Глава 14 ТРУБОПРОВОДЫ И ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА
На предприятиях химической промышленности трубопроводы являются неотъем-
лемой 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 соеди-
нений;
- тепловые и газовые сети, используемые для подвода инертного газа или пара;
- линии водоснабжения и канализации.
В зависимости от расположения по отношению к оборудованию трубопроводы де-
лят 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 агрега-
ты 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 значе-
ниями 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-экономи-
ческом 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 (Dу) - 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.
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 трубо-
проводная 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 переме-
щаться 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 - ограничи-
тельные 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 приме-
нения 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 ми-
нимальное гидравлическое сопротивление, надежное уплотнение затвора и допус-
кает 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 нескольки-
ми расходящимися потоками, в последнем случае используют трех - или четырехходовые краны.