Затворы тарельчатые: конструкция, типы, применение и технические характеристики
Затвор тарельчатый (также известный как дисковый затвор, поворотный затвор, butterfly valve) – это тип трубопроводной арматуры, предназначенный для полного перекрытия или регулирования потока рабочей среды (жидкости, газа, суспензии) в трубопроводах. Основным запирающим или регулирующим элементом служит диск (тарелка), вращающийся вокруг оси, расположенной перпендикулярно или под углом к направлению потока. В энергетике, включая тепловые и атомные электростанции, водоподготовку, системы химводоочистки и вентиляции, данный тип арматуры получил широкое распространение благодаря компактности, относительно низкой стоимости и быстрому срабатыванию.
Конструкция и принцип действия
Конструкция тарельчатого затвора является модульной и включает в себя несколько ключевых компонентов:
- Корпус. Изготавливается из чугуна, углеродистой, нержавеющей или легированной стали, латуни, алюминиевых сплавов, а также полимерных материалов (для агрессивных сред низкого давления). Корпус может быть разборным (фланцевое соединение половин) или неразборным (сварным). Внутренняя полость корпуса имеет, как правило, цилиндрическую форму, обеспечивающую свободное вращение диска.
- Диск (тарелка). Основной рабочий орган. Форма диска может быть плоской, двояковыпуклой (линзообразной) или сфероидальной для улучшения гидродинамических характеристик и снижения крутящего момента. Диск крепится на шпинделе (валу). Материал диска часто соответствует материалу корпуса, но может быть иным для обеспечения необходимых свойств (например, диски с резиновым или полимерным покрытием).
- Шпиндель (вал). Ось вращения диска. Может быть выполнен как одно целое с диском (для небольших диаметров) или в виде двух отдельных деталей. Различают конструкции с проходным (сквозным) шпинделем, выходящим за пределы корпуса с двух сторон, и с непроходным. Для обеспечения герметичности в месте выхода шпинделя устанавливаются сальниковые уплотнения или торцевые уплотнительные кольца.
- Уплотнительные элементы. Критически важный узел, определяющий герметичность затвора. Включает в себя уплотнение «диск-корпус» (кольцевое седло) и уплотнение шпинделя. Седловое уплотнение может быть выполнено в виде резинового или полимерного кольца, запрессованного в корпус (мягкое уплотнение), либо быть металл-металл (в высокотемпературных или высоконапорных исполнениях).
- Привод. Устройство для управления положением диска. Может быть ручным (рычаг, маховик с редуктором), электрическим, пневматическим или гидравлическим. Присоединяется к верхней части шпинделя.
- Затворы с мягким (резиновым, полимерным) уплотнением. Наиболее распространенный тип для средних и низких давлений (до PN25/40). Уплотнительное кольцо из EPDM, NBR, Viton, PTFE монтируется в корпусе или на диске. Обеспечивают высокую степень герметичности (класс А по ГОСТ 9544-2016, «нулевую» утечку). Применяются для воды, пара, слабоагрессивных сред при температурах, ограниченных свойствами эластомера (обычно от -20°C до +120°C, для специальных материалов до +200°C).
- Затворы с металлическим уплотнением (metal-seated). И диск, и седло в корпусе выполнены из металла (сталь, нержавеющая сталь, сплавы). Предназначены для работы при высоких температурах (свыше 200°C), высоких давлениях, в условиях абразивных сред или там, где эластомеры недопустимы (например, в криогенике). Герметичность обычно ниже, чем у мягких уплотнений (класс B, C, D), но долговечность в тяжелых условиях выше.
- Затворы с двойным (комбинированным) уплотнением. Имеют два независимых контура уплотнения (например, металл+эластомер), что повышает надежность и расширяет диапазон применения.
- Межфланцевые (wafer type). Не имеют собственных крепежных фланцев. Устанавливаются между ответными фланцами трубопровода и стягиваются шпильками или болтами, проходящими через корпус затвора. Наиболее компактное и легкое решение, но требующее точной длины шпилек и разборки фланцевого соединения для монтажа/демонтажа.
- Фланцевые (lug wafer type). Имеют резьбовые отверстия (проушины, «лагы») с двух сторон. Позволяют крепиться болтами к каждому из ответных фланцев независимо, что удобно для монтажа в конце линии или для быстрого демонтажа. Могут использоваться в системах с односторонним снятием фланца.
- С приварными патрубками (butt-weld ends). Корпус имеет патрубки под приварку. Обеспечивают максимальную герметичность соединения, используются на критичных участках, в системах высокого давления и при работе с опасными средами. Неразборны.
- Резьбовые (screwed ends). Для малых диаметров (до DN50), как правило, в инженерных системах.
- Ручной. Управление рычагом (для быстрого перекрытия) или маховиком с редуктором (для снижения усилия и точной регулировки, часто с фиксацией положения).
- Механизированный. С установленным на штоке электрическим, пневматическим или гидравлическим приводом (актуатором). Позволяет автоматизировать процесс управления, интегрировать затвор в системы АСУ ТП. Могут иметь позиционеры и концевые выключатели.
- Системы технического водоснабжения (ЦТС). На подводящих и отводящих трубопроводах циркуляционной воды, в системах промывки фильтров, на байпасных линиях.
- Системы химводоочистки и подготовки питательной воды. Для переключения потоков между фильтрами, ионообменными установками, баками реагентов.
- Тепловые сети и системы отопления. В качестве запорной и регулирующей арматуры на подающих и обратных трубопроводах сетевой воды, в узлах обвязки теплообменников.
- Системы вентиляции и дымоудаления. Затворы с электроприводом, часто с уплотнением, стойким к температуре и саже, используются для регулирования потоков воздуха и газов.
- Вспомогательные технологические системы. Пневмотранспорт, системы сжатого воздуха, дренажные и канализационные линии.
Принцип действия основан на повороте диска на угол от 0° (полное открытие, когда плоскость диска параллельна потоку) до 90° (полное закрытие, когда плоскость диска перпендикулярна потоку). Промежуточные положения позволяют регулировать расход среды.
Классификация и типы тарельчатых затворов
Затворы классифицируются по ряду ключевых признаков, определяющих их область применения и технические возможности.
1. По типу уплотнения и конструкции седла
2. По способу монтажа на трубопровод
3. По типу привода
Основные технические характеристики и параметры выбора
При подборе тарельчатого затвора для конкретной задачи в энергетике необходимо учитывать следующий комплекс параметров:
| Параметр | Обозначение / Единица измерения | Описание и типовые значения |
|---|---|---|
| Условный диаметр | DN (Ду) | Номинальный внутренний диаметр присоединяемого трубопровода. Стандартный ряд: DN50, DN65, DN80, DN100, DN125, DN150, DN200, DN250, DN300, DN350, DN400, DN500, DN600 и более. |
| Условное давление | PN (Ру) | Максимальное избыточное давление при температуре 20°C, при котором допустима длительная работа. Ряд: PN6, PN10, PN16, PN25, PN40, PN63, PN100. Для энергетики распространены PN16 и PN25. |
| Рабочая температура | °C | Диапазон температур рабочей среды, определяемый материалом корпуса, диска и, в первую очередь, уплотнений. Для мягких уплотнений: -20…+120°C (EPDM), до +200°C (FKM/PTFE). Для металлических: от -196 до +600°C и выше. |
| Рабочая среда | — | Определяет коррозионную стойкость материалов. В энергетике: техническая вода, пар, конденсат, воздух, дымовые газы, растворы реагентов (кислот, щелочей). |
| Класс герметичности | По ГОСТ 9544 (EN 12266) | Класс А – «нулевая» утечка (для мягких уплотнений). Классы B, C, D – допускают определенную величину утечки в закрытом положении (для металлических уплотнений). |
| Крутящий момент | Нм (Ньютон-метр) | Момент, необходимый для поворота диска от закрытого положения. Критичен для выбора привода. Зависит от диаметра, давления, типа уплотнения и положения диска (максимален в начале открытия). |
| Коэффициент расхода (пропускной способности) | Kv | Объем воды (м³/ч) при температуре 20°C, проходящей через полностью открытый затвор при перепаде давления 1 бар. Приводится в технических каталогах для каждого типоразмера. |
Области применения в энергетике и смежных отраслях
Благодаря своим характеристикам тарельчатые затворы нашли применение в следующих системах электростанций и промышленных объектов:
Важным преимуществом является их относительно низкое гидравлическое сопротивление в открытом положении по сравнению с задвижками, что снижает энергозатраты на перекачку среды.
Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами запорной арматуры
Сравнение с задвижками и шаровыми кранами – основными конкурентами в диапазоне средних диаметров.
| Критерий | Тарельчатый затвор | Задвижка | Шаровой кран |
|---|---|---|---|
| Габариты и масса | Малые (межфланцевые), легкие | Большие, тяжелые (выдвижной шпиндель) | Компактные, но, как правило, больше затвора |
| Строительная длина | Минимальная | Максимальная | Малая |
| Время срабатывания | Малое (поворот на 90°) | Большое (многооборотный) | Малое (поворот на 90°) |
| Регулирование расхода | Возможно, но с ограничениями (гидродинамический момент, кавитация) | Не предназначена, износ клина | Возможно в модификациях V-порта, но обычно только запорная функция |
| Герметичность в закрытом положении | Высокая (с мягким уплотнением) | Очень высокая (металл-металл) | Высокая (с эластомерными седлами) |
| Стойкость к загрязненным средам | Средняя, возможен заклинивание диска | Низкая, загрязнения оседают в корпусе | Высокая (сферическая пробка) |
| Стоимость (для DN>100) | Низкая | Высокая | Средняя/высокая |
Преимущества тарельчатых затворов: компактность и малый вес, быстрое срабатывание, относительно низкая стоимость, особенно на большие диаметры, хорошие регулировочные характеристики (в определенном диапазоне), высокая герметичность с мягкими уплотнениями.
Недостатки: наличие постоянного гидродинамического момента, требующего фиксации привода в промежуточных положениях; ограниченное применение для высоких давлений (по сравнению с задвижками); наличие упругого уплотнения, ограничивающего температурный диапазон; потенциальные проблемы с диском при работе с вязкими или кристаллизующимися средами.
Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание
Правильный монтаж – залог долговечной работы. Межфланцевые затворы должны устанавливаться без перекоса фланцев. Запрещается использовать затвор в качестве монтажного элемента для компенсации несоосности трубопровода. Перед монтажом необходимо убедиться в чистоте внутренней полости и отсутствии повреждений уплотнительных поверхностей. При затяжке болтов фланцевого соединения необходимо соблюдать равномерность и момент затяжки, указанный в паспорте изделия, чтобы не деформировать корпус и не зажать диск.
Эксплуатация требует периодической проверки герметичности сальникового уплотнения шпинделя и состояния приводного механизма. Для затворов с мягким уплотнением длительная работа в приоткрытом положении (регулирование) может привести к ускоренному износу кромки диска и уплотнительного кольца из-за кавитации и эрозии. Рекомендуется избегать работы в диапазоне открытия 5-15°.
Техническое обслуживание включает в себя подтяжку сальниковой набивки (при ее наличии), смазку подшипников шпинделя и элементов привода, проверку и замену уплотнительных колец при потере герметичности.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чем принципиальная разница между затвором «вафельного» (wafer) и «лагового» (lug) типа?
Затвор wafer типа не имеет собственных крепежных элементов и зажимается между фланцами трубопровода общими шпильками. Затвор lug типа имеет резьбовые проушины, позволяющие крепить его болтами к каждому фланцу независимо. Lug-версия тяжелее и дороже, но позволяет отключать участок трубопровода с одной стороны, что удобно для обслуживания.
Можно ли использовать тарельчатый затвор для точного регулирования расхода?
Да, но с оговорками. Затворы с определенным профилем диска (например, эксцентриковые) специально разработаны для регулирования. Однако для точного и стабильного регулирования в широком диапазоне, особенно при высоких перепадах давлений, чаще применяются специальные регулирующие клапаны. Затворы эффективны для грубого регулирования и перекрытия.
Какой класс герметичности следует выбирать для систем химводоочистки?
Для систем с агрессивными или опасными реагентами, а также на ответственных запорных линиях следует выбирать затворы с мягким уплотнением, обеспечивающие класс герметичности «А» (нулевая утечка). Для дренажных или байпасных линий, где небольшая утечка некритична, можно использовать затворы с металлическим уплотнением класса «В» или «С».
Почему для открытия затвора из закрытого состояния иногда требуется повышенное усилие?
Это связано с эффектом «прилипания» диска к уплотнению под действием рабочего давления среды. Особенно явно проявляется при высоких давлениях и длительном нахождении в закрытом положении. Для снижения требуемого момента используются затворы с эксцентриковым шпинделем, который в момент начала открытия «отрывает» диск от седла без трения скольжения.
Как правильно хранить и консервировать затворы перед монтажом?
Затворы должны храниться в закрытых помещениях, защищенных от атмосферных осадков и прямых солнечных лучей. Фланцевые соединения и внутренние полости должны быть закрыты заглушками. Шпиндель и элементы привода необходимо периодически проворачивать для предотвращения «прикипания». Длительное хранение (более 6 месяцев) требует консервации согласно инструкции производителя, часто включающей покрытие антикоррозионными составами.
Каков типовой срок службы тарельчатого затвора в системе циркуляционной воды ТЭЦ?
При правильном подборе (материал корпуса – чугун с покрытием или углеродистая сталь, уплотнение – EPDM), отсутствии кавитации и соблюдении условий эксплуатации (давление, температура) срок службы затвора до первого капитального ремонта (замена уплотнений) может составлять 8-12 лет. Срок службы корпуса практически не ограничен при отсутствии коррозии.
Заключение
Тарельчатые затворы представляют собой универсальный, экономичный и эффективный тип трубопроводной арматуры, занявший прочные позиции в энергетической отрасли. Их успешное применение напрямую зависит от корректного выбора типа, материала и исполнения в соответствии с конкретными условиями технологического процесса – давлением, температурой, химическим составом среды и требуемой функцией (запорной или регулирующей). Понимание конструктивных особенностей, преимуществ и ограничений позволяет инженерно-техническому персоналу обеспечивать надежную и долговечную работу трубопроводных систем электростанций и промышленных предприятий.