Глава 14 трубопроводы и трубопроводная арматура

На предприятиях химической промышленности трубопроводы являются неотъемлемой частью технологического оборудования. Затраты на их сооружение достигают 30% от стоимости предприятия. Суммарная длина всех трубопроводов завода составляет десятки и сотни километров.

С помощью трубопроводов передаются продукты в самых различных состояниях: жидкости, пары и газы, пластические и сыпучие материалы. Температура этих сред может находиться в пределах от низких (минусовых) до чрезвычайно высоких, а давление - от глубокого вакуума до десятков мегапаскаль.

Обычно трубопроводы классифицируют в зависимости от основного назначения:

- технологические, служащие для транспортировки различных химических соединений;

- тепловые и газовые сети, используемые для подвода инертного газа или пара;

- линии водоснабжения и канализации.

В зависимости от расположения по отношению к оборудованию трубопроводы делят на внутренние и внешние. Внутренние трубопроводы располагаются внутри агрегата и связывают в единое целое его отдельные элементы, например трубы котла или теплообменника. Внешние трубопроводы связывают отдельные агрегаты в единый производственный комплекс.

В зависимости от параметров транспортируемой среды трубопроводы делят на пять категорий, которые подчиняются правилам Госгортехнадзора и Госстроя. Каждая категория трубопроводов характеризуется предельно-допустимыми значениями давлений и температур, причем самые низкие их значения соответствуют первой категории. Так, для транспортировки токсичных веществ применяют трубопроводы только 1-й и 2-й категории, легковоспламеняющихся веществ и горючих газов - трубопроводы первых четырех категорий, негорючих жидкостей и паров -трубопроводы всех пяти категорий.

Все трубопроводы после монтажа и испытания окрашивают масляной краской. Трубопроводы, покрытые изоляцией, допускается окрашивать клеевой краской. Окраска не только защищает трубы от коррозии и придает им эстетический вид, но и облегчает работу обслуживающего персонала, связанную с эксплуатацией и ремонтом трубопроводных систем. В табл. 14.1 приведены цвета окраски трубопроводов в зависимости от их назначения.

При проектировании к трубопроводам предъявляются следующие требования:

- надежность и минимум расчетных затрат;

- унификация узлов и деталей;

- высокая маневренность (быстрое включение в работу);

- уменьшение тепловых потерь в трубах,

- снижение шумовых эффектов;

- уменьшение длины труб и соответственно гидравлических сопротивлений.

Таблица 14.1. Цвета окраски трубопроводов в зависимости от назначения

Транспортируемая среда или назначение трубопровода	Цвет окраски трубопровода и отличительные знаки
Азот	Черный с коричневыми полосами
Вакуум	Белый с желтыми полосами
Вода горячая	Зеленый с красными полосами
Вода питьевая	Зеленый без полос
Вода производственная	Черный без полос
Водород	Темно-зеленый
Воздух сжатый	Синий
Канализация	Черный с желтыми полосами
Кислоты крепкие	Красный с белыми полосами
Кислоты разбавленные	Красный с двумя белыми полосами
Пар насыщенный	Красный с желтыми полосами
Рассол прямой	Темно-коричневый с черными полосами
Рассол обратный	Темно-красный с желтыми полосами
Хлор	Защитный с зелеными полосами
Щелочи крепкие	Вишневый без полос
Щелочи разбавленные	Вишневый с белыми полосами

Для нахождения оптимального решения необходимо выполнить вариантные проектные разработки и произвести выбор наиболее выгодного в технико-экономическом отношении варианта.

Рабочее проектирование, по существу, сводится к подбору соответствующих элементов по действующим стандартам и нормалям. При этом важное значение имеют характеристики - условный проход и условное давление.

Условный проход (D_у) - величина, условно характеризующая внутренний диаметр элемента трубопровода, не обязательно совпадающая с его действительной величиной (ГОСТ 355-67). Если два элемента имеют одинаковые значения условного прохода, то они имеют присоединительные размеры, обеспечивающие их стыковку.

Условное давление (р_у) - величина, характеризующая пригодность элемента для надежной эксплуатации при данных рабочих параметрах среды. При умеренной рабочей температуре (до 200 °С) условное давление равно рабочему. При более высокой рабочей температуре значение условного давления больше рабочего. Имеется специальный стандарт (ГОСТ 356-68) на условные, рабочие и пробные давления. При определении условного давления учитывается и марка материала.

Достаточно важным для обеспечения надежности и работоспособности трубопроводов является вопрос о правильном выборе материалов для труб и фасонных деталей. Для изготовления трубопроводов в химической промышленности применяются чугуны, углеродистые и легированные стали, медь и ее сплавы, фарфор, стекло, пластмассы, углеграфит и т.д.

Основными факторами, определяющими выбор материала для труб и арматуры, являются: достаточная механическая прочность, температуростойкость, коррозионная стойкость.

К частям трубопроводных систем относятся: трубы, их фасонные части, детали для крепления и соединения труб, компенсаторы температурных напряжений и трубопроводная арматура.

Трубы. Основным составляющим элементом трубопроводов являются трубы того или иного типа и размера, в зависимости от технологического назначения трубопровода.

В трубопроводах используются трубы бесшовные, сварные (с продольным или спиральным сварным швом), кованно-прессованные и кованно-сверленные.

Сварные трубы имеют сварные швы, поэтому они менее надежны и используются для транспортировки воды, сжатого воздуха, газа, пара низкого давления и других веществ при температурах от - 15 до +200 °С и давлениях до 1 МПа (обыкновенные) или до 1,6 МПа (усиленные).

Бесшовные трубы - цельнотянутые или цельнокатанные - более надежны и используются для транспортировки самых разных веществ в широком интервале температур (от - 180 до 800 °С) и давлений до 200 МПа.

Способы соединения труб. Трубы соединяются между собой и с арматурой. Трубные соединения делятся на разъемные и неразъемные. К неразъемным относятся соединения пайкой, сваркой и склеиванием. К разъемным - раструбное соединение, которое может быть разобрано только путем разрушения элементов, заполняющих раструб.

К основным факторам, лежащим в основе выбора типа соединения, относятся следующие:

- материал соединяемых деталей;

- характер передаваемой среды (токсичность, огнеопасность, наличие осадка, склонность к застыванию);

- необходимость частых разборок - сборок:

- взрывоопасность;

- температура и давление рабочей среды.

Стальные, алюминиевые, свинцовые и титановые трубы чаще всего соединяются сваркой встык (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Соединение труб встык: 1, 2 - трубы; 3 - сварной шов

Рис. 14.2. Раструбное соединение: 1, 2 - трубы: 3 - набивка

Трубы из цветных металлов, их сплавов и пластмасс соединяются пайкой внахлестку или склеиванием с помощью надвижных муфт. Для чугунных, керамических, графитовых, а иногда и для фаолитовых труб используют раструбные соединения (рис. 14.2). Гладкий конец одной трубы вставляется в раструб другой. Кольцевое пространство заполняется пеньковой прядью, а затем увлажненным цементом.

Резьбовое соединение применяется преимущественно для стальных труб, но иногда и для винипластовых (рис. 14.3). Наиболее распространенным разъемным соединением труб является фланцевое (рис. 14.4).

Рис. 14.3. Резьбовое соединение: 1, 2 - трубы; 3 - муфта

Рис. 14.4. Фланцевое соединение: 1,6 - трубы; 2 - болт; 3,4 - фланцы; 5 - прокладка

Конструкция фланцев меняется в зависимости от материала трубы, рабочего давления в трубопроводе, температуры рабочей среды и от других факторов. Герметичность фланцевых соединений достигается с помощью прокладок, устанавливаемых между фланцами.

Фасонные части трубопроводов - служат для соединения отдельных отрезков труб или же выполняют следующие функции: изменение диаметра или направления трубопровода; ответвление от трубопровода одной или двух линий того же или меньшего диаметра. К ним относятся: отвод (а), колено (б), двойник (в), тройник (г), крестовина (д) и переход (е) - на рис. 14.5.

Рис 14.5. Фасонные части трубопроводов

Колена, отводы и угольники применяют для изменения направления трубопровода, переходы - для соединения труб разного диаметра, а тройники и крестовины - для создания одного или двух ответвлений. Соединительные части изготовляют путем гнутья труб или сварки заготовок из листового материала или отрезков труб.

Опоры трубопроводов. Внутрицеховые трубопроводы крепятся к стенам, колоннам, балкам и перекрытиям. Межцеховые трубопроводы часто укладываются на эстакадах.

Все виды опор делятся на неподвижные и скользящие. Скользящие опоры поддерживают вес трубопровода и одновременно позволяют ему свободно перемещаться в осевом направлении для компенсации температурных удлинений. На рис. 14.6 показаны примеры крепления трубопроводов на горизонтальных опорах. На рис. 14.7 изображена подвеска, позволяющая крепить трубопровод к высоко расположенным элементам здания.

Рис. 14.6. Конструкции горизонталь- ных опор: а - неподвижная; б – под- вижная; 1, 4 - опорные уголки; 2 - хомут; 3 - башмак

Рис. 14.7. Крепление горизонтальных и вертикальных трубопроводов на подвес- ках

Подвески могут применяться для крепления труб малого диаметра к трубопроводу большого диаметра. Крепление труб к стенке осуществляется с помощью кронштейна.

Температурные компенсаторы. Трубопроводы подвержены колебаниям температуры в зависимости от времени года, температуры транспортируемой среды и состояния теплоизоляции.

При изменении температуры трубопровода, жестко закрепленного в опорах, по сравнению с температурой, при которой производился его монтаж, в стенке труб возникают температурные напряжения и деформации. Для их компенсации используют специальные устройства - компенсаторы (рис.14.8).

Рис. 14.8. Компенсаторы: а - волнообразный: 1 - трубы, 2 - кожух, 3 - ограничительные кольца, 4 - гофрированный гибкий элемент, 5 – стакан. б – сальниковый: 1 - опора, 2 - набивка, 3 -корпус сальника, 4 - грунд-букса, 5 - внутренняя труба

По принципу действия и особенностям устройства компенсаторы можно разделить на два класса: компенсаторы деформирования (гофрированные) и компенсаторы проскальзывания (сальниковые). Компенсаторы первого класса понижают температурные напряжения в трубопроводе за счет деформации своих гибких элементов. Компенсаторы второго класса являются разрезными и допускают проскальзывание концов трубопровода.

Трубопроводная арматура. Арматура - это устройства, устанавливаемые на трубопроводах, аппаратах, емкостях и обеспечивающие управление потоком сред. По функциональному назначению трубопроводную арматуру подразделяют на следующие классы:

- запорная - для перекрытия потока среды (составляет около 80% от всей арматуры),

- регулирующая - для изменения параметров среды (температуры, давления и т.д.);

- предохранительная - для предотвращения аварийного повышения давления в системе;

- защитная (отсечная) - для защиты оборудования от аварийных изменений параметров среды отключением обслуживающей линии,

- фазоразделительная - для удаления конденсата из паро- и газопроводов.

Арматура любого класса включает три основных элемента: корпус, привод и рабочий орган (запорный, регулирующий и т.д.), состоящий из седла и перемещающегося или поворачивающегося относительно него затвора (золотника).

По конструкции корпуса арматуру подразделяют на проходную, в которой среда не меняет направления своего движения на выходе по сравнению со входом, и угловую, в которой это направление меняется на угол до 90°.

В зависимости от способа герметизации рабочего органа в корпусе различают сальниковую, сильфонную и мембранную арматуру. В первой герметичность обеспечивается сальником, во второй - сильфоном, а в третьей - мембраной. В зависимости от конструкции привода рабочего органа арматуру подразделяют на автоматически действующую, в которой привод осуществляется самим потоком среды, и управляемую, с ручным или механическим (электрическим, пневматическим и др.) приводом.

Запорная арматура. Серийно выпускают запорную арматуру следующих типов: краны, вентили, задвижки и заслонки.

Кранами называется арматура с затвором в форме тела вращения, который может поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной направлению потока. Пример пробкового крана представлен на рис. 14.9. Краны имеют малое гидравлическое сопротивление; на трубопроводе могут устанавливаться в любом положении, однако они требуют постоянного ухода и периодического смазывания, в противном случае пробка может «прикипеть» к корпусу.

Вентили представляют собой запорную арматуру с затвором в виде плоской или конической тарелки (золотника), которая перемещается возвратно-поступатель

но вместе со шпинделем относительно седла (рис. 14.10). Вентили выполняются с ручным управлением или с электроприводом. Вентили на трубопроводе устанавливаются так, чтобы среда в них попадала из-под золотника. Область применения вентилей весьма обширна.

Заслонками называют арматуру, в которой затвор выполнен в виде диска, поворачивающегося на оси, перпендикулярной потоку и проходящей через диаметр диска. Их используют обычно на трубопроводах большого диаметра при малом давлении среды и нежестких требованиях к герметичности запорного органа. Их устанавливают на паро- и водопроводах, на линиях транспортиро­вания, не загрязненных осадками жидкостей, так как твердые частицы, попадая под седло, могут нарушить его герметичность.

Задвижка - это арматура, в которой затвор в виде диска или клина перемещается вдоль уплотнительной поверхности перпендикулярно оси потока (рис. 14.11).

Рис.14.9 Конический пробковый кран: 1 - кор- пус; 2 - пробка; 3 - сальник

Рис. 14.10. Проходной вентиль: 1- корпус; 2 - уп- лотнительное кольцо; 3 - золотник; 4 - проклад- ка, 5 - крышка

Рис. 14.11. Задвижка параллельная: 1 - корпус; 2 - клин; 3 - шибер

Предохранительная арматура исключает возможность возникновения недопустимо больших давлений в трубопроводах и в аппаратах. Предохранительные клапаны бывают рычажно-грузовыми (рис. 14.12) и пружинными (рис. 14.13).

Рис. 14.12. Рычажно-грузовой клапан: 1 - груз; 2 - рычаг; 3 - крышка; 4- шток; 5 - корпус; 6 - золотник

Рис. 14.13. Пружинный клапан: 1 - резьбовая втулка; 2 - колпак; 3 - пру жина; 4 - крышка; 5 - корпус; 6 - золот ник

Регулирующая арматура. Это, прежде всего, регулирующие клапаны и вентили, смесительные клапаны, редукционные клапаны и регуляторы уровня. В системах автоматического регулирования регулирующие клапаны управляют расходом среды в соответствии с поступающей командой.

Фазоразделительная арматура состоит в основном из отводчиков конденсата, используемых для вывода из трубопроводной системы конденсата. В настоящее время преимущественно используют термостатические и поплавковые конденсато - отводчики.

Выбор трубопроводной арматуры. Основной тип запорной арматуры, рекомендуемый для трубопроводов диаметром от 50 мм и более, - задвижка; она имеет минимальное гидравлическое сопротивление, надежное уплотнение затвора и допускает изменение направления движения среды.

Вентили рекомендуется устанавливать на трубопроводах диаметром до 50 мм; при диаметре более 50 мм вентили используют главным образом в случаях, когда по условиям технологического процесса требуется ручное дросселирование. Основное преимущество вентилей - отсутствие трения уплотнительных поверхностей, что позволяет их использование при более высоких давлениях. В связи с этим вентили устанавливаются на трубопроводах высокого давления.

Краны используют, когда требуются запорные устройства, обладающие незна­чительным гидравлическим сопротивлением или способные управлять несколькими расходящимися потоками, в последнем случае используют трех - или четырехходовые краны.