В современной промышленности, будь то химическая, нефтяная, нефтехимическая, горная или металлургическая, так или иначе, при производстве конечного продукта или соблюдения технологии производства применяется кислород.
Для качественного и правильного регулирования или отсечения потока необходимо применять соответствующий тип запорно-регулирующей арматуры. Разумеется, технологический процесс может быть индивидуальным. И тогда, необходимо подбирать конструкцию клапана, которая будет отвечать всем необходимым требованиям данного процесса. Да и у каждого типа клапана (задвижка клиновая, плунжерный клапан, шаровой тип, дисковый затвор) имеются свои особенности конструкции, которые могут определить качество их применения и как следствие, качество выхода продукта или нарушения особенности технологии производства. Процесс выбора той или иной конструкции клапана должен основываться на нескольких требований и параметров:
1. Назначение клапана (запорный, регулирующий или запорно-регулирующий);
2. Надежность конструкции обеспечивающее исключение воспламенения газообразного кислорода;
3. Функциональное качество того или иного типа клапана;
4. Его технические характеристики и особенности;
5. Ремонтопригодность.
Рассмотрим каждую из упомянутых конструкций применительно к среде кислород с плюсовой рабочей температурой.
Задвижка клиновая
Начнем с того, что основным назначением клиновых задвижек является отсечение потока рабочей среды. Поток перекрывается клином, который приводится в движение ручным штурвалом. Шпиндель, при вращении маховика, перемещает клин вертикально вниз до плотного соприкосновения уплотнителей клина с посадочным местом. Выход из строя клина является наиболее распространенной проблемой данного типа арматуры. При закрытии задвижки, под воздействием усилия, на поверхности посадочного места возникают задиры, а при открытии задиры на самом клине. В результате этого существует высокий риск образования металлической пыли, что для среды «газообразный кислород» является крайне опасным условием. И чем данная пыль меньше в своих размерах, тем меньше необходима температура кислорода для воспламенения получившейся смеси.
Более того, при трении металлического уплотнения и посадочного места могут образоваться искры, способные произвести воспламенение.
Рис.1 Механические задиры на затворной части клиновой задвижки
При нечастом открытии и закрытии (как правило, большую часть времени задвижки находятся в открытом положении) возможно возникновение статического электричества.
Практически все производители задвижек четко указывают, что применение их на кислородную среду - не допустимо!
Для кислородного применения арматура при изготовлении должна быть обезжирена. Конструктивно клиновая задвижка требует очень кропотливого процесса обезжиривания, т.к. имеет сложные детальные узлы.
Задвижки для регулирования потока – не предусмотрены. В случае использования задвижек в качестве регулирующего клапана происходит постоянное трение уплотнительной поверхности, что приведет через короткое время, к выходу из строя уплотнителя клина, что в следствии приведет к нарушению герметичности. Задвижкой так же, не получится плавное открытие для регулировки давления.
Таким образом, применение задвижек более предпочтительно для невзрывоопасных сред и при нахождении в положении «открыто».
Шаровой кран
Часто при работе с кислородом и кислородосодержащими средами используется шаровые краны. Шаровые краны при полном открытии обеспечивают полнопроходное сечение, которое не влияет на динамику потока. Применение данного типа клапана в качестве регулирующего крайне сомнительно. Возможно рассмотрение этого типа клапана исключительно при условии большого расхода рабочей среды. При относительно малом расходе добиться качественного и плавного регулирования не предоставляется возможным. Это объясняется тем, что при небольшом открытии (поворота) шара расход рабочей среды будет минимальным, но при дальнейшем открытии проходное сечение увеличивается в несколько раз, что сказывается на качестве регулирования. Однако при большом расходе вероятен риск возникновения шума, уровень которого существенно выше допустимого. Конструктивно большинство шаровых кранов не предусматривают какие-либо антишумовые устройства.
Рис.2 Механические задиры на поверхности шара
Следующим недостатком в качестве регулирующего клапана, является отсутствие вариации с пропускной способностью клапана. К примеру, для плунжерного типа клапана, на одном только типоразмере корпуса клапана имеется возможность устанавливать различные размеры седел и плунжеров, в зависимости от параметров расхода, давления и т.д. То есть при изменении технологических параметров у конечного пользователя как в большую или меньшую сторону придется заменять арматуру целиком. Что означает его демонтаж с трубопровода и дополнительные расходы.
В обслуживании шаровые краны так же не удобны. Как правило они имеют двух- или трехсоставную конструкцию или цельносварную. Следовательно, при ревизии или ремонте внутренних частей клапана его будет необходимо демонтировать с трубопровода.
Проведение частичного обезжиривания элементов шарового клапана после проведения ремонта так же затруднительно, а порою и не предоставляется возможным.
Наиболее распространенным применением шаровых клапанов является использование их в качестве «отсекателя» потока.
Седельный (плунжерный) клапан
Наиболее положительный опыт эксплуатации данный тип клапанов получил благодаря качественному регулированию при работе с жидкими, двухфазными и газообразными средами, в том числе и с кислородом. От качественного регулирования напрямую зависит вся технология и качество выпускаемого продукта. И пренебрегать данным параметром не рекомендуется.
Основными преимуществами седельных клапанов являются:
- Качественное регулирование на всех режимах работы. Это достигается универсальностью конструкции, вариацией нескольких размеров седел на одном и том же размере, взаимозаменяемостью основных деталей различных размеров клапанов. Качественное регулирование кислорода позволяет получать желаемый результат конечному потребителю.
- Эксплуатация при тяжелых условиях работы. При работе с жидкостями на высоких перепадах давления до и после клапана, если давление насыщенных паров рабочей среды превышает входное давление, большом расходе газовых сред - нередкими явлениями являются кавитация (для жидкости) и высокий уровень шума (для газа). Высокий уровень шума приводит к неконтролируемым вибрациям клапана, в следствии которых со временем происходит нарушение статичности (жесткости) конструкции клапана и приводит к нарушению герметичности, качества регулирования и внеплановому ремонту. Для снижения высокого уровня шума в конструкцию седельных клапанов монтируется антишумовая вставка, представляющая собой «стакан» порой сложной конструкции с перфорированными отверстиями. Благодаря антишумовой вставке уровень шума снижается до допустимых значений. Ни у шарового, ни тем более у клиновых задвижек данного исполнения нет.
Вибрация приводит к нарушению герметичности сальникового уплотнения и штока. Вследствие чего произойдет утечка газа (кислорода) в атмосферу. Зачастую кислородные клапаны установлены в помещениях, а значит утечка кислорода может привести к необратимым последствиям.
- Простота эксплуатации. Возможно осуществить необходимый ремонт, замену седла или уплотнений клапана без снятия его с трубопровода. Так же, не составляет труда произвести его частичное обезжиривание.
- При использовании в качестве отсечного клапана, благодаря особенной форме плунжера, достигается быстрое открытие и/или закрытие клапана. Отсутствие трения между металлическими частями (плунжер и седло) минимизирует риск появления металлической пыли.
- Высокоцикличная работа. При сложном технологическом процессе, зачастую, клапан подвергается колоссальным нагрузкам. Частое открытие/закрытие, высокие перепады давлений могут вывести из строя любой клапан. Седельные клапаны при правильном подборе материалов корпуса, внутренних частей, конструкции и привода обеспечивают надежную работу при сложных условиях эксплуатации. Например, когда клапан должен быстро открываться и закрываться менее чем за 2 секунды, достаточно большое количество раз в сутки (на установках Коротко Цикловой Адсорбции, КЦА).
- Материальное исполнение. Для седельных клапанов выбор материального исполнения существенно больше, чем для клиновых задвижек. Помимо стандартных материалов из углеродистых и нержавеющих сталей исполнение доступно так же и из специальных сплавов на основе никеля: Monel, Incoloy, Inconel, Hastelloy, рассчитанных для работы с кислородом и агрессивными рабочими средами.
Рис.3 Седельный тип клапана для установки на Кислородно-регуляторном пункте (КРП)
Рис.4 Седельный клапан на нитке кислородно-распределительного пункта
Дисковый затвор с тройным эксцентриситетом.
Благодаря тройному эксцентриситету, за счет чего уменьшается трение между диском и седлом, дисковый затвор обладает свойствами:
- Высокопроизводительность;
- Малое усилие во время закрытия/открытия затвора;
- Равномерное уплотнение между диском и седлом;
- Отсутствие образования металлической пыли от трения.
В связи с этим дисковые затворы хорошо зарекомендовали себя при работе на ответственных позициях, в том числе и при работе с кислородом.
Отсутствие большого перестановочного усилия затвора обеспечивает его долговременную и надежную работу. Это позволяет увеличить его межремонтный интервал.
В сравнении с шаровым краном дисковый затвор того же диаметра обладает меньшей металлоемкостью и меньшими габаритными размерами. Что позволяет устанавливать его в условиях ограниченных монтажных размеров.
Малое усилие при открытии и закрытии практически не оказывает никакого механического воздействия между уплотнением диска и седловым уплотнением корпуса. Даже в случае выхода из строя уплотнения диска или седлового уплотнения достаточно заменить только данное уплотнение, без замены самого диска или корпуса.
Конструкция отдельного уплотнительного кольца корпуса дает возможность регулировать прижатие его к корпусу, что обеспечивает надежное перекрытие затвора.
Цельный шток затвора и надежное крепление диска к штоку обеспечивает жесткость конструкции, что дает его применение в качестве регулирующего клапана. Обеспечивая при этом точность регулирования.
Рис.5 Высокопроизводительные дисковые затворы с тройным эксцентриситетом
Отсутствие трения между уплотнением диска и седловым уплотнением минимизирует возможность образования металлической пыли, которая как мы уже писали, при взаимодействии кислорода может образовать опасную смесь.
Рассмотрев основные типы клапанов для применения на газообразный кислород, можно однозначно сказать, что наиболее предпочтительными являются седельные клапаны и дисковые затворы для использования как в качестве регулирующих, так и отсечных клапанов.
Саватеев Сергей Николаевич
Главный специалист ООО «РусГазКрио»