ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

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

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 (1)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 (ру) - 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. Некоторые све­дения об указанных материалах приведены в главе 9.

Основными факторами, определяющими выбор материала для труб и арматуры, являются: достаточная механическая прочность, тем - пературостойкость, 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), кованопрессованные и кова - носверленные.

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 же - растровое 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.

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

Стальные, алюминиевые, свинцовые и титановые трубы чаще всего со­единяются сваркой встык (рис. 14.1). Трубы из цветных металлов, их спла-
bob 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). Конструкция фланцев меняется в зависимости от материала трубы, рабочего давления в трубопроводе, температуры рабочей среды и 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 (рис. 14.5): отвод (а), колено (б), двойник (в), тройник (г), крестовина (д) и переход (е).

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.

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.

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. Конструкции наиболее распространенных компенсаторов приведены на рис. 14.8.

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.), состоя­
щий из седла и перемещающегося или поворачивающегося относитель­но него затвора (золотника).

а б

По конструкции корпуса арматуру подразделяют на проходную, в которой среда не меняет направления своего движения на выходе по сравнению с 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 кото­
рой 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-поступательно вместе со шпинделем относительно сед­ла (рис. 14.10). Вентили выполняются с ручным управлением или с электроприводом. На трубопроводе вентили 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. Заслонки 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).

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

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.

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

Фазоразделительная арматура состоит в основном из конденса - тоотводчиков, используемых для вывода из трубопроводной системы конденсата. В настоящее время преимущественно используют термоста­тические и поплавковые конденсатоотводчики.

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 ис­пользовать 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.