Установка обратного клапана: направление потока, ориентация и правила, определяющие срок службы клапана

Как работает обратный клапан: направление потока и куда он направляется

Насос-усилитель, который исправно работает всё утро, может выйти из строя из-за одного-единственного отключения электроэнергии. Когда двигатель останавливается, столб воды, находящийся в нагнетательном трубопроводе, меняет направление, заставляет насос вращаться в обратную сторону и может выбить рабочее колесо из гнезда. Единственная деталь, стоящая между нормальной остановкой и такой поломкой, — это один диск, который закрывается при колебании. Вот и всё, что представляет собой обратный клапан: односторонняя заслонка для трубы. Загвоздка в том, что заслонка работает только тогда, когда она направлена в нужную сторону, расположена в нужном месте и использует механизм, соответствующий ходу трубы.

Внутри корпуса одна подвижная деталь реагирует на давление. Поток в прямом направлении раздвигает диск. Когда давление в прямом направлении падает, пружина, сила тяжести или сам обратный поток возвращают диск на седло до того, как начнёт нарастать обратный импульс. Здесь нет ручки и нет привода — ничего, что можно было бы отрегулировать задним числом. Установка — это единственная настройка, которую когда-либо потребуется выполнить для клапана, и первое, на что следует обратить внимание, — это стрелка, обозначающая направление потока, отлитая или выштампованная на корпусе. Направление потока в трубе и стрелка должны совпадать ещё до того, как будет закручен первый болт.

Если клапан установлен неправильно, неисправность проявляется в одном из двух направлений. Если тарелка не может открыться, в трубопроводе создаётся вакуум: насос работает, сталкиваясь с закрытым клапаном, перегревается и вступает в кавитацию. Если тарелка не прижимается к седлу, при каждом отключении в трубопроводе возникает обратный поток, а при каждом повторном запуске насоса — гидравлический удар. Ни одна из этих неисправностей не выявляется во время монтажа. Обе проявляются спустя несколько недель, поэтому проверка направления стрелки проводится перед монтажом, а не во время устранения неисправностей.

То же самое относится и к месту установки. Клапан должен располагаться на нагнетательной стороне насоса, где он предотвращает обратный поток воды обратно в насос. На всасывающей стороне он создает постоянные потери на трение на входе в насос и повышает риск кавитации. В бытовых системах это правило действует в меньших масштабах. Обратный клапан дренажного насоса устанавливается на вертикальном нагнетательном трубопроводе чуть выше насоса, ниже уровня пола, чтобы вода, находящаяся выше него, не могла стекать обратно в колодец.

Прежде чем продолжить, следует разъяснить одно понятие. В ирригационных системах узел с двумя обратными клапанами представляет собой устройство, предотвращающее обратный поток, состоящее из двух клапанов, а также запорной арматуры и контрольных патрубков, и предназначенное для защиты системы питьевого водоснабжения. Вся информация, представленная в данной статье, касается одиночного обратного клапана, установленного внутри насоса или технологической линии. Эти два понятия не являются взаимозаменяемыми.

Конструкции обратных клапанов и их возможности: в первую очередь — ориентация

Все обратные клапаны выполняют одну и ту же функцию, но их механизмы различаются, и именно механизм определяет, какие нагрузки на трубу он способен выдержать. Наиболее наглядным примером является ориентация: это механическое ограничение, а не вопрос предпочтений монтажника. От конструкции, закрывающейся под действием силы тяжести, нельзя требовать закрытия вверх по уклону. Три приведенные ниже конструкции охватывают большинство промышленных установок. Каждая из них сочетает в себе механизм с допустимыми положениями и с пути отказа, возникающего при игнорировании этих положений.

Обратные клапаны маятникового типа

Обратный клапан качающегося типа имеет диск, закрепленный на шарнире в верхней части прохода. При прямом потоке диск раскачивается и открывается; под действием силы тяжести и обратного потока он раскачивается и закрывается. В отсутствие подпружинивания диску требуется стабильный, преимущественно горизонтальный поток для нормальной работы. Он хорошо работает в горизонтальных трубопроводах и в вертикальных, где поток направляется вверх. В вертикальном трубопроводе с нисходящим потоком он выходит из строя по самой своей конструкции: диск остается в открытом положении, поток меняет направление, и с задержкой происходит резкое захлопывание под давлением всего столба жидкости. Турбулентность — это «тихий убийца». Колено или нагнетание насоса, расположенные непосредственно выше по потоку, создают нестабильное течение, воздействующее на качающийся диск; диск начинает вибрировать, а штифт и седло изнашиваются значительно раньше срока. Среди распространенных конструкций качающиеся обратные клапаны наиболее чувствительны к длине прямого участка трубопровода.

Подъемные обратные клапаны

Подъемный обратный клапан перемещает свой диск в осевом направлении вдоль направляющего седла. Давление в направлении потока поднимает диск; под действием силы тяжести он опускается обратно. Чтобы сила тяжести действовала, направляющая должна располагаться вертикально, поэтому данное оборудование предназначено для горизонтальных трубопроводов. При закреплении болтами в вертикальном участке трубопровода диск либо заклинивается в направляющей, либо прижимается к седлу не по центру, что приводит к утечке. Компромиссом за такую строгость является качество уплотнения: короткий ход по направляющей обеспечивает более плотное прилегание к седлу, чем у клапана с поворотным диском, за счет более высокого сопротивления потоку. Некоторые фланцевые модели с подъемным механизмом оснащены завинчивающимся маховиком, что позволяет использовать тот же корпус в качестве аварийного запорного клапана во время ввода в эксплуатацию.

Двухдисковые обратные клапаны для пластин

Двухпластинчатый клапан состоит из диска, разделенного на две половины по центральному шарниру, каждая из которых удерживается торсионной пружиной. Пружины начинают сжимать пластины в тот момент, когда поток в прямом направлении замедляется, благодаря чему пластины достигают своих седел до того, как сформируется обратный гидравлический удар. Именно благодаря такому раннему закрытию двухпластинчатые клапаны являются стандартным решением для предотвращения гидравлического удара при модернизации систем. Корпус клапана в виде прокладки зажимается между двумя фланцами, что обеспечивает самую короткую межфланцевую расстояние в линейке, а пружины закрывают пластины в любом положении. Это делает двухпластинчатый клапан наиболее универсальной конструкцией с точки зрения ориентации. Тем не менее, для установки в положении, отличном от горизонтального или вертикального вверх, необходимо получить письменное подтверждение от производителя, поскольку усилие пружин зависит от размера.

Картину дополняют ещё две конструкции. Осевые, или бесшумные, обратные клапаны оснащены пружинным диском, расположенным по оси трубы. Они закрываются быстрее всех и выдерживают самые неблагоприятные условия потока, поэтому на насосных станциях их устанавливают вблизи нагнетательного патрубка. Шаровые обратные клапаны пропускают твердые частицы и шламы, которые могли бы заклинить дисковый клапан, при этом жертвуя герметичностью закрытия ради такой устойчивости к загрязнениям.

Ни одно из этих ограничений по ориентации не является предпочтением. Каждое из них обусловлено расположением грузовых элементов и пружин внутри механизма. Если нужная вам ориентация не указана в документации производителя, не следует проводить пробную установку. Вместо этого необходимо обратиться с письменным запросом.

Установка обратного клапана: этапы, герметизация и проверка на месте монтажа

После выбора дизайна и ознакомления с инструкцией установка сводится к короткой последовательности шагов. Каждый шаг необходим, поскольку его пропуск приводит к зафиксированной неисправности.

1. Выделить и слить жидкость. Остановите насос, заблокируйте питание, сбросьте давление в трубопроводе и слейте воду из этого участка. Соединение, открывшееся при наличии остаточного напора, может дать утечку без предупреждения.
2. Еще раз проверьте направление и ориентацию на месте. Удерживайте стрелку на корпусе в направлении реального потока, а не в направлении, указанном на чертеже, и сверьте установленное положение с приведенными выше проектными правилами. На объекте трубопроводы достаточно часто отклоняются от чертежей, поэтому этот шаг позволяет выявить реальные ошибки, прежде чем они превратятся в загадки, которые придется разгадывать через несколько недель.
3. Сделайте соединение. На резьбовых концах уплотнительная лента намотана по направлению вращения, поэтому при затяжке она не разматывается. Фланцевые концы требуют чистых поверхностей, центрированной прокладки и затяжки болтов крестообразным способом в несколько этапов. При использовании корпусов типа «вафля» оба фланца должны быть выровнены по общей оси, а клапан — центрирован между ними; неравномерная затяжка болтов приводит к деформации корпуса, а вместе с ним — и седла.
4. Относитесь к сварным седлам с уважением. Если клапан будет ввариваться в трубопровод, у конструкций с эластомерными седлами необходимо сначала снять седло и тарелку. Тепло, выделяемое при сварке, разрушает эластомерные седла, установленные на месте, а при сварке клапанов с металлическими седлами все равно следует соблюдать инструкции производителя по сварке, чтобы тепло не привело к деформации седла.
5. Сначала промыть, затем проверить. Перед первым запуском промойте трубопровод, чтобы сварочный шлак и мусор не попали на диск или седло. Затем проведите испытание под давлением и проверьте на обратную утечку. Клапан, который выдерживает давление в прямом направлении, но пропускает давление в обратном, не обеспечит герметичность при отключении.

Три неисправности в этой цепочке являются результатом человеческой ошибки: приваренное на месте мягкое седло, запуск без промывки и деформация корпуса клапана из-за неравномерного затягивания болтов. Все три неисправности можно проверить на месте за время, меньшее, чем требуется на устранение неисправности.

На что следует обратить внимание: расстояние от места выхода насоса и правила прокладки прямых участков трубопровода

Положение системы предшествует прямому участку трубопровода. Порядок имеет значение в обоих направлениях. Отсекающий клапан позволяет проводить техническое обслуживание без слива системы, а обратный клапан защищает насос от воздействия давления в трубопроводе после остановки. На всасывающей стороне обратный клапан не устанавливается вовсе, поскольку потери на трение и риск кавитации перевешивают любые преимущества его использования в этом месте.

Именно в вопросе расстояния от насоса письменные правила расходятся, и стоит обратить внимание на эти разногласия, пока они не переросли в спор на строительной площадке.

Цифры расходятся, поскольку характер повреждений зависит от конструкции. Турбулентное течение у выхода из насоса или колена сильнее всего смещает качающийся диск, поэтому для качающихся обратных клапанов предусмотрены самые строгие требования к расстояниям. В конструкциях с пружинным осевым удержанием диск удерживается на осевой линии и не подвержен воздействию такой же турбулентности. Ознакомьтесь с таблицей по типам конструкций, и большинство противоречий разрешится. Принимайте 10 диаметров в качестве консервативного значения по умолчанию для поворотных дисков и допускайте меньшие расстояния для пружинных конструкций. Если компактная установка не оставляет места, замените аргументы письменным ответом от производителя клапана. (Советы, 2008; Журнал Valve, 2023)

Положительным моментом является то, что значение расстояния определяется ещё на этапе проектирования. Если этот вопрос решён ещё на этапе разработки чертежей, это ничего не стоит. Если же проблема обнаруживается при вводе в эксплуатацию, это влечёт за собой распиловку, повторную сварку и повторные испытания — и именно так и происходят описанные ниже случаи эрозии.

Два положения — это всегда плохо. Находясь непосредственно за расширительным элементом, струя скребёт диск и штифт до тех пор, пока клапан не перестанет плотно прилегать. На всасывающей стороне клапан лишает насос, который он должен был защищать, подачи жидкости.

Параметры размеров и технические характеристики перед оформлением заказа

Правильный подбор размера в большей степени определяет срок службы клапана, чем любой из вышеперечисленных этапов, и этот выбор принимается в офисе, ещё до оформления заказа.

Размер трубопровода не соответствует размеру клапана

Обратный клапан, размер которого подобран с учетом диаметра трубы, а не расхода, в течение всего срока службы работает в частично открытом состоянии, а частично открытый диск подвергается вибрации. В результате вибрации происходит износ штифта, шарнира и края седла, пока диск не перестанет прилегать к седлу вообще.

В том же отчете переразмерные клапаны указаны как наиболее распространенная отдельная причина, с которой сталкиваются его авторы. В руководстве по монтажу компании DFT говорится о том же с точки зрения мастерской, при этом большинство проблем с обслуживанием обратных клапанов объясняется ошибками в выборе области применения и размеров. Среди инженеров принято следующее правило: для традиционных конструкций размер трубы должен быть на один размер меньше, чем размер магистрали, при этом необходимо сверять данные с информацией производителя о расходе. Рассматривайте это скорее как практическое правило, а не как стандарт; главное — это проверка. Трубопроводы с низким расходом требуют такой же проверки давления открытия, поскольку клапан, который никогда не открывается полностью, выходит из строя именно по этой цепочке.

Давление, температура и стандарты соединений

Класс давления и температура определяются требованиями системы, а не максимальными значениями, указанными поставщиком. Классы и номинальные значения PN указываются в проектной документации. Температура определяет тип седла — мягкое или металлическое — и, соответственно, метод сварки, указанный в инструкциях по монтажу. Стандарт соединения должен соответствовать фланцам трубопровода, а в экспортных проектах это означает необходимость явного подтверждения соответствия стандартам ANSI, GB, DIN или JIS, а не простое предположение.

Опубликованные промышленные диапазоны дают представление о масштабах. Двухпластинчатые корпуса клапанов типа «вафля» доступны в диапазоне от DN15 до DN300 при давлении до примерно 40 бар. Фланцевые обратные клапаны с поворотным створком достигают DN600, а варианты с металлическим седлом рассчитаны на работу при температурах до примерно 425 °C. Рабочее давление фланцевых подъемных обратных клапанов составляет около 16 бар. Рассматривайте эти данные как ориентировочные каталожные значения и сверяйте их с фактическими таблицами производителя, поскольку материал седла и класс давления влияют на каждое из этих значений.

Четыре границы установки, которые необходимо указать в запросе

Каждый из перечисленных выше путей, ведущих к сбоям, начинается с решения, которое можно было принять ещё на этапе подготовки коммерческого предложения. Именно поэтому этап запроса — самый экономичный момент для того, чтобы задать четыре вопроса. Первый: письменное подтверждение допустимых параметров для конкретной модели. Второй: рекомендуемый прямой проход для реальной конфигурации, включая допустимые параметры в условиях ограниченного пространства. Третий: расчетные данные для реальных условий эксплуатации, данные о давлении разрыва и расходе, а не только номинальный диаметр. Четвертый: практика сварки и ввода в эксплуатацию для закупаемой серии седел, включая демонтаж седел и промывку. Поставщик, отвечающий на эти четыре вопроса в письменной форме, управляет рисками, связанными с монтажом. Тот, кто отвечает прилагательными, просто продает класс давления.

Что это означает для вашего следующего заказа на обратные клапаны

Если рассматривать все вышеперечисленные неисправности в совокупности, то их объединяет одно общее свойство: каждая из них была выявлена ещё до запуска оборудования. Диск с углом 17 градусов был задан в заказе. Изношенный штифт был задан в схеме расположения салазок. Застрявший в открытом положении поворотный диск был задан чертежом, на котором был указан вертикальный спуск. Данные производителя, полученные в полевых условиях, в целом подтверждают это, указывая на то, что большинство проблем с обслуживанием обратных клапанов связано с выбором области применения, размеров и способа монтажа. Ничто из этого не делает клапан плохим продуктом. Это означает, что обсуждение условий покупки — самый экономичный способ предотвратить отказ.

Для инженеров-проектировщиков практический вариант краток. Перенесите четыре условия из раздела «Обоснование на объекте» в раздел «Запрос» и попросите каждого участника тендера дать на них письменный ответ с учетом вашей фактической схемы размещения. Это займет всего четыре строчки в техническом задании. А сэкономленные затраты — это отсутствие необходимости разрезать готовую линию при вводе в эксплуатацию или замена диска, который через два года вибрации оказался ослабленным. Письменные ответы также позволяют быстрее отсеять поставщиков, чем еще одна страница с классами давления.

Для дистрибьюторов и оптовиков эти же материалы служат ориентиром при работе с клиентами. Подход и рекомендации определяются конструкцией, а не брендом. Логика формирования запасов также следует опубликованным ассортиментам. Двухдисковые клапаны в диапазоне DN15–DN300 покрывают основную часть линеек для модернизации с ограниченным пространством, в то время как фланцевые поворотные обратные клапаны обеспечивают покрытие сегмента больших диаметров и высоких температур вплоть до DN600. Консультант, который отвечает на вопрос о подходе, исходя из механизма работы, как показано в таблице выше, позволяет избежать возвратов со стороны торговых клиентов.

Если данный контрольный список требует от поставщика письменного ответа, то именно так мы и работаем в компании VINCER. Наши клапаны-обратные клапаны с дисковым затвором выпускаются в исполнениях с поворотным и подъемным затвором, а также с двойным затвором, охватывающих диапазон диаметров от DN15 до DN300 при давлении до 40 бар. Фланцевые корпуса с поворотным и подъемным затвором расширяют ассортимент до диаметра DN600 и позволяют использовать клапаны в условиях высоких температур. Мы предоставляем данные по предельным углам наклона, рекомендации по прямолинейному прохождению и данные о давлении открытия с учётом вашей конкретной трубопроводной линии в соответствии с фланцевыми системами ANSI, GB, DIN или JIS, а также Ассортимент пластинчатых обратных клапанов Именно с этого и начинается это сравнение.

Ссылки

1. Журнал “Valve”. «Рекомендации по монтажу обратных клапанов для обеспечения максимальной эффективности технологического процесса». 2023 г. https://valvemagazine.com/articles/check-valve-installation-considerations-to-maximize-process-performance/
2. Eng-Tips. “Порядок монтажа обратного клапана”. 2008 г. https://www.eng-tips.com/threads/check-valve-installation-procedure.212528/