Клапаны с дисковым затвором

Клапаны с дисковым затвором: конструкция, типы, применение и выбор

Клапан с дисковым затвором (также известный как поворотный затвор, butterfly valve) — это тип трубопроводной арматуры, предназначенный для регулирования или полного перекрытия потока рабочей среды. Основным рабочим органом является диск (затвор), вращающийся вокруг оси, расположенной перпендикулярно или под углом к направлению потока. Изменение угла поворота диска относительно оси потока позволяет дросселировать или полностью останавливать поток. Данный тип арматуры получил широкое распространение в энергетике, водоснабжении, вентиляции и кондиционировании, химической и нефтегазовой промышленности благодаря своей компактности, относительно низкой стоимости и простоте обслуживания.

Конструкция и основные компоненты

Конструкция дискового затвора, несмотря на кажущуюся простоту, является тщательно просчитанным инженерным решением. Основные элементы включают:

• Корпус: Изготавливается из чугуна, углеродистой, нержавеющей или легированной стали, алюминиевых сплавов, полимерных материалов (ПВХ, ПП). Может быть разборным (фланцевым, межфланцевым) или литым. В энергетике наиболее распространены стальные и чугунные корпуса с фланцевым присоединением.
• Диск (затвор): Форма диска (чаще всего в виде двояковыпуклой линзы или плоская) оптимизирована для обеспечения минимального гидравлического сопротивления в открытом положении. Материал диска должен соответствовать характеристикам рабочей среды (вода, пар, газ, химические реагенты) и может отличаться от материала корпуса (например, нержавеющий диск в чугунном корпусе).
• Уплотнение: Критически важный элемент, обеспечивающий герметичность. Различают уплотнения:
  • Мягкое (резиновое, полимерное): Эластомерное кольцо (EPDM, NBR, Viton, PTFE), завулканизированное или установленное в паз на корпусе или на диске. Обеспечивает высокую герметичность при низких и средних давлениях.
  • Металл-металл: Конический диск прижимается к конической поверхности седла в корпусе. Применяется для высоких температур и агрессивных сред, где эластомеры недопустимы.
  • Многоступенчатое (комбинированное): Сочетает преимущества мягких и металлических уплотнений для особо ответственных применений.
• Шпиндель (вал): Соединяет диск с приводом. Может быть сквозным (проходящим через весь диск) или не сквозным. Для предотвращения утечек среды вдоль шпинделя используются сальниковые уплотнения или торцевые уплотнительные кольца (O-rings).
• Привод: Устройство для поворота диска. Бывает ручным (рычаг, маховик с редуктором), электрическим, пневматическим или гидравлическим. Выбор привода зависит от требуемого крутящего момента, скорости срабатывания и степени автоматизации процесса.

Классификация и типы дисковых затворов

Клапаны с дисковым затвором классифицируются по нескольким ключевым признакам, определяющим их область применения и технические характеристики.

По типу присоединения к трубопроводу

• Межфланцевый (wafer type): Наиболее компактный и экономичный вариант. Клапан устанавливается между двумя ответными фланцами трубопровода и стягивается шпильками или болтами, проходящими через корпус клапана. Не имеет собственных фланцев.
• Фланцевый (lug type): Корпус имеет собственные фланцы с резьбовыми отверстиями (проушинами). Позволяет отключать участок трубопровода без его разборки, так как крепление осуществляется болтами к каждому ответному фланцу отдельно.
• Под приварку: Корпус имеет патрубки для стыковой сварки. Обеспечивает максимальную герметичность и прочность соединения, используется на критически важных линиях высокого давления.

По типу уплотнения и конструкции седла

• С резиновым (эластомерным) уплотнением: Уплотнительное кольцо установлено в корпусе. Обеспечивает высокий класс герметичности (класс А по ГОСТ 9544-2015, «нулевую» утечку). Рабочая температура ограничена свойствами эластомера (обычно от -20°C до +120°C для EPDM).
• С тефлоновым (PTFE) уплотнением: Уплотнение из фторопласта устойчиво к широкому спектру химических сред и имеет низкий коэффициент трения. Применяется в химической промышленности.
• С металлическим уплотнением: Диск и седло выполнены из коррозионностойких сталей или сплавов. Рабочие температуры могут достигать +700°C и выше, давления — до 25 МПа и более. Класс герметичности обычно ниже, чем у мягких уплотнений (класс В, С).
• Двухэксцентриковые (двойного смещения) и трехэксцентриковые (тройного смещения): Ось диска смещена относительно оси седла и центральной линии прохода. Это позволяет диску при открытии/закрытии не тереться о седло, что резко снижает износ и позволяет использовать металлические седла с высоким классом герметичности. Трехэксцентриковые затворы — наиболее технологичное решение для высоких параметров среды.

Основные технические характеристики и параметры выбора

При подборе клапана с дисковым затвором для конкретной задачи в энергетике необходимо учитывать следующий комплекс параметров.

Таблица 1. Ключевые параметры выбора дискового затвора

Параметр	Описание и типовые значения	Влияние на выбор
Условный диаметр (DN)	От DN 50 до DN 3000 и более. В энергетике наиболее распространены размеры DN 100 — DN 1200.	Определяет пропускную способность и габариты клапана.
Условное давление (PN)	От PN 6 до PN 250. Для систем водоснабжения и вентиляции обычно PN 10/16. Для паровых и технологических линий — PN 25, 40, 64 и выше.	Определяет конструктивную прочность корпуса, тип уплотнения и фланцев.
Рабочая среда	Вода (питьевая, техническая, морская), пар, воздух, дымовые газы, масла, слабые растворы кислот и щелочей.	Критически влияет на выбор материала корпуса, диска и типа уплотнения (коррозионная стойкость, эрозионный износ).
Температура среды	От -60°C (с специальными эластомерами) до +1000°C (для специальных конструкций с металлическим седлом).	Определяет материал уплотнения и тип конструкции (эксцентриситет).
Класс герметичности	По ГОСТ 9544: классы А, В, С, D. По ISO 5208: классы от A до G (A — самый высокий, «нулевая» утечка).	Зависит от типа уплотнения. Для ответственных линий требуются классы А/ISO 5208 Rate A.
Крутящий момент	Зависит от диаметра, перепада давления и типа уплотнения. Измеряется в Нм.	Определяет тип и мощность привода (ручной редуктор, электрический или пневматический привод).
Коэффициент расхода (Kv)	Показывает расход воды (м³/ч) через полностью открытый клапан при перепаде давления 1 бар. Важен для регулирующих функций.	Характеризует гидравлические потери. У дисковых затворов Kv ниже, чем у шаровых кранов сопоставимого диаметра.

Области применения в энергетике и смежных отраслях

Благодаря своим характеристикам дисковые затворы нашли применение в следующих системах:

• Системы технического водоснабжения (ЦТВ) ТЭС и АЭС: Основное применение — на трубопроводах большого диаметра для подвода и отвода охлаждающей воды. Используются затворы с эластомерным уплотнением на давления PN 10/16.
• Системы вентиляции и кондиционирования (ОВиК): Регулирование расхода воздуха в воздуховодах большого сечения. Применяются специальные модели с облегченным корпусом и пневмоприводом.
• Дымовые тракты и системы газоочистки: Для отсечения или регулирования потоков дымовых газов. Используются затворы с металлическим уплотнением, выполненные из коррозионностойких сталей (например, AISI 316), способные выдерживать высокие температуры и абразивный износ.
• Тепловые сети (теплоснабжение): На магистральных и распределительных сетях в качестве запорной и регулирующей арматуры для теплоносителя (перегретая вода, пар).
• Пожарные системы: В качестве запорной арматуры на магистралях спринклерных и дренчерных систем.

Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами запорной арматуры

Для корректного выбора необходимо провести сравнительный анализ.

Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание

Правильный монтаж — залог долговечной работы арматуры. Межфланцевые затворы должны устанавливаться без перекоса между фланцами. Затяжка крепежных болтов должна производиться крест-накрест с рекомендуемым моментом затяжки. Перед вводом в эксплуатацию необходимо проверить свободный ход диска на несколько оборотов от закрытого до открытого положения. В процессе эксплуатации необходимо следить за состоянием наружных уплотнений шпинделя и периодически (в соответствии с регламентом) проверять герметичность затвора в закрытом положении. Для затворов с мягким уплотнением критически важно избегать работы в режиме дросселирования при высоких перепадах давления, так как это приводит к кавитационному разрушению поверхности диска и эластомера.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальное отличие двух- и трехэксцентриковых затворов от обычных?

В обычных (концентрических) затворах ось вращения диска совпадает с осью седла и центром диска. При открытии/закрытии диск постоянно контактирует с уплотнением, что приводит к его износу. В двухэксцентриковых (двойного смещения) осям диска смещена относительно оси седла, что уменьшает трение. В трехэксцентриковых (тройного смещения) дополнительно смещена ось контакта диска с седлом, что позволяет использовать металлические конические седла и достигать высокого класса герметичности при высоких температурах и давлениях.

Можно ли использовать дисковый затвор для регулирования расхода пара?

Да, но с серьезными ограничениями. Для регулирования пара применимы только специальные трехэксцентриковые затворы с металлическим седлом, рассчитанные на соответствующие температуры и давления. Обычные затворы с эластомерным уплотнением для пара не подходят. При этом характеристика регулирования (зависимость расхода от угла поворота) у дискового затвора нелинейна, что требует специальных настроек системы управления.

Какой класс герметичности считается достаточным для систем химводоочистки (ХВО) на ТЭС?

Для большинства линий ХВО, работающих с деаэрированной водой, реагентами и умягченной водой, требуется высокий класс герметичности — не ниже класса А по ГОСТ 9544 (соответствует «нулевой» утечке по ISO 5208 Rate A). Это обеспечивается затворами с мягким (EPDM, PTFE) уплотнением. Для линий с агрессивными химическими реагентами материал уплотнения должен быть химически стойким (например, PTFE).

Что важнее при выборе привода: крутящий момент или скорость срабатывания?

Первичным параметром является требуемый крутящий момент для открытия/закрытия затвора в рабочих условиях (с учетом перепада давления на диске). Привод выбирается с запасом по моменту (обычно 15-25%). Скорость срабатывания — вторичный параметр, важный для систем аварийного отключения или быстрого регулирования. Для большинства запорных функций на ЦТВ достаточна скорость срабатывания 30-60 секунд на полный ход.

Как часто нужно обслуживать дисковый затвор на линии охлаждающей воды?

Плановое техническое обслуживание (визуальный осмотр, проверка на герметичность, смазка открытых узлов привода) должно проводиться не реже 1 раза в год. При обнаружении протечек по шпинделю или в затворе требуется внеплановый ремонт. Ресурс эластомерного уплотнения в воде при нормальных условиях составляет 5-10 лет и сильно зависит от количества циклов срабатывания и наличия в воде абразивных частиц.

Заключение

Клапаны с дисковым затвором представляют собой универсальный, экономичный и надежный тип трубопроводной арматуры для широкого спектра применений в энергетике. Их правильный выбор, основанный на анализе рабочих параметров среды, требований к герметичности и условиям эксплуатации, позволяет создать эффективные и долговечные системы транспортировки жидкостей и газов. Понимание конструктивных особенностей различных типов затворов (концентрических, эксцентриковых), материалов уплотнений и типов приводов является ключевым для инженеров-проектировщиков и специалистов служб эксплуатации. Развитие технологий, в частности распространение трехэксцентриковых моделей, постоянно расширяет границы применения дисковых затворов, в том числе на высокотемпературные и высоконапорные участки, традиционно занимаемые задвижками.