всему периметру, что обеспечивает одинаковую деформацию при криогенных температурах и, как следствие, полную герметичность.

Особенности конструкций дисковых затворов для тяжелых условий работы:

• прочный вал из цельной заготовки, опирающийся на массивные подшипники;
• обеспечение жесткости конструкции при полной нагрузке;
• защитные кольца, предохраняющие мягкое уплотнение при разных направлениях воздействия давления рабочей среды как при закрытии, так и в открытом положении;
• надежное закрепление диска на валу;
• глубокие сальниковые камеры с комбинированными набивками, включая резервные;
• применение широкого диапазона материалов, в т. ч. ферросплавы, никеле-алюминиевую бронзу, нержавеющие сплавы наряду с корпусами и дисками из углеродистых сталей;
• уплотнительные кольца из различных полимеров, таких как чистый и наполненный фторопласт, терморасширенный графит, химстойкая резина и подшипники, изготавливаемые из различных материалов, начиная от высоколегированных сталей, покрытых фторопластом, до специальных сплавов, выдерживающих как высокие, так и криогенные температуры и стойких к истиранию.

В 70-х годах ЦКБА был изготовлен экспериментальный образец затвора диаметром 200 мм, в диске которого установили уплотнение из плоских металлических колец, чередующихся с кольцами из простого паронита. Образец наработал более 2 тысяч циклов закрытия и открытия на расходном стенде с периодической проверкой герметичности. В конце наработки полная герметичность затвора сохранилась, несмотря на разлохматившийся паронит. К сожалению, это направление конструирования затворов тогда не получило развития.

Многослойные уплотнения состоят из металлических колец, между которыми устанавливаются кольца из паронита, фторопласта, терморасширенного графита или других неметаллических материалов. Подобные уплотнения обладают прочностью металла и уплотняющей способностью эластичных материалов. Среда с высоким давлением, проникая через неплотности между седлом и металлическим кольцом, теряет часть энергии давления во время прохождения через мягкое уплотнение. Такая конструкция позволила обеспечить длительную работоспособность при высоких давлениях и температурах. Подобные уплотнения применили и в шаровых кранах. При этом отмечалась чрезвычайно надежная работа арматуры даже в абразивных средах, т. е. там, где обычные уплотнения и арматуру в сборе приходилось менять чуть ли ни ежемесячно.

Наиболее рационально применение затворов на низкие давления. При увеличении давления увеличивается и толщина диска, который, находясь в проточной части, ухудшает пропускную способность самого затвора. Эту особенность можно отнести к их недостаткам.

Особое место среди конструкций дисковых затворов занимают регулирующие затворы типа Camflex, разработанные фирмой Masoneilan. В России подобные затворы изготавливает ЗАО «ДС Контролз» (г. Великий Новгород). В первых моделях затворов в качестве регулирующего элемента использовалась часть полой сферы шаровых кранов, позже замененная диском со сферической уплотнительной поверхностью. В этих затворах сочетается большая пропускная способность с коэффициентом критического расхода более высоким, чем у шаровых кранов и других конструкций. Их динамическая стабильность при любом направлении потока также выше лучших подъемных и поворотных регулирующих устройств, они обладают высокой пропускной способностью, устойчивостью к кавитации, а также широким диапазоном и точностью регулирования.

Дисковые затворы обладают многими преимуществами по сравнению с задвижками, шаровыми кранами, заглушками и шаровыми кранами, особенно для больших проходных сечений. Экономия массы, пространства и стоимости – их наиболее очевидные преимущества. Затраты на техническое обслуживание затворов обычно невелики, потому что они состоят из минимального количества движущихся частей и нет полостей, в которых оставалась бы жидкость.

Возможности поворотных дисковых затворов далеко не исчерпаны. Технический прогресс заставляет арматуростроителей непрерывно работать над поиском новых эффективных улучшений их конструкций.

Из воспоминаний

В одной из командировок в Минхиммаш меня пригласил заместитель министра Александр Валерьянович Курамжин: «Мой старинный знакомый, директор Чирчикского электрохимического завода Коган просит прислать специалиста, у них возникли проблемы с арматурой. Вам надлежит в кратчайший срок вылететь в Чирчик и закрыть все вопросы».

Приземлились в Ташкенте. Каким наслаждением было почувствовать жаркое дыхание настоящего сухого среднеазиатского лета! Вечером того же дня я прибыл в Чирчик. Через весь город протекала быстрая река с ледяной водой из горных ручьев. Приятная прохлада ощущалась и в общежитии завода. На небольшом рынке удивили крупные сочные помидоры, горы яркой моркови для плова, по-видимому, натертой на терке. С огромным удовольствием поужинал салатом из помидоров и лука, заправленным хлопковым маслом, так как другого в продаже не было.

На следующее утро я представился директору Электрохимзавода, и он поручил работать со мной механику одного из производств. Выяснились претензии к арматуре – поворотный затвор DN 400 имел большую протечку, а обратные затворы DN800 «Пензтяжпромарматуры» и DN1200 Алексинского завода «Тяжпромарматура» начинали открываться при большом перепаде давления. По заявлению представителей Невского машиностроительного завода, испытывавших затруднения в сдаче мощных газовых турбин, предназначенных для работы на газообразном аммиаке, только высокий перепад давления на обратных затворах, установленных на входных и выходных газовых трактах, не позволяет им успешно завершить сдаточные работы.

Осмотрев все затворы, я попросил механика изготовить заглушки с патрубками для присоединения шлангов для измерения протечек и противодавления в затворах. До изготовления заглушек у меня было время обдумать необходимые решения. Особенно помог мне в этом находящийся на заводе технический расчет поворотного затвора DN400, выполненный конструктором «Пензтяжпромарматуры» Иосифом Григорьевичем Ротенбергом. В хорошо оформленном документе была приведена кинематическая схема, размеры, взаимодействие усилий соотношение площадей диска, одним словом, это было прекрасное пособие для анализа условий обеспечения герметичности и расчета давлений открывания затворов. Несмотря на то что не был знаком с Иосифом Григорьевичем, я испытывал к нему благодарность за добросовестно сделанную работу.

Обратные затворы заводов были спроектированы по разным конструктивным схемам. У затвора DN800 ось вращения была расположена выше оси трубопровода, а для его закрывания служил противовес, расположенный параллельно диску, но с противоположной стороны оси. Если диск установить параллельно направлению потока, противовес расположится вверху, около внутренней поверхности трубопровода. Таким образом, по замыслу конструкторов, освобождалась значительная площадь для потока среды. Однако в жизни получалось иначе – никакой скоростной напор не был в состоянии полностью поднять заслонку. Она висела в промежуточном положении и колебалась с большой частотой, при этом опоры быстро изнашивались.

В обратном затворе Алексинского завода «Тяжпромарматура» ось поворота располагалась ниже оси трубопровода, а противовес для закрывания – непосредственно на диске. Усилие гидродинамического напора легко приводило заслонку почти в горизонтальное положение, она при этом опиралась о выступы корпуса. Никаких колебаний не возникало, а гидравлическое сопротивление было незначительным.

Размышления в поисках путей снижения усилия начала открытия затворов подсказали простое решение – необходимо поворачивать оси затворов из горизонтального положения в направлении к вертикальному. Когда ось займет вертикальное положение, силы сопротивления открыванию полностью исчезнут.

С готовым решением я отправился на завод. В цехе уже стояли обратные затворы с заглушками и присоединенными шлангами. Шланги через клапаны были присоединены к воздушной магистрали. Начали поднимать давление. Диск затвора пришел в движение при давлении, близком к одной атмосфере. Я спросил представителей Невского завода, какое давление начала открывания их устроит. Они ответили – три десятых атмосферы. С помощью рабочих мы стали перекатывать затвор. Примерно через каждые 15 градусов делали остановку и замер перепада давления. В положении затвора с осью, расположенной примерно под 45 градусов к горизонту перепад давления, достаточный для открывания, оказался равным пятнадцати сотым атмосферы. Оформили техническое решение, один вопрос был закрыт.

Ненамного больше времени потребовала диагностика и ремонт запорного дискового затвора. В первом разговоре, не получив ответа о количественной величине утечки, я упрекнул работников завода, и, как оказалось, напрасно. Я сказал, что для замера протечек нужно налить бочку воды, опустить в нее опрокинутую стеклянную банку, заполненную водой, в которую завести шланг от затвора. Отметив по секундомеру время, определить, сколько воды вытеснено воздухом из банки. Запорный дисковый затвор был расположен на эстакаде высотой около 10 метров. Туда и была поднята бочка, приготовлена банка и подведен шланг. Мы поднялись на эстакаду. Я опустил трехлитровую банку в воду, развернул ее горлышком вниз, механик приготовил секундомер, один из рабочих ввел шланг в банку. Когда открыли воздушный клапан перед закрытым затвором, через уплотнение в банку мгновенно вдуло громадный пузырь, банка выскочила из моих рук, а воздух из шланга поднял тучу брызг, окатив всех участников проверки. Пришлось согласиться, что утечка и в самом деле велика и затвор подлежит ремонту. При осмотре уплотнительной поверхности обнаружились царапины на фторопластовом уплотнительном кольце. Я попросил разобрать затвор и установить диск затвора в четырехкулачковый патрон токарного станка, исключив перекос и биение с контролем по индикатору. Токарь оказался мастером своего дела. Он аккуратно снял тонкий слой фторопласта, устранив царапины на уплотнительной поверхности. Теперь заглушку установили на повернутом вниз входном патрубке, а на закрытый затвор сверху налили воду. При рабочем давлении ни один пузырек воздуха не прошел через уплотнение в течение часа, то есть и эта неисправность была устранена. На следующий день я попрощался с директором завода и отправился домой. Через неделю почта принесла телеграмму из Чирчика на имя заместителя министра с благодарностью за быстрое решение вопросов по арматуре.