Электромагнитные клапаны нормально-открытого типа: устройство, принцип действия, применение и подбор

Электромагнитный (соленоидный) клапан нормально-открытого типа (НО, Normally Open, NO) – это тип запорной или регулирующей арматуры с электроприводом, у которого в обесточенном состоянии проходное сечение открыто, а поток рабочей среды свободно проходит через клапан. Подача напряжения на катушку соленоида приводит к закрытию клапана. Данная конструкция противоположна нормально-закрытым (НЗ) клапанам и применяется в системах, где обеспечение протока в аварийных ситуациях или при отключении электроэнергии является критически важным.

Принцип действия и конструктивные особенности

Основу клапана составляет электромагнитная катушка (соленоид), сердечник (плунжер), соединенный с запорным элементом (тарельчатым клапаном, поршнем, мембраной), и корпус с седлом. В нормально-открытой конфигурации запорный элемент удерживается в открытом положении механическим способом – чаще всего с помощью пружины. Когда на катушку подается управляющее напряжение, создаваемое электромагнитное поле втягивает сердечник, преодолевая усилие пружины, и запорный элемент перемещается, перекрывая поток. При снятии напряжения электромагнитная сила исчезает, и пружина возвращает механизм в исходное открытое положение.

• Корпус: Изготавливается из латуни, нержавеющей стали, чугуна, пластиков (PP, PVDF) в зависимости от среды и давления.
• Катушка: Может быть выполнена в стандартном или взрывозащищенном исполнении (Ex), с разными классами изоляции (H, F). Часто имеет влагозащищенный корпус (класс IP65, IP67).
• Запорный узел: Определяется типом клапана – прямого или непрямого (пилотного) действия. В клапанах непрямого действия для перекрытия потока используется перепад давления самой среды.
• Уплотнения: Критически важный элемент. Применяются материалы: NBR (нитрильный каучук) для воды, масел; EPDM для горячей воды, пара, щелочей; FKM (витон) для агрессивных сред, топлива, масел; PTFE (тефлон) для высокоагрессивных химических сред.

Классификация и основные типы

Электромагнитные клапаны НО классифицируются по нескольким ключевым параметрам.

По принципу действия:

• Клапаны прямого действия: Закрытие происходит исключительно за счет усилия соленоида. Требуют постоянной подачи энергии для удержания в закрытом состоянии. Применяются для небольших диаметров (до DN25-50) и низких давлений.
• Клапаны непрямого (пилотного) действия: Используют давление рабочей среды для создания усилия закрытия/открытия. Соленоид управляет небольшим пилотным каналом, который, в свою очередь, открывает или закрывает диафрагму или поршень основного клапана. Позволяют управлять большими расходами при малой мощности катушки, но требуют минимального перепада давления для работы (обычно от 0.2-0.5 бар).
• Комбинированные (принудительного подъема): Сочетают оба принципа, могут срабатывать при нулевом перепаде давления.

По типу рабочей среды:

• Для нейтральных жидкостей (вода, воздух, сжатые газы).
• Для агрессивных и химически активных сред (кислоты, щелочи, растворители).
• Для пищевых продуктов и фармацевтических сред.
• Для пара (насыщенного, перегретого).
• Для топлив (бензин, дизель, масла).

По конструктивному исполнению:

• 2/2-ходовые (двухходовые): Один вход, один выход. Базовая функция – открытие/закрытие потока.
• 3/2-ходовые (трехходовые) и более: Имеют три и более патрубка, используются для переключения потоков между разными линиями, смешивания или отсечения.

Ключевые технические параметры для выбора

Корректный подбор клапана требует анализа следующих характеристик.

Таблица 1: Основные параметры выбора электромагнитного клапана НО

Параметр	Описание и единицы измерения	Влияние на выбор
Условный диаметр (DN)	Номинальный диаметр присоединения, мм или дюймы (DN15, 1/2″, DN25, 1″ и т.д.)	Определяет присоединительные размеры и пропускную способность (Kv).
Пропускная способность (Kv)	Объем воды (м³/ч) при температуре 20°C, проходящий через клапан при перепаде давления 1 бар.	Ключевой параметр для гидравлического расчета. Должен соответствовать расходу в системе.
Рабочее давление (Pраб)	Диапазон давлений, в котором клапан гарантированно работает, бар.	Должен покрывать максимальное и минимальное давление в системе. Для пилотных клапанов важен минимальный перепад давления.
Температура рабочей среды	Диапазон температур среды, °C.	Определяет выбор материала корпуса и, особенно, уплотнений.
Тип среды	Химический состав, агрессивность, вязкость, наличие примесей.	Критичен для выбора материала корпуса и уплотнений (см. таблицу 2).
Напряжение и тип тока катушки	Постоянный (DC) или переменный (AC) ток, В. Мощность, ВА или Вт.	Определяется источником управления. DC-катушки менее шумные, AC-катушки могут гудеть.
Класс защиты	IP (Ingress Protection) и взрывозащита (Ex).	IP54/IP65 – для влажных помещений, IP67/IP68 – для погружения. Ex-исполнение для взрывоопасных зон.
Время срабатывания	Время от подачи сигнала до полного закрытия/открытия, мс.	Важно для высокоскоростных и точных систем управления.

Таблица 2: Совместимость материалов уплотнений с рабочими средами

Материал уплотнения	Температурный диапазон	Рекомендуемые среды	Не рекомендуемые среды
NBR (Нитрил-бутадиен)	-20°C … +80°C	Вода, воздух, природный газ, минеральные масла, топливо, гидравлические жидкости.	Озон, полярные растворители (ацетон), сильные кислоты, щелочи.
EPDM (Этилен-пропилен)	-40°C … +130°C (пар до +180°C)	Горячая и холодная вода, пар, щелочи, слабые кислоты, перекись водорода, хладагенты.	Минеральные масла, бензин, керосин, гидравлические масла.
FKM/FPM (Фторкаучук, Витон)	-20°C … +150°C	Агрессивные химикаты, кислоты, щелочи, высокотемпературные масла, топливо, ароматические углеводороды.	Ацетон, сложные эфиры, горячий водяной пар.
PTFE (Политетрафторэтилен, Тефлон)	-50°C … +200°C	Практически все агрессивные химические среды, концентрированные кислоты и щелочи, растворители.	Нет (универсален, но может иметь ограничения по механическим свойствам).

Области применения нормально-открытых клапанов

НО-клапаны применяются в системах, где безопасным состоянием при исчезновении управляющего сигнала считается открытый проток.

• Пожаротушение: В системах водозаполненных спринклерных и дренчерных установок. При отключении питания клапан остается открытым, не препятствуя подаче огнетушащего вещества.
• Охлаждение и теплообмен: В контурах аварийного охлаждения технологического оборудования (реакторов, двигателей). Остановка циркуляции охлаждающей жидкости при аварии недопустима.
• Топливные системы: В качестве аварийных отсечных клапанов на магистралях подачи топлива к горелкам. При обесточивании клапан открывается, позволяя системе перейти в безопасный режим продувки или остановки.
• Водоподготовка и канализация: В линиях подачи реагентов, где остановка потока может привести к кристаллизации или засорению.
• Медицинское и лабораторное оборудование: В системах подачи газов и жидкостей, где непрерывность потока критична для жизнеобеспечения или эксперимента.
• Вентиляция и кондиционирование: В узлах обвязки калориферов для предотвращения их замораживания при отказе управления.

Особенности монтажа и эксплуатации

Монтаж должен производиться в соответствии с направлением потока, указанным стрелкой на корпусе клапана. Клапан рекомендуется устанавливать в горизонтальном положении катушкой вверх, если иное не оговорено производителем. Перед клапаном обязательна установка фильтра тонкой очистки (особенно для пилотных моделей) для защиты седла и уплотнений от загрязнений. В системах с водой или паром перед клапаном иногда устанавливают байпасную линию для обслуживания. При эксплуатации необходимо контролировать чистоту рабочей среды, соответствие электрических параметров катушки, отсутствие внешних утечек и посторонних шумов (стука, гудения), которые могут указывать на износ, загрязнение или нестабильное напряжение.

Диагностика неисправностей и обслуживание

• Клапан не закрывается при подаче напряжения: Загрязнение или механический износ седла/запора; поломка пружины; недостаточный перепад давления для пилотных клапанов; низкое напряжение на катушке; механическое засорение сердечника.
• Клапан не открывается после снятия напряжения: Загрязнение и залипание подвижных частей; поломка возвратной пружины; образование отложений в пилотном канале.
• Внешняя утечка через корпус: Износ или повреждение уплотнений корпуса или присоединительных патрубков.
• Утечка через клапан в закрытом состоянии: Износ уплотнительной тарелки или седла; наличие твердых частиц на седле; недостаточное усилие закрытия.
• Перегрев или гул катушки: Несоответствие напряжения; короткозамкнутые витки; неправильная сборка.

Обслуживание заключается в периодической чистке, замене изношенных уплотнений и проверке работоспособности. Ремонт часто осуществляется заменой ремонтного комплекта (седло, тарелка, пружина, уплотнения).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальное отличие нормально-открытого (НО) клапана от нормально-закрытого (НЗ)?

НО-клапан открыт, когда катушка обесточена, и закрывается при подаче напряжения. НЗ-клапан закрыт при отсутствии питания и открывается при его подаче. Выбор определяется требованием безопасности технологического процесса: что является безопасным состоянием при аварийном отключении электроэнергии – остановка потока (НЗ) или его продолжение (НО).

Можно ли использовать НО-клапан в системе с высоким давлением (более 40 бар)?

Да, но для этого необходимо выбирать клапаны, специально рассчитанные на высокое давление, обычно прямого действия или комбинированного с усиленными пружинами и корпусом из нержавеющей стали или высокопрочных сплавов. Пилотные клапаны для высоких давлений также существуют, но требуют тщательного расчета.

Что будет, если установить клапан НО в систему, где требуется НЗ, путем постоянной подачи напряжения на катушку?

Теоретически это возможно, но крайне не рекомендуется. Катушка рассчитана на длительную, но не обязательно постоянную работу, и может перегреться и выйти из строя. Кроме того, это неэнергоэффективно и небезопасно: при любом сбое в питании клапан откроется, что может привести к аварийной ситуации. Следует использовать клапан, соответствующий логике управления.

Как подобрать клапан для агрессивной химической среды?

Необходимо точно знать химический состав, концентрацию и температуру среды. Основное внимание уделяется материалу корпуса (обычно нержавеющая сталь AISI 316/316L, PTFE, PVDF) и материалу уплотнений (чаще всего PTFE или FKM). Рекомендуется запрашивать у производителя таблицу химической стойкости материалов.

Требуется ли для пилотного клапана минимальное давление? Почему?

Да, для большинства пилотных клапанов требуется минимальный перепад давления (обычно от 0.2 до 0.5 бар). Это связано с принципом работы: для закрытия или открытия основного затвора используется энергия давления самой рабочей среды. Без достаточного перепада давления сил, создаваемых пилотным механизмом, может не хватить для перемещения мембраны или поршня.

Можно ли управлять клапаном от сигнала контроллера (например, ПЛК) напрямую?

Как правило, нет. Катушка клапана потребляет значительный ток (от 0.5 до 20 Вт/ВА). Выходы дискретных сигналов ПЛК (релейные или транзисторные) обычно рассчитаны на меньшую коммутационную мощность. Для управления необходимо использовать промежуточное устройство: релейный модуль, контактор или твердотельное реле, согласованное по току и напряжению с катушкой клапана.

Как понять, что катушка клапана неисправна?

Основные признаки: отсутствие характерного щелчка при подаче/снятии напряжения, холодная температура катушки (при подаче напряжения она должна слегка нагреваться), бесконечное сопротивление при измерении мультиметром (обрыв) или близкое к нулю (короткое замыкание). Также признаком может быть срабатывание защитного автомата при попытке включения.