Обратные клапаны относятся к защитной арматуре, любая защитная арматура служит для автоматического предотвращения аварийной обстановки путем отключения участка системы. Она защищает оборудование и трубопровод от недопустимых изменений параметров в системе или от нежелательного направления потока рабочей среды, служит для отключения потока.

Главное назначение обратных клапанов – это защита трубопровода от обратного потока, который при некоторых обстоятельствах может создать аварийные условия. Обратные клапаны срабатывают автоматически под действием энергии среды, которая транспортируется по трубопроводу.

Обратные клапаны устанавливаются на компрессорах, насосах, применяют в технологической обвязке нефте- и газоперерабатывающих заводов. Клапаны создают гидравлическое сопротивление в связи с поддержанием затвора в открытом положении.

Обратные клапаны делятся на подъемные и поворотные. Подъемные в свою очередь подразделяются на вертикальные и горизонтальные, а поворотные подразделяются на простые и безударные.

В простых поворотных клапанах ось поворота захлопки вынесена выше внутреннего отверстия, а в безударных ось пересекает проходное отверстие, находясь выше оси отверстия.

Поворотные клапаны хоть и являются более сложнее, чем подъемные, однако они не так чувствительны к загрязненности транспортируемой среды и поэтому они нашли более широкое применение. Подъемные обратные клапаны применяют только для чистых сред и малых диаметров условного прохода (Dу), а поворотные обратные клапаны могут использоваться и во всех остальных случаях.

Обратные поворотные клапаны имеют широкий ряд диаметров Dу от 50 до 2000 мм. У клапанов больших диаметров предусмотрены демпферы, противовесы и другие устройства для уменьшения скорости закрывания захлопки и смягчения гидравлического удара.

Затворы или клапаны обратные должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 53671-2009, ГОСТ Р 53672-2009 — Общие требования безопасности, а также другим техническим условиям и нормативным документам.

Виды обратных поворотных клапанов

В основном обратные поворотные клапаны разделяют на фланцевые, межфланцевые, муфтовые, и под приварку.

На рисунке ниже показан фланцевый обратный поворотный клапан из чугуна для Py=1.6МПа и Dy=50, 80, 100, 150 мм и Pу=1 МПа и Dy=200, 250, 300 мм. Данный клапан используется для трубопроводов, транспортирующих воду при температуре до 50 град С и воду или пар до 225 град С.

Соответственно эти клапаны прикрепляются к трубопроводу при помощи фланцев. Фланцы могут выполняться по разным ГОСТам в зависимости от назначения трубопровода: ГОСТ Р 54432-2011, ГОСТ 33259-2015, ГОСТ 12815-80, DIN, ASME. Строительные длины клапанов нормируются по ГОСТ 3326.

Фланцевые клапаны удобно монтировать и обслуживать, для них возможны все диапазоны давлений. Недостатком данных клапанов являются большой вес, габариты, а также возможность ослабления затяжки болтов и в связи с этим потеря герметичности.

Ниже представлен клапан обратный поворотный под приварку. Концы клапана под приварку выполняются в строгом соответствии с ГОСТ 33259, ГОСТ 16037 и другими нормативными документами. Данные клапаны присоединяются к трубопроводу с помощью сварки. Что обуславливает высокую герметичность, меньший вес и габариты клапанов в сравнении с фланцевыми клапанами, но с другой стороны присутствует сложность их демонтажа и замены. Клапаны под приварку отлично работают при высоких давлениях (до 400 кгс/см2) и температурах (до 585 град С).

1. Корпус; 2. Седло; 3. Захлопка; 4. Скоба; 5. Гайка; 6. Палец; 7. Кронштейн; 8. Гайка; 9. Болт; 10. Болт; 11. Прокладка; 12. Крышка; 13. Рым-болт.

На рисунке ниже показан муфтовый клапан обратный поворотный. Соответственно данный клапан присоединяется к трубопроводу с помощью резьбы. Они отличаются дешевизной, компактностью, малыми строительными длинами, но они довольно сложны в обслуживании, а также такие клапаны делают малых размеров (DN 10…100 мм).

Представленные обратные поворотные клапаны могут использоваться как на горизонтальном трубопроводе, так и вертикальном. Соответственно в горизонтальном положении верхняя крышка клапана должна быть вверху, а в вертикальном трубопроводе клапан располагается так, чтобы захлопка открывалась вверх. Среда подается под захлопку. Достоинством конструкции данных клапанов является обеспечение полнопроходного трубопровода, захлопка подымается выше внутреннего диаметра трубы, это снижает гидравлическое сопротивление изделия.

Следующая конструкция клапана обратного поворотного называется – межфланцевый стяжной клапан обратный поворотный.

Данные клапаны присоединяются к трубопроводу стяжными шпильками. Такие клапаны компактны, имеют минимальную строительную длину, малый вес допускает их использование на подвесном трубопроводе. Используют на прямом участке трубопровода, прямом до и после клапана. Также данный клапан может устанавливаться в горизонтальном и вертикальном трубопроводе. Однако в данной конструкции невозможно обеспечить полный проход, сама захлопка в любом открытом положении закрывает часть внутреннего пространства клапана, создавая гидравлическое сопротивление, а также возможна ослабление гаек, что может привести к потере герметичности. Обычно межфланцевый обратный клапан поставляется в комплекте с ответными фланцами, прокладками и стяжным креплением.

Ниже представлен еще более компактный клапан обратный поворотный одностворчатый. Может также устанавливаться в горизонтальном и вертикальном трубопроводе, но возможны исполнения только для горизонтального положения трубопровода. Крючок при монтаже должен расположен вверх. Клапан стягивается винтами.

Также возможны клапаны межфланцевые под приварку.

Эти клапаны присоединяются к трубопроводу с помощью сварки или ответных фланцев под сварку.
Возможна двухстворчатая конструкция обратного поворотного клапана.

Существуют другие конструктивные особенности обратных поворотных клапанов, но основные их виды были рассмотрены выше.

Условное обозначение клапана обратного

Согласно ГОСТ 24856 условное обозначение различной трубопроводной арматуры рекомендуется указывать по следующей схеме, однозначно определяющей особенность конструкции:

[Тип арматуры] [Вид арматуры] [Конструктивная разновидность] [DN] [PN].

Примером может служить следующая запись: Клапан обратный поворотный фланцевый 19XX53YY, где
19 — Тип арматуры клапан (затвор) обратный.
XX – материал корпуса: ч-чугун, с- сталь (например 25Л), лс- легированная сталь (например 09Г2С), нж –нержавеющая сталь (например 12Х18Н9ТЛ).
53 – номер модели.
YY – материал уплотнения: нж –нержавеющая сталь, бр-бронза, латунь, р – резина.
Возможны и другие обозначения, например, такие обозначения как: КА 44075, Л 44075, КЗ 44067, МК 44008, ИА44078 и т.д. Разные производители могут использовать свои обозначения по внутренним ТУ.

Материал клапана обратного поворотного

Рабочей средой технологических трубопроводов являются: вода, пар, масло, природный газ, нефть, нефтепродукты и другие неагрессивные, слабоагрессивные, а также агрессивные жидкие и газообразные среды.

Температура рабочей среды может составлять: от -196 до +565 град С.

Клапаны рассчитаны на различное давление. Стандартные значения номинального (условного) давления оговорены в ГОСТ 26349, ГОСТ 356, пробного и рабочего давления в ГОСТ 356.

Используются также и другие характеристики клапанов, такие как: рачетное давление Рр, давление закрытия Pз, давление настройки Pн, давление начала открытия Pн.о, давление полного открытия Pп.о., давление управляющее Pупр, противодавление, расчетная температура, номинальный диаметр DN и т.д. Все остальные характеристики, а также их определения и термины можно найти в ГОСТ Р 52720, ГОСТ 24856.

Кроме того, клапаны бывают различного климатического исполнения согласно ГОСТ 15150-69. Наиболее распространенные исполнения: У, ХЛ, УХЛ при различном размещении, например, на открытом воздухе и т.д.

Всё это накладывает определенные требования к материалам деталей обратного клапана. Необходимо, чтобы материал деталей был стойким к воздействиям рабочей среды, температуры, давлению и другим условиям работы клапана.

Одним из удачных примеров выбора материалов представлен в таблице ниже:

Корпуса клапанов обратных также изготавливают из бронзы или латуни для водоснабжения диаметром от 10 до 100 мм, в основном это муфтовые клапаны, также из данных материалов не выполняют исполнения под приварку.

Стальные корпуса дороже, чем чугунные или латунные, зато обладают рядом других преимуществ, могут выполняться в исполнении под приварку, легированная сталь позволяет использовать корпус уже при температуре -60 град С. Нержавеющие стали используют для клапанов, предназначенных для агрессивных сред или для повышенных требований – работа с высокими и низкими температурами (-60…+480 град С), высокими давлениями (400 кгс/см2), они отличаются еще более высокой стоимостью.

Кроме того, уплотнительные поверхности корпуса и захлопки могут быть дополнительно наплавлены сплавом повышенной стойкости (например, нитрид титана), захлопки из стали могут покрывать коррозионностойким материалом (например, Сталь 20Х13). Также применяются оцинкованные стали.

Правильный выбор материалов обеспечит долгий срок службы клапана более 30 лет без необходимости дополнительного обслуживания.

Материал уплотнений клапана обратного

Основными материалами для уплотнений клапана служат: нержавеющая сталь, бронза, латунь, резина, паронит. Уплотнительные кольца также могут быть наплавлены нержавеющим сплавом.

Клапан с мягкими резиновыми уплотнениями обеспечивает класс герметичности А, но имеет некоторые ограничения их можно использовать в ограниченном диапазоне температур. Используются следующие резиновые материалы:

1. Бутадиен-нитрильный каучук NBR: рабочая температура –10…+80°С. Маслобензостойкая резина. Хорошо работает с холодной водой, нефтепродуктами, природным газом, техническими маслами, воздухом с добавлением масла (максимально допустимая температура -20…+90 град С).

2. Этилен-пропиленовый каучук EPDM: –10…+110°С. Хорошо работает с холодной и горячей водой, морской водой, щелочами, спиртами, кислотами концентрацией до 10%, солями кислот, сухим воздухом без примесей масла (максимально допустимая температура -30…+150 град С).

3. Жаростойкий полимер этилена и пропилена EPDM HT: -15С…+130 град С. Хорошо работает с теми же средами, что и EPDM (максимально допустимая температура -30…+150 град С).

4. Фторопласт (PTFE): -10…+150 град С. Температуро-стойкий полимер. Хорошо работает с горячей и холодной водой, техническими маслами, углеводородными смесями (нефтепродуктами, природным газом), паром до 150 град С (максимально допустимая температура -40…+200 град С).

5. Терморасширенный графит (ТРГ).

6. Спирально-навитые прокладки (СНП) по ОСТ 26.260.454.

7. Паронит. Может армироваться сеткой, что расширяет возможности клапана, возможно использовать для сред азот, кислород, водные растворы солей, некоторых видов легких и тяжелых нефтепродуктов, аммиака и т.д.

Металлические уплотнения более устойчивы к высоким температурам, но с их помощью сложнее обеспечить класс герметичности А. Металлические уплотнения часто используются для класса герметичности B и C, которые допускают протечку в клапане.

1. Бронза: +250 град С.

2. Латунь: (марки латуни: ЛЦ 40С).

3. Нержавеющая сталь: +400 град С.

Иногда используют систему уплотнений в комбинации из первичного металлического уплотнения и вторичного мягкого уплотнения.

Также возможны клапаны с уплотнением металл-по-металлу, без уплотнения.

Расчеты клапана обратного поворотного

Клапан проверяют расчетом гидравлического сопротивления и дифференциального давления на определенном участке. Кроме того, проверяют расчетом на прочность, а для изделий, эксплуатируемых в местах с возможными сейсмическими явлениями проводят и расчет сейсмостойкости. Особенно важным обеспечение сейсмостойкости является для атомной промышленности, где последствия аварий чрезвычайно значительны и опасны.

Герметичность клапана — это свойство клапана препятствовать газовому или жидкостному обмену между средами, разделенными клапаном (ГОСТ Р 52720). Нормы герметичности в клапане устанавливаются по ГОСТ Р 54808-2011. Где класс герметичности А не допускает никаких видимых протечек в течении всего времени испытания.

Оборудование для наружной установки обязательно рассчитывают с учетом внешних нагрузок: ветер, натяжение, обледенение трубопроводов, сейсмических воздействий и т.д.

Все расчеты выполняются в строгом соответствии с Российскими нормативными документами: ПНАЭ Г-7-002-86, НП-068-05, ГОСТ Р 52857.4-2007, ГОСТ Р 52857.4-2007 и многих других.

Испытания клапана обратного поворотного

Клапаны с Pу=1,6 МПа испытывают на прочность при пробном давлении Pпр=2,4 МПа, с Pу=1 МПа при Pпр=1,5 МПа.
Испытания на герметичность клапана проводят по ТУ на изделие или по ГОСТ Р 53402.

Испытания на сейсмостойкость клапана проводят согласно методикам (например, CT ЦКБА 080-2015).

Клапаны обратные, предназначенные для газообразных, взрывопожароопасных и токсичных сред, после гидравлических испытаний дополнительно испытывают воздухом.

Другие нормативные документы для расчетов и испытаний: НП-031-01, НП-064-05, НП-043-11, НП-068-05, ГОСТ 16962.2-90, ГОСТ 17516.1-90, ГОСТ 26445-85, 30546.1-98, ГОСТ 23216-78, ГОСТ 30546.2-98, ГОСТ 30631-99, ГОСТ 30546.3-98, ГОСТ 30630.1.1-99, ГОСТ 30630.1.3-2001, ГОСТ 30630.1.2-99, ГОСТ 30630.1.8-2002 (МЭК 60068-2-57:1989), ПНАЭ Г-7-002-86.

Проектирование

Проектирование обратного клапана требует знаний трубопроводной арматуры, нормативной документации и многих других знаний в данной области. Автоматизированное проектирование упрощает данный процесс, позволяет осуществить наглядное представление работы клапана, выявить недостатки и улучшить конструкцию.

По 3d-модели клапана можно осуществить CAE-анализ, провести все необходимые расчеты, гарантирующие качественное изделие. Создание такой модели позволяет создать качественную конструкторскую документацию.