Управление задвижками: правила, требования, виды приводов

Принцип действия задвижек

Клиновая задвижка — устройство запорной арматуры. Она обеспечивает полное перекрытие или открытие потока рабочей среды в трубопроводе. Не допускается использование таких устройств для регулирования потока, поскольку это приводит к быстрой потере герметичности.

Запирающим элементом выступает металлический клин, который перемещается перпендикулярно потоку среды. Перемещение клина обеспечивается резьбовой парой, в состав которой входит шпиндель (в выдвижном или невыдвижном исполнении) и ходовая гайка. Шпиндель вращается приводным устройством. При этом он перемещает затвор (клин) вверх или вниз.

Внутренняя форма корпуса образует седло, поверхности которого точно соответствуют сторонам клина. Поэтом в крайнем нижнем положении затвор плотно прижимается к седлу, перекрывая движение потока рабочей среды. При нахождении клина в верхнем положении проходной диаметр полностью открыт.

Правила управления задвижками

Основные требования к тому, как должно быть организовано управление задвижкой на трубопроводе:

• Допускается нахождение клина только в крайних положениях — «открыто» или «закрыто». Нельзя использовать арматурные устройства этого типа для регулировки давления и расхода рабочей среды в трубопроводах. Работа в режиме неполного перекрытия приводит к потере герметичности по затвору.
• Используемое устройство управления должно обеспечить наиболее быстрый перевод клина в положение «открыто» или «закрыто». Это необходимо, чтобы минимизировать время нахождения запирающего элемента в промежуточном положении.
• Перемещение затвора должно выполняться плавно. Резкое открывание или закрывание может привести к гидроудару. Такая опасность особенно характерна для трубопроводов большого диаметра, с высокой скоростью перемещения рабочей среды. Гидроудар становится причиной повреждения соединений труб, выхода из строя подключенного оборудования.
• При эксплуатации в условиях, когда нахождение человека непосредственно рядом с трубопроводом или с арматурным устройством может представлять опасность, должно быть реализовано дистанционное управление задвижкой.
• На трубопроводах большого диаметра или высокого давления, на которых перемещение клина требует значительного усилия, должен использоваться блок управления задвижкой с приводным устройством.
• Допускается установка арматурного устройства только на трубопроводы, рабочие характеристики которых (давление, температура среды, скорость ее перемещения и т.д.) отвечают проектным параметрам задвижки, указанным производителем.

Соблюдение этих требований обеспечивает безопасное, эффективное использование клиновой задвижки, позволяет продлить срок ее службы.

Приводные механизмы для управления задвижкой

Наиболее простым является ручной способ управления клиновой задвижкой. В этом случае оператор управляет арматурным устройством, вращая маховик в направлении открывания или закрывания затвора. От маховика приводится во вращение шпиндель, который поднимает или опускает клин. 

Ручной тип управления задвижкой позволяет уменьшить расходы на комплектацию трубопроводов. Кроме этого, отсутствие в схеме дополнительных устройств повышает надежность системы. Однако главный минус ручного управления состоит в необходимости использования мускульной силы. Чем больше диаметр трубопровода и выше рабочее давление, тем тяжелее оператору открывать и закрывать затвор. Уменьшить усилие, прикладываемое к маховику, позволяет установка механического редуктора. При установке арматуры в труднодоступных местах, например, в колодцах, может применяться колонка управления задвижкой с ручным приводом, которая позволяет вынести управляющий орган на определенную высоту от корпуса.

Помимо ручного способа, применяются системы управления задвижками с разными типами приводов, в том числе:

• электрическим;
• гидравлическим;
• пневматическим.

Применение приводов позволяет управлять арматурой без приложения усилий оператора при любому диаметре трубопровода и рабочем давлении, использовать схемы дистанционного или автоматизированного управления. Кроме этого, их используют в условиях, когда по требованиям безопасности запрещен прямой контакт оператора с арматурным устройством. Например, с помощью приводов выполняется управление задвижками на трубопроводах, транспортирующих сжиженные газы с экстремально низкими температурами.

Электрический привод

Электропривод — самый распространенный вид приводов запорной арматуры. Основными узлами его конструкции являются асинхронный электродвигатель и редуктор. Выходной вал редуктора соединен с ходовой гайкой шпинделя задвижки и вращает ее при включении электродвигателя. В результате производится перемещение клина вверх или вниз, в зависимости от направления вращения. Благодаря специальным микровыключателям электропривод отключается только при достижении затвором крайнего верхнего или крайнего нижнего положения. Это позволяет исключить нахождение длительное нахождение клина в промежуточном положении и его ускоренный износ.

Управление задвижкой с электроприводом может осуществляться в дистанционном и автоматическом режиме.

При работе электропривода в дистанционном режиме оператор подает команду на его открытие или закрытие арматурного устройства с пульта, который расположен от него на расстоянии. При нажатии кнопки на пульте управления пускатель включает электродвигатель, который через редуктор приводит в движение шпиндель задвижки, открывая или закрывая затвор. При достижении клином крайнего положения концевой выключатель отключает электродвигатель.

В автоматическом режиме управление осуществляется без участия оператора. Система автоматики размещается в шкафу. Она при помощи датчиков отслеживает рабочие параметры и при достижении ими определенных значений подает команду на включение электродвигателя в направлении на открывание или закрывание запирающего элемента. Например, по этому принципу может работать управление пожарной задвижкой в системах автоматического пожаротушения. При срабатывании датчиков, которые обнаруживают признаки возгорания на объекте, затвор открывается для подачи воды в систему тушения. Кроме этого, автоматический режим широко используется для управления электроприводными задвижками, установленными на промышленных трубопроводах. При этом открывание и закрывание задвижки производится в зависимости от изменения технологических параметров.

Основные плюсы электроприводов для задвижек:

• наиболее высокий КПД из всех типов приводов;
• небольшие эксплуатационные расходы;
• передача электроэнергии на большие расстояния без ощутимых потерь;
• простая конструкция приводного механизма;
• высокая скорость перемещения рабочего органа;
• точность позиционирования запирающего элемента;
• простая, эффективная автоматизация;
• минимальные требования к техническому обслуживанию;
• безопасность для окружающей среды;
• малошумная работа.

К минусам электроприводов относят их высокую стоимость. Кроме этого, они имеют ограничения по применению в пожаро- и взрывоопасных условиях. Также частые запуски могут приводить к выходу из строя электродвигателя.

Гидравлический привод

В механизмах с гидравлическим приводом усилие, необходимое для перемещения клина задвижки, развивается за счет энергии давления гидрожидкости, функцию которой обычно выполняет минеральное масло.  Гидропривод способен развить значительное рабочее усилие, которое сложно создать с помощью приводных механизмов других типов.

В состав гидропривода всходит насос, который создает необходимое давление жидкости, и гидродвигатель, преобразующий это давление в кинетическую энергию. Также используется гидроаккумулятор, обеспечивающий стабильную работу системы.

Преимущества гидропривода запорной арматуры:

• возможность создания значительного рабочего усилия при компактных размерах — гидравлический привод развивает усилие в среднем в 25 раз выше по сравнению с пневмоприводом аналогичных габаритов;
• высокая плавность хода исполнительного органа — хорошо предотвращает гидроудары;
• разрешено использование в пожаро- и взрывоопасных условиях;
• достаточно высокая скорость развития усилия;
• возможность установки гидропривода на расстоянии 250-300 м от насосной станции;
• возможность эксплуатации в широком диапазоне температур — в среднем от -50 до +100 °C.

При этом у гидравлических систем есть ряд существенных минусов. В системе могут возникать утечки рабочей жидкости, особенно при эксплуатации с высоким давлением и при повышенной температуре. Это приводит к загрязнению окружающей среды, может вызывать выход из строя оборудования. При низких температурах повышается вязкость масла, поэтому гидропривод работает с повышенными нагрузками, что замедляет движение рабочего органа, может ускорять износ. Для нормальной эксплуатации требуется регулярное обслуживание системы с заменой рабочей жидкости. Гидравлическое оборудование является довольно громоздким. Кроме этого, сложно контролировать точность позиционирования без дополнительных устройств.

Учитывая эти характеристики, гидроприводы имеют ограниченное применение. Их используют на трубопроводах диаметром от 2000 мм, а также в сетях с высоким давление рабочей среды.

Пневматический привод

В пневматическом приводе для управления запирающим элементом задвижки используется энергия сжатого воздуха. Он имеет достаточно сложную схему, которая включает распределительные, исполнительные устройства, средства управления. Сжатие воздуха в системе обеспечивает компрессор пневмоцилиндр преобразует энергию сжатого воздуха в механическую работу.

В зависимости от конструкции пневмоприводы бывают мембранные, сильфонные, поршневые. Более распространены поршневые приводные механизмы. 

К основным плюсам пневмоприводов относят такие особенности:

• малый вес, простая конструкция пневматических цилиндров;
• небольшие расходы на оборудование;
• высокое быстродействие;
• высокая безопасность, допускается использование в пожаро- и взрывоопасных условиях;
• значительный срок эксплуатации при соблюдении рекомендаций производителя оборудования.

При этом пневматические системы имеют самый низкий КПД. Они не обеспечивают достаточную точность позиционирования и требуют применения дополнительных устройств — позиционеров. Кроме этого, необходимы дополнительные технические решения для поддержания плавности и стабильной скорости хода. Пневмопривод, как и гидравлика, требует регулярного технического обслуживания. Также пневматика имеет ограничения по рабочим нагрузкам. Поэтому такие приводные системы не используют на трубопроводах с высоким давление и большим диаметром.