А.С.Плешков. Пневматический клапан блокировки как элемент повышения надежности при эксплуатации ТПА
Пневматический и электрический приводы (исполнительный механизм) трубопроводной арматуры являются самыми распространенными типами приводов. Преимущества и недостатки, такие как быстродействие, ресурс, модульность конструкции, вышеуказанных типов приводов широко известны, обсуждены и классифицированы и не являются предметом обсуждения в данном материале. В данной статье хотелось бы обсудить не столь очевидные технические особенности и аспекты применения пневматического привода для управления трубопроводной арматуры.
Электрический привод в общем случае представляет собой электродвигатель с понижающим редуктором. Электродвигатель и редуктор конструктивно могут быть изготовлены различных типов, но в любом случае основная функция редуктора – снизить скорость (частоту) вращения от несколько тысяч оборотов в минуту на выходном валу электродвигателя до нескольких оборотов на выходном валу привода. Именно за счет наличия редуктора электрический привод трубопроводной арматуры, за исключением незначительного ряда специальных приводов с высокими скоростями выходного вала и приводов для специальной арматуры, имеет свойство самоблокировки. Это означает, что запорный или регулирующий элемент трубопроводной арматуры не может самопроизвольно переместиться под действием рабочей среды или силы тяжести при отсутствии напряжения, поданного на статор электродвигателя электропривода. Простыми словами, если остановить вращение электропривода в среднем положении запорного или регулирующего элемента трубопроводной арматуры, то он останется в текущем положении даже при воздействии на него внешних сил – рабочей среды, силы тяжести и т. д. – неограниченное время.
Перемещением закрепляющего элемента (ЗЭл) или регулирующего элемента (РЭл) вследствие наличия люфтов в шестернях передачи редуктора можно пренебречь из-за незначительности.
Конструктивно пневматический привод ТПА кардинально отличается от электрического. При воздействии управляющей среды за счет избыточного давления на плоскость поршней они перемещаются и, взаимодействуя за счет зубчатой (или кулисной) передачи без понижения скорости непосредственно на выходной вал пневмопривода, приводят его в движение. Во всей вышеописанной кинематической схеме есть явное отличие от электропривода. Это отсутствие понижающего редуктора. Таким образом и свойства самоблокировки в пневматическом приводе нет. А вероятность самопроизвольного воздействия рабочей среды на ЗЭл или РЭл при применении ТПА с пневмоприводом такая же, как и с электрическим.
Соответственно, возникает техническая проблема – в процессе эксплуатации ТПА с пневматическим приводом при отсутствии управляющей среды – в данном случае давления сжатого воздуха – ЗЭл или РЭл может самопроизвольно перемещаться. Это нештатная, а в большинстве случаев аварийная ситуация.
Полумерой решения данной технической проблемы является применение пневматических приводов с пружинным возвратом. При таком типе привода в момент отсутствия штатного воздуха КИП в воздушной полости привода пружина в пружинной полости разжимается и переводит привод в конечное положение. В данном конечном положении ЗЭл или РЭл не сможет самопроизвольно переместиться за счет воздействия пружины на поршень с большим усилием, даже в разжатом положении. Но это полумера, так как пружины априори переводят ЗЭл или РЭл в конечное положение. То есть данное решение не применимо в тех случаях, когда, согласно требованиям технологии, РЭл должен остаться в текущем положении.
Единственный способ решения проблемы блокировки РЭл в текущем положении при отсутствии управляющей среды – это блокировка воздуха КИП в полостях привода. Желательно одномоментно с прекращением подачи штатного воздуха КИП в систему управления пневмопривода ТПА. Соответственно, при наличии давления воздуха в полостях привода РЭл не сможет самопроизвольно переместиться.
Для реализации функции блокировки изобретен и активно применяется пневматический элемент – клапан блокировки (lock up valve). По сути это пневматический распределитель с пневматическим управлением. Алгоритм работы достаточно прост.
В схемотехнике клапан блокировки обычно располагают непосредственно перед приводом, после всех управляющих пневматических элементов.
В данной пневматической схеме существует важный, но не очевидный момент, сильно влияющий на безопасность эксплуатации ТПА с применением данного технического решения. Пневматические элементы и пневматические линии не могут иметь стопроцентную герметичность. С течением времени за счет утечек в пневмоэлементах, фитингах, пневмомагистралях давление в пневмоприводе упадет. Практический опыт и ряд экспериментов показал, что в приводе с объемом полостей 20 кубических литров избыточное давление 6 бар снижается до атмосферного в течение 8 часов.
За данный временной период эксплуатирующий персонал должен принять меры к восстановлению давления КИП и возврату к штатному режиму эксплуатации или предпринять меры, направленные на недопущение самопроизвольного изменения положения ЗЭл или РЭл иными способами.
Самый действенный из данных способов – введение в эксплуатацию ручного дублера пневмопривода. Введение в зацепление червячное колесо с червяком маховика ручного дублера позволяет за счет самоторможение ручного дублера исключить эффект самопроизвольного изменения положения ЗЭл или РЭл ТПА.
Дополнительным плюсом применения клапана блокировки является возможность блокировки при конкретном давлении воздуха КИП. Для примера: если пневмопривод рассчитан для работы при давлении 6 бар, то при пониженном давлении воздуха КИП момент привода будет меньше расчетного и его может не хватить для нормального управления ТПА. Настройка клапана блокировки на конкретное значение давления позволяет исключить риск работы пневмопривода на пониженном давлении и, как следствие, нехватку момента.
Основные технические выводы
• Существует риск самопроизвольного перемещения ЗЭл или РЭл ТПА при применении ТПА с пневмоприводом.
• Для предотвращения самопроизвольного перемещения ЗЭл или РЭл ТПА при применении ТПА с пневмоприводом в пневматическую схему вводят клапан блокировки.
• Блокировка воздуха КИП в полостях привода имеет временные ограничения.
• Целесообразно применение ручного дублера с пневмоприводом. (ред.)