Задвижки с электроприводом: устройство, типы и особенности управления

Сферы применения

Часто запорная арматура устанавливается на трубопроводы большого диаметра, работающие под высоким внутренним давлением. Перекрытие запорного устройства вручную при таких условиях требует приложения значительного усилия. Поэтому в этих случаях обычно устанавливают задвижки с электроприводом.

Такие арматурные устройства применяют в разных направлениях, в том числе:

• в системе ЖКХ — на трубопроводах водоснабжения, отопления, водоотведения и других;
• нефтяная и нефтехимическая промышленность — трубопроводы для транспортировки сырой нефти или нефтепродуктов;
• предприятия разных отраслей промышленности — технологические трубопроводы, транспортирующие разные виды жидкостей или газовых сред;
• противопожарные системы в общественных и производственных зданиях — управление подачей воды в пожарных трубопроводных сетях.

Установка арматуры с электроприводом целесообразна при диаметре условного прохода от 50 мм. При таких параметрах величина рабочего давления становится слишком высокой, и ручное управление арматурой требует повышенных физических усилий от оператора. Работоспособность задвижек с электроприводом практически не зависит от диаметра трубы. Это позволяет управлять потоком рабочей среды без дополнительных затруднений.

Кроме этого, электроприводная арматура может устанавливаться на трубопроводных системах, независимо от величины проходного диаметра. В том числе использование этих устройств рекомендовано при установке в местах с затрудненным доступом, где сложно обеспечить ручное управление. Также их монтируют в зонах, где присутствие человека оказывается связанным с рисками для здоровья или жизни, например, при повышенной температуре в месте установки арматуры. В таких случаях оператор может управлять запорным устройством дистанционно из безопасного места. Кроме этого, электрический привод применяют на арматурных устройствах, которые устанавливаются на трубопроводных сетях с автоматическим управлением или внедренной системой диспетчеризации.

Устройство задвижек с электроприводом

Модели этого типа имеют традиционную конструкцию с запирающим элементом в форме клина или диска, который перемещается перпендикулярно потоку рабочей среды. Перемещения запирающего элемента осуществляется при вращении штока. Особенность этих моделей состоит в том, что шток вращает электрический привод, который соединен с ним через специальную втулку.

Схема электропривода задвижки состоит из электродвигателя и редуктора. Двигатель включается по сигналу управляющего устройства. Вращение через редуктор передается на выходной вал, соединенный через втулку со штоком запорной арматуры. В зависимости от направления вращения затвор переводится в положение «закрыто» или «открыто».

Устройство электропривода задвижки обычно включает защитные средства. К числу таких средств относят муфту ограничителя крутящего момента. Она автоматически отключает двигатель, когда необходимое усилие для вращения штока превышает установленное предельное значение. Это предотвращает повреждение привода при заклинивании затвора или самого приводного механизма. Также применяют концевые выключатели, отключающие мотор в крайних положениях.

Для местного управления электроприводом задвижки используется блок, который может устанавливаться непосредственно на его корпусе или быть выносным. Также предусматривается дублирующее устройство для ручного управления при помощи маховика, которое активируют при отключении электроснабжения.

Принцип действия

Электроприводная арматура, в зависимости от принципа управления, может работать в следующих режимах:

• Наладочный. Используется после установки арматурного устройства или после его ремонта. В этом режиме выполняется проверка задвижки с электроприводом и настройка работы приводного механизма. Наладку выполняются в крайних положениях затвора. При этом оператор подает команды вручную с пульта управления.
• Автоматический. Управление электрическим приводом осуществляет электронный контроллер, который при помощи датчиков отслеживает характеристики потока рабочей среды или параметры технологического процесса. В зависимости от их значений электронное управляющее устройство подает команду на открытие или закрытие затвора.
• Дистанционный. В этом режиме управление осуществляет оператор, которые включает приводной механизм при помощи выносного пульта дистанционного управления, расположенного на расстоянии от самой задвижки. На предприятиях с внедренной системой диспетчеризации управление осуществляет диспетчер, который контролирует работу всей технологической цепочки.

Во всех режимах работа привода контролируется защитными устройствами, которые автоматически отключают электродвигатель при достижении предельных значений параметров.

Технические параметры

При выборе типа электропривода задвижки и модели арматурного устройства учитывают их технические характеристики. Основными параметрами арматуры являются такие характеристики:

• материал корпуса — сталь или чугун;
• диаметр условного прохода, например, Ду 100, Ду 200;
• рабочее давление, например, Ру 16, Ру 25;
• рабочая среда — в том числе вода, пар, нефтепродукты и т.д.

Также важно оценивать технические характеристики электропривода, который используется для управления затвором. В том числе к числу основных параметров относятся:

• мощность электродвигателя — один из основных показателей, который зависит от Ду запорного устройства;
• значение крутящего момента на выходном валу — обычно указывается в виде диапазона;
• диапазон рабочих оборотов вращения выходного вала;
• рабочее электрическое напряжение;
• частота питания;
• масса электрического привода.

Кроме этого, важным критерием является климатическое исполнение корпуса, которое указывается на маркировке. Модели климатического исполнения «Т» рассчитаны на эксплуатацию при температуре от -10 до +50 °C, исполнения «У» — при температуре от -40 до +40 °C, исполнения «УХЛ» — при температуре от -60 до +40 °C.

Также важная характеристика — время полного закрытия/открытия затвора. Для многих моделей этот параметр составляет от 30 до 80 секунд.

Виды задвижек с электроприводом

Электропривод может устанавливаться на запорные задвижки разных типов. Они классифицируются по нескольким основным параметрам. Основные классификационные признаки — конструкция запирающего элемента и материал корпуса.

Конструкция запирающего элемента

По конструкции затвора трубопроводные задвижки с электрическим приводом бывают следующих типов:

• клиновые;
• дисковые (шиберные);
• параллельные.

Рассмотрим особенности устройства каждого из этих типов.

Клиновые задвижки

Клиновые задвижки — самый распространенный тип запорных устройств этой категории. Их отличие состоит в том, что затвор выполнен в форме клина. Его плоскости расположены параллельно плоскостям седла корпуса. При опускании клина в положение «закрыто» он плотно прижимается к седлу, полностью перекрывая проходной диаметр. При подъеме клиновой затвор открывает проход для потока рабочей среды.

Арматура этого класса обеспечивает высокую степень герметичности перекрытия потока рабочей среды. Они могут эксплуатироваться при значительном рабочем давлении транспортируемой по трубопроводу среды. Также к плюсам таких моделей относится плавный ход, сравнительно небольшая строительная длина.

Среди минусов клиновых запорных устройств можно назвать большую строительную высоту, значительную продолжительность цикла открывания и закрывания. Кроме этого, такие модели рассчитаны на чистую рабочую среду. Не допускается присутствие в ней загрязняющих частиц, что может вызывать нарушение герметичности затвора и создать аварию. 

Дисковые задвижки

Запирающий элемент этого класса имеет затвор в форме металлического диска. Когда электропривод вращает шток, диск передвигается вверх или вниз перпендикулярно потоку рабочей среды, разрезая ее.  В нижнем положении он полностью перекрывает поток среды, в верхнем положении — открывает его.

Конструкция дисковой задвижки позволяет использовать ее для эксплуатации с загрязненными рабочими средами. Это могут быть вязкие жидкости, а также жидкости, содержащие нерастворенные твердые включения. Благодаря этому такие модели могут применяться на трубопроводах водоотведения и канализации, на технологических трубопроводах с соответствующими параметрами рабочей среды.

При этом характерная конструкция запорных устройств с дисковым затвором отличается небольшой степенью герметичности, поэтому их нельзя устанавливать в трубопроводных сетях с высокими требованиями по данному параметру. Также эти модели не рассчитаны на работу с высоким давлением — не более 1,6 МПа.

Параллельные задвижки

В параллельных задвижках затвор выполнен в форме двух дисков. В отличие от клиновых моделей, эти диски расположены параллельно друг другу и к плоскостям седел. Прижим дисков к уплотнительным поверхностям седел выполняется при опускании штока с помощью клинового грибка или распорной пружины.

Этот тип арматурных устройств имеет характерные плюсы дисковых задвижек. При этом принцип их действия обеспечивает достаточно высокую степень герметичности и позволяет выдерживать повышенное давление потока рабочей среды. С другой стороны, такой принцип действия обуславливает сравнительно быстрый износ уплотнительных поверхностей. Поэтому параллельные модели запорных устройств рекомендуют устанавливать в тех случаях, когда режим эксплуатации не предполагает частое открывание-закрывание потока рабочей среды.

По материалу корпуса

Корпусные детали трубопроводных задвижек могут изготавливаться из чугуна и стали. Каждый тип имеет свои характерные плюсы и определенные минусы.

Чугунные

Для производства корпусных деталей запорной арматуры этого типа применяют высококачественный чугун. В том числе применяют такие виды чугуна:

• Высокопрочный (ВЧ). Кристаллическая решетка сплава содержит включения шарового графита. Это дает металлу повышенные механические характеристики, увеличивает износостойкость, прочность.
• Серый (СЧ). Содержит включения графита волокнистой формы. Обладает хорошей прочностью, повышенными литейными свойствами.
• Ковкий (КЧ). Мягкий, пластичный сплав с повышенной химической стойкостью.

Детали задвижек из чугуна изготавливают по технологии литья. Для защиты металла от коррозии применяют полимерное эпоксидное покрытие. Чугунная запорная арматура используется для эксплуатации на трубопроводах, транспортирующих неагрессивные или среднеагрессивные рабочие среды. В большинстве случаев их устанавливают в системах водоснабжения, теплоснабжения, на пожарных трубопроводах.

Чугун не поддается сварке. Присоединение к трубопроводу, как правило, выполняется фланцевым способом. Также применяют муфтовый способ присоединения. Чугун — сравнительно хрупкий сплав. Поэтому применение запорной арматуры ограничено условиями с температурой среды не выше +225 °C, рабочим давлением не выше 16 бар.

К плюсам таких моделей относят малое гидравлическое сопротивление, значительный срок эксплуатации, меньшая стоимость по сравнению со стальной арматурой. Также они могут применяться для прокачивания сред повышенной вязкости. При этом чугунные задвижки отличаются массивностью. Хрупкость сплава не позволяет эксплуатировать арматурные устройства при высоких давлениях. Также их нельзя применять для перекачки агрессивных сред.

Стальные

Для производства стальных задвижек чаще всего применяют сплавы следующих марок:

• Ст. 20 — марка стали увеличенной прочности и твердости. Может эксплуатироваться с жидкостями и паром при высоких температурах.
• 09Г2С — легированная сталь с высокой прочностью, хорошей морозостойкостью. Может использоваться в умеренно-холодном  холодном климате.
• 20юч — марка, предназначенная для эксплуатации с высокоагрессивными, токсичными и опасными рабочими средами.
• 12х18н10т — нержавеющая сталь, сохраняющая высокие эксплуатационные качества при температуре до +350 °C.

Стальные элементы корпуса имеют гладкую поверхность без неровностей, зацепов и других дефектов. Присоединение к трубопроводу может выполняться фланцевым и муфтовым способом. Также применяют приварное соединение.

Стальные задвижки благодаря значительной прочности материала могут эксплуатироваться в составе трубопроводных сетей, работающих под высоким внутренним давлением, они показывают повышенную стойкость к гидроударам. Кроме того, многие марки стали можно использовать в составе систем с агрессивными рабочими средами. Сталь обладает высокой морозостойкость, жаростойкостью. Это значительно расширяет возможную сферу применения трубопроводных задвижек. Такая арматура может работать при температуре перекачиваемых сред от -40 до 565 °C и при внутреннем давлении до 250 бар. Производят модели и с более широкими эксплуатационными диапазонами. Кроме этого, стальные запорные устройства поддерживают наиболее высокую герметичность.

При этом стальные задвижки уступают чугунным в антикоррозионной стойкости и стоят больше по сравнению с ними.

Типы электрических приводов

По конструкции и принципу действия бывают такие электроприводов запорной арматуры:

• Однооборотные (неполноповоротные). Осуществляют управление затвором за один оборот вала электродвигателя. Этот тип используется не на задвижках, а на арматуре, в которой полное перекрытие или открытие прохода выполняется при повороте штока на 90 °.
• Многооборотные. Вал электрического привода этого класса за рабочий цикл совершает несколько оборотов. Такие модели могут применяться на задвижках и других типах арматурных устройств. Они поддерживают плавность и точность перемещения запирающего элемента.

В зависимости от функциональности бывают другие виды электроприводов задвижек. Например, интегрированный привод — устройство, которое в штатной комплектации оснащается электронным контроллером. Это помогает легко встраивать его в действующую систему автоматизированного управления.

Кроме этого, выделяют электроприводы во взрывозащищенном исполнении. Их конструкция исключает выход за пределы корпуса искры, которая образуется при включении и отключении электродвигателя. Это позволяет работать оборудованию во взрывоопасных технологических условиях. В том числе задвижки с этим типом привода устанавливают на производственные и пожарные трубопроводы предприятий химической, нефтегазовой промышленности.

Монтаж задвижки с электроприводом

Установку должны выполнять монтажники достаточного уровня квалификации. Исполнители должны быть знакомы с правилами установки трубопроводной арматуры и схемой подключения электропривода задвижки. Перед установкой запорное устройство расконсервируют, снимают заглушки, удаляют излишки смазки, проверяют работоспособность. Также необходимо проверить, чтобы условный диаметр и рабочее давление задвижки соответствовали параметрам трубопровода.

Задвижку устанавливают вертикально или горизонтально. Не допускается ее монтаж штоком вниз, поскольку в таком положении во внутренней камере будет скапливаться грязь и шлам. Это приводит к заклиниванию шпинделя. Для моделей с условным диаметром свыше 100 мм, предусматривается установка неподвижной опоры.

Чугунные задвижки, как правило, монтируют фланцевым присоединением к трубопроводу. Реже используется муфтовое соединение. При установке стальных моделей обычно используется соединение под приварку. Также для некоторых моделей применяют фланцевое и муфтовое соединение.

После монтажа арматурного устройства выполняется подключение электроприводов задвижки и сборка схемы управления. Работы производятся в соответствии с чертежом электропривода задвижки. Схема управления состоит из силовой части, которая обеспечивает подачу электроэнергии на двигатель, и автоматики, непосредственно осуществляющей управление работой привода. В том числе средства автоматики осуществляют передачу управляющего сигнала с выносного или местного пульта управления, с блокирующих и защитных устройств, обеспечивают интеграцию электрического привода в общую систему автоматизации или диспетчеризации. Электрическая часть и средства автоматики размещаются в защищенном шкафу, который устанавливается недалеко от задвижки или на безопасном расстоянии от нее в случае монтажа арматуры во взрывоопасных условиях.

После установки выполняется проверка работоспособности задвижки с электроприводом. Контролируется работа запорного устройства и средств управления во всех режимах. В том числе обязательно проверяется функционирование ручного дублирующего устройства, которое позволяет сохранить управляемость задвижки в случае перебоев с электроснабжением. Также после монтажа проводятся комплексные гидравлические или пневматические испытания установленного арматурного устройства в составе трубопровода. В рамках этих испытаний проверяется герметичность присоединения задвижки. При выявлении протечек не допускается их устранение подтягиванием резьбовых соединений. В этом случае запорное устройство необходимо демонтировать и установить повторно. После успешного прохождения проверок и испытаний установленная задвижка принимается в эксплуатацию.

Периодические проверки работоспособности

Для электроприводной запорной арматуры установленной на основных пожарных насосах и вспомогательных пожарных насосных агрегатах, а также на обводных линиях водомерных узлов, действует требование по периодической проверке технического состояния и работоспособности. Это требование установлено положениями Правил противопожарного режима в РФ. Периодичность проверки задвижки с электроприводом — не реже двух раз в год. Результаты проведенной проверки должны заноситься в специальный журнал. В том числе в «Журнале проверки работоспособности задвижек с электроприводом и пожарных насосов» указывается дата проведенной проверки, параметры технического состояния проверяемого оборудования.

В соответствии с положениями СП 30.13330.2012 задвижки, установленные на внутреннем пожарном водопроводе, обязательно должны оснащаться электроприводом. В то же время положениями СП 30.13330.2012 устанавливается, что запорная арматура на обводной линии водомерного узла также комплектуется электрическим приводом. Это позволяет обеспечить автоматическое или дистанционное ручное включение.

Требованиями СП 10.13130.2009 устанавливается, что включение насосов пожарного водопровода или пожарного крана и открытие задвижки с электроприводом должны осуществляться одновременно. Поэтому в ходе проверки обязательно проверяется срабатывание электропривода запорного устройства одновременно с включением основных элементов противопожарной системы.

Журнал проверки ведется на всех участках, оборудованных электроприводной арматурой. Заполнять его должна организация, осуществляющая техническое обслуживание оборудования.

Преимущества и недостатки задвижек с электроприводом

Функции задвижки, оснащенной электроприводом, аналогичны функциям традиционной арматуры с ручным управлением. Однако благодаря используемому принципу регулировки они обладают такими основными плюсами:

• Управление арматурным устройством без приложения физических усилий со стороны оператора.
• Возможность управления задвижками на трубопроводах большого диаметра, работающих под высоким внутренним давлением. Отсутствуют ограничения по этим параметрам.
• Высокая скорость перекрытия и открытия потока рабочей среды.
• Малый уровень гидравлического сопротивления, что повышает эффективность транспортировки рабочей среды.
• Минимизация рисков гидроударов благодаря плавному ходу запирающего элемента, управляемого электрическим приводом.
• Возможность организации автоматизированного или дистанционного управления запорным устройством.
• Эффективное управление задвижкой в труднодоступных местах.
• Возможность управления арматурным устройством, установленным в месте с опасными или вредными условиями для персонала.

К минусам задвижек, оборудованных электрическим приводом, относят их цена, которая существенно выше по сравнению с моделями с ручным управлением. Кроме того, это оборудование отличается более сложным монтажом. Также среди недостатков можно выделить зависимость аппаратуры от электроснабжения. При отключении электроэнергии привод перестает работать. В этом случае управлять запирающим элементом можно только с ручным дублирующим механизмом. Однако такое управление может быть сильно затруднено при установке оборудования на трубопроводе большого диаметра.