3) Арматурные войны

Арматурные

войны.

Возрастающий в последние годы к неполноповоротной регулирующей арматуре вылился в противостояние конструкций с затвором линейного перемещения (ЗЛП), типа запорного клапана, и конструкций с затвором поворотного типа (ЗПТ), типа шарового крана или дискового поворотного затвора. В некоторых отраслях промышленности и областях применения лидеры очевидны. Так, например, арматура с ЗЛП совершенно не подходит для регулирования потока рабочей среды на целлюлозно-бумажных комбинатах. Но, как правило, нельзя сказать, что какой-то отдельный тип, регулирующий арматуры значительно превосходит все остальные. Если бы существовал «наилучший» тип регулирующей арматуры, то все производители выпускали бы только его.

Арматура с ЗЛП является наиболее испытанной из всех видов регулирующей арматуры и имеет множество исполнений. Большинство производителей выпускают такую арматуру для работы в условиях высоких температур и давлений. Для изготовления деталей узла затвора используется широкий спектр конструкционных материалов. Выпускается множество моделей арматуры с низким уровнем шума и кавитации, предназначенной для работы, как в нормальных, так и в сложных условиях эксплуатации. Пропускная способность Cv арматуры с ЗЛП, так же как и вид пропускной характеристики, может меняться в зависимости от конструкции узла затвора. Это означает, что внутренние детали можно заменять прямо на месте эксплуатации (хотя многие промышленные стандарты запрещают ремонт арматуры, участвующей в данный момент в технологическом процессе). Арматура с ЗЛП чрезвычайно многофункциональна. Стоимость такой арматуры, особенно больших диаметров, обычно очень высока.

Пропускная способность шарового крана как с цельным, так и с составным шаром почти в два раза превосходит пропускную способность арматуры с ЗЛП. Дополнительные преимущества заключаются в длительном сроке службы уплотнений неполноповоротного  штока и меньшей стоимости по сравнению с ЗЛП - арматурой аналогичных размеров. В шаровых кранах отсутствует возможность изменения размеров узла затвора, за исключением арматуры с составным шаром DN 25мм. Невозможно также изменить вид заданной пропускной характеристики шаровых кранов. Конструкции, позволяющие уменьшить шум и кавитацию, хотя и существуют, но их выбор не так широк, как в арматуре с ЗЛП. Благодаря относительно беспрепятственному потоку среды, шаровые регулирующие краны хорошее подходят для работы с такими средами, как суспензии и целлюлозные массы.

Высокоэффективные дисковые затворы получили такое же широкое распространение, как и регулирующие клапаны. Они обладают большей пропускной способностью, чем шаровые краны. Эти два вида арматуры сравнимы между собой и имеют меньшую массу и стоимость, чем другие типы регулирующей арматуры. Они также менее универсальны и больше подвержены кавитации, чем другие виды регулирующей арматуры, не выпускаются в исполнениях, допускающих  уменьшения размеров узла затвора, и практически не имеет исполнений, позволяющих уменьшить шум или кавитацию.

В конструкции пробковых эксцентриковых кранов собраны несколько конструктивных особенностей арматуры с ЗЛП и ЗПТ. Эта арматура имеет повышенную прочность и более высокий коэффициент восстановления давления.  Она более компактна, имеет более низкую стоимость и более длительное время эксплуатации уплотнения, присущее неполноповоротной арматуре. Несколько лет назад один производитель назвал свои пробковые эксцентриковые краны запорно-регулирующими клапанами вращательного действия. Они успешно заменили клапаны с ЗЛП во многих областях применения. Будучи менее универсальными, чем клапаны с ЗЛП, пробковые эксцентриковые краны имеют сменный, зауженный затвор и предоставляют некоторые возможности по уменьшению кавитации и уровня шума. В отличие от других типов ЗПТ - арматуры, пропускная способность которой в два раза превосходит пропускную способность ЗЛП - арматуры, неполноповоротные эксцентриковые пробковые краны имеют пропускную способность, сравнимую с ЗЛП - арматурой.

Выбор вида конструкции арматуры.

В прошлом выбор типа регулирующего клапана был относительно прост, он осуществлялся в соответствии с принципом «следует использовать тот же клапан, который традиционно использовался в этом технологическом процессе». Сегодня потребители регулирующей арматуры рассчитывают на минимизацию издержек и одновременное увеличение качества продукции, а также повышение производительности технологического процесса. Это требует обсуждения некоторых факторов, которые необходимо принимать во внимание при выборе регулирующей арматуры, наиболее подходящей для конкретной области применения.

Цена

Безусловно, первоначальная или закупочная стоимость регулирующего клапана, представляет собой только одну сторону вопроса. В процессе выбора арматуры необходимо учитывать общие издержки за время эксплуатации, затраты на установку, техническое обслуживание и возможный ремонт. Тем не менее, первый вопрос, который всегда задается при обсуждении типа регулирующей арматуры, - какова разница в стоимости различных типов арматуры? Проведено сравнение стоимости стандартного высокоэффективного поворотного затвора, крана с составным шаром, эксцентрикового пробкового крана и клапана  с ЗЛТ. Поскольку двухдюймовые высокоэффективные дисковые затворы используются не очень часто, их стоимость не рассматривалась. Очевидно, что ЗПТ - арматура дешевле ЗЛП - арматуры, причем разница тем больше, чем больше диаметр условного прохода. Если десятидюймовый многооборотный клапан имеет подходящую пропускную способность для заданной области применения, то стоит проверить, подойдет ли для этих целей один из неполноповоротных клапанов. Следует принимать во внимание, что кран с составным шаром аналогичного размера или высокоэффективный поворотный затвор будет иметь примерно в два раза большую пропускную способность по сравнению с ЗЛП - арматурой. Наиболее наглядным будет сравнение десятидюймового ЗЛП, стоимость которого равна 19 000 долларов (цена 1998г.) и восьмидюймового дискового затвора или крана с составным шаром, каждый из которых стоил бы до 5000 долларов.

Масса и геометрия арматуры

Между массой и размером арматуры существует корреляция. Значительная часть стоимости регулирующего клапана приходится на конструкционные материалы. Стоимость установки регулирующего клапана массой около 900кг будет, очевидно, более высока, чем стоимость установки дискового затвора, весящего около 130кг. Поскольку регулирующей клапаны работают под воздействием рабочей среды, их почти наверняка потребуется отвозить в ремонтную мастерскую для технического обслуживания. Имея выбор, большинство технических специалистов предпочло бы демонтировать и транспортировать 130- килограммовый, а не 900- килограммовый клапан.

Возникновение кавитации

В условиях работы с жидкими средами чрезвычайно важно избегать кавитации. Кавитация часто вызывает недопустимо высокие уровни шума и вибрации и приводит к стремительному износу арматуры. Детальное обсуждение проблем кавитации выходит за рамки данной статьи. Однако напомним, что, как только поток жидкой среды достигнет области минимального поперечного сечения клапана (в месте сужения проточной части),  скорость потока возрастает до максимума, а давление жидкости достигает своего минимального значения. Если значение давления жидкости приближается к значению давления разряженной среды, внутри жидкой среды образуются пузырьки. Когда поток среды минует место сужения, его скорость снижается, а давление возрастает. Пузырьки лопаются, создавая шум и повреждая металлическую поверхность.

Для заданной пропускной способности и перепада давления среды при проходе через регулирующий клапан степень понижения давления в суженой полости и потенциальная кавитация зависит от внутренней геометрии клапана. Фактор восстановления давления жидкости (FL), указанный производителем для каждого типа регулирующего клапана, определяет, насколько сильно уменьшается давление в зауженной части. Максимально возможное значение FL, тем меньше спад давления по мере прохождения жидкости через зауженную часть. Многооборотные клапаны имеют наибольшие значения FL и, как следствие, наименее подвержены кавитации. Дисковые затворы имеют наименьшие значения FL и наиболее подвержены кавитации. Это не означает, что дисковые затворы нельзя использовать в условиях работы с жидкой средой, но очень важно тщательно анализировать области применения с точки зрения возникновения проблем кавитации.

Пропускная характеристика

Пропускная характеристика регулирующего клапана представляет собой соотношение числа положений регулирующего органа и пропускной способности в условиях постоянного периода давления в клапане ( то есть без учета характеристик системы ). При обсуждении характеристик регулирующего клапана заданная характеристика обычно сравнивается с идеальной линейной и равнопроцентной характеристикой. Равнопроцентная характеристика называется так потому, что при равных изменениях в положении штока арматуры происходят равнопроцентные изменения расхода. Только регулирующие клапаны с ЗЛП предлагают выбор между линейной и равнопроцентной характеристиками. Опыт показывает, что в 80-90 % систем равнопроцентная характеристика является лучшим выбором.

Шаровые краны ( как с цельным, так и с сегментированным шаром ) чаще всего имеют характеристику, которая следует идеальной равнопроцентной кривой более строго, чем характеристика равнопроцентного клапана с ЗЛП.

Дисковые затворы обычно имеют характеристику между линейной и равнопроцентной. На самом деле, один известный производитель называет характеристику дискового затвора «линейная модифицированная», тогда как другой «равнопроцентная модифицированная» для арматуры схожих конструкций. Правда, в том, что с любым из этих определений трудно поспорить.

Трудно сделать общее заключение о характеристике эксцентрикового пробкового крана поворотного типа. Она больше стремится к линейной, но характеристика арматуры некоторых производителей имеет тенденцию проходить выше идеального линейного графика. Это подразумевает, что они обладают быстрым срабатыванием, что характерно для линейной характеристики, тогда как арматура другого производителя обладает равнопроцентной характеристикой.

Фактические характеристики и коэффициент производительности арматуры

Очень важно правильно выбрать собственную пропускную характеристику, так как от нее зависит фактическая пропускная характеристика в условиях взаимодействия арматуры с остальными частями системы. Фактическая характеристика отражает связь между степенью открытия клапана и результирующим расходом в конкретной системе. Большинство регулирующих клапанов устанавливаются в системы, имеющие центробежные насосы и существенное количество труб и фитингов. По мере открытия регулирующего клапана для увеличения расхода, давление на входе клапана уменьшается. Если существуют значительные потери в трубопроводе после клапана, то давление на  выходе клапана одновременно возрастает. Совместное воздействие  уменьшения давления до клапана и повышения давления после клапана способствует уменьшению падения давления через клапан. Именно уменьшающийся перепад давления через клапан делает фактическую характеристику отличной от идеальной Взаимодействие между клапаном с равнопроцентной характеристикой и системой, в которой проявляется уменьшение падения давления по мере увеличения расхода, приводит к получению характеристики, близкой к линейной. Как правило, линейные системы более легко управляемые, чем нелинейные. Вот почему большинство потребителей заказывают клапаны с равнопроцентными характеристиками.

Любая нелинейность в фактической характеристике регулирующего клапана означает изменение работоспособности арматуры. Это затрудняет выполнение оптимальной настройки контроллера и может привести к нестабильности контура. Анализируя фактический коэффициент усиления регулирующего клапана ( мгновенный спад или производную фактической характеристики ), можно получить более полное представление о том, насколько хорошо отдельный клапан может выполнять задачи регулирования в заданной области применения . Вычисление вручную фактической характеристики и коэффициента усиления может быть утомительным, но при помощи соответствующего программного обеспечения  этот процесс достаточно прост.

Лучшие показатели имеются для коэффициента усиления шарового крана с сегментированным шаром по сравнению с ЗЛП - конструкцией в одной и той же системе. Обратите внимание, что «лучшее соответствие» дает шаровой кран. Это не удивительно, поскольку шаровые краны имеют большую способность при аналогичных размерах, чем ЗЛП - арматура. В данном примере коэффициент усиления для крана с сегментированным шаром более постоянен в границах соответствующего диапазона- две вертикальные линии на графике. Это означает, что даже резкая настройка контроллера возможна без риска нестабильности контура. Этот пример не призван доказать утверждение, что один определенный клапан всегда будет иметь лучший график фактического коэффициента усиления, но он показывает, что фактический коэффициент усиления является одним из факторов, который необходимо принимать во внимание при выборе наилучшей регулирующей арматуры.

Выбор регулирующего клапана для применения не должен полагаться на волю случая. Традицию стоит принимать во внимание, особенно если какой- то конкретный тип арматуры в прошлом проявил хорошую работу. Однако необходимо принимать во внимание вышеперечисленные соображения, чтобы гарантировать самую низкую стоимость на протяжении времени эксплуатации и максимально возможную степень регулирования процесса.

                       Автор: Джон Ф. Монсен.

Печатается в сокращении

Перевод выполнен Надеждой Буре, ноябрь 2007

Источник Журнал ТПА трубопроводная арматура и оборудование

6(33)2007