Широко применяются стальные сварные и бесшовные трубы горячекатаные, холоднокатаные и холоднотянутые. Изготавливают трубы из углеродистых сталей, низколегированных, легированных, высоколегированных, кислотостойких и жаропрочных сталей. Трубы изготавливают также из меди, латуни, свинца, керамики, стекла, фарфора, пластмасс (винипласт, полиэтилен, полипропилен, фаолит и др.). Все более широко применяют титановые трубы. Внутреннюю поверхность стальных труб защищают полиэтиленом, винипластом, эмалью, стеклом, резиной (гуммирование). К соединительным деталям трубопроводов относят привариваемые колена, переходники, тройники, также используют фланцевые соединения с приварными и резьбовыми фланцами (для высокого давления). ТТ подвержены температурным деформациям, поэтому для их компенсации предусматриваются П-образные, линзовые, сальниковые компенсаторы.
ТТ укладываются на опоры, подвески, скобы, хомуты (подвижные и неподвижные). Межцеховые трубопроводы объединяются и монтируются на эстакадах - металлоконструкциях или железобетонных опорах. Арматурой ТТ, равно как и машин, аппаратов, емкостей и другого оборудования, являются заслонки, краны, вентили, задвижки, клапаны и др. При этом 80 % арматуры - запорная для перекрытия потока среды, регулирующая - для изменения расхода потока, защитная (аварийного действия) - для автоматического отключения ТТ или их участков, а также оборудования, фазоразделительная -для удаления конденсата из паро- и газопроводов (конденсатоотводчики), специальная - обратные клапаны, огнёпреградители, предохранительные клапаны, регуляторы давления (дроссели), расходомеры, датчики и др.
Арматура включает три основных элемента', корпус, привод и рабочий орган (запорный, регулирующий и др.), состоящий из седла и перемещающегося или поворачивающегося относительно него затвора (золотника). Корпус арматуры присоединяется к трубопроводу (аппарату) с помощью чаще фланцевого, муфтового (на резьбе) соединений или реже сварки (неразъемное соединение). Герметизация сопряжения рабочего органа с корпусом арматуры обеспечивается сальниковым устройством, сильфоном, мембраной и др. Привод рабочего органа может быть ручным, электрическим, гидро- и пневматическим, комбинированным и др.
Запорная арматура объединяет краны, вентили, задвижки и заслонки. Кран имеет затвор в форме тела вращения (пробка - цилиндр и усеченный конус или шар-сфера). Затвор, который может иметь отверстие разной формы, поворачивается вокруг своей оси и открывает или закрывает проход для потока. Вентили имеют затвор в виде плоского или конического диска (золотника), который перемещается возвратно-поступательно вместе со шпинделем привода относительно седла, поток под давлением поступает под золотник. В задвижке затвор в виде диска или клина перемещается вдоль уплотнительных поверхностей корпуса перпендикулярно оси потока, шпиндель может быть выдвижным или невыдвижным. Для открытия или закрытия задвижек необходимо большое число оборотов шпинделя, поэтому задвижки большого диаметра обычно имеют электропривод. У заслонок затвор выполнен в виде диска, поворачивающегося на перпендикулярной потоку оси. Их используют обычно при больших диаметрах трубопровода при малом давлении потока и при низких требованиях к герметичности перекрытия потока.
Регулирующая арматура - это прежде всего регулирующие клапаны и вентили, смесительные клапаны, редукционные клапаны (дроссели) и регуляторы уровня. В системах автоматического регулирования клапаны управляют (изменяют) расходом потока в соответствии с поступающей командой (электрической или пневматической). Затворы в регулирующей арматуре выполняются в виде поднимающегося конического штока (иглы) или поворачивающегося вокруг своей продольной оси шарового или сегментного клапана.
Объем работ по монтажу ТТ в общем объеме монтажных работ при сооружении промышленных объектов весьма значителен и достигает в химической промышленности 30-40 %, а на нефтеперерабатывающих заводах - до 55-60 %.
За последние десятилетия трубопроводная арматура претерпела существенные изменения в конструкции, применяемых материалах корпуса, привода и уплотнительных устройств, эксплуатационном техническом обслуживании и в выполняемых функциях (например, обеспечение технической диагностики, использование встроенного микропроцессора и др.). Современная ответственная трубопроводная арматура отвечает возросшим требованиям охраны окружающей среды, обеспечения безопасности эксплуатации промышленного производства и имеет конструктивные возможности телекоммуникационного соединения с необходимыми устройствами (расходомеры, уровнемеры, датчики, клапаны, позиционеры, контроллеры и др.) регулирования и управления для построения и эксплуатации распределенных (встроенных) управляющих систем (комплексов) для слежения (регистрации, сигнализации) за контрольными параметрами (показателями) работы технологического оборудования, а также для регулирования (управления) и оптимизации этих параметров.
Среди международных лидеров по проектированию и изготовлению трубопроводной арматуры выделяется компания-группа «Dresser Flow Control» (США) с входящими в нее фирмами «Becker Precision Equipment», «Consolidated», «Grove», «Ledeen», «Masoneilan», «Texsteam», «Wheatley» и др. Всемирное признание также получила продукция фирм «Fisher Controls» и «Foxboro» (США), «Neles-Jamesbury» (Финляндия), «Sempell» (Германия), «Danfoss» (Дания), «Honeywell Control Systems» (Великобритания) и др.
Наиболее характерные особенности современной трубопроводной арматуры, сопутствующих контрольно-измерительных приборов и управляемых устройств приведем на примере некоторых ее образцов. Например, отдельные параметры распространенной арматуры названных выше фирм для магистральных нефте- и газопроводов, морских платформ и подводных установок, трубопроводов в добыче, хранении и переработке нефти и газа, для низкотемпературных (криогенных) производств, для энергетических установок (в том числе и для АЭС), а также для сред с высоким содержанием сероводорода таковы: задвижки полнопроходные шиберные литые или сварные на диаметр условный Dy 150-600 (1000) мм и давление условное Ру до 25 МПа; краны шаровые Dy 50-1500 мм и Ру до 25 МПа; краны пробковые Dy 50-600 мм и Ру до 25 МПа; затворы дисковые Dy 150-2600 мм и Ру до 1,6 МПа, а также Dy 100-600 мм и Ру до 10 МПа; заслонки поворотные Dy 80- 1000 мм и Ру до 25 МПа; регуляторы давления Dy 6-100 мм и Ру до 40 МПа, при этом температура потока от минус 60 до 200 °С, температура окружающей среды от минус 60 до 50 ° С.
Для низкотемпературных установок арматура специального исполнения выдерживает температуру потока минус 140 - минус 200 °С и ниже даже до минус 270 °С; специальная арматура может выдерживать рабочую температуру до 600 и даже 800 °С. Наибольший прогресс наблюдается в конструкциях регулирующих клапанов. Например, универсальный автоматический регулирующий клапан «Camflex» фирмы «Masoneilan» представляет концепцию, внедрение которой позволило совершить радикальные изменения в промышленности. Эксцентрически поворачивающийся сегментный затвор позволяет сочетать преимущества вращательного движения с лучшими свойствами традиционных подъемных плунжерных регулирующих клапанов. Сегментный затвор, обеспечивающий герметичное перекрытие прохода клапана, при соприкосновении плунжера-затвора с седлом корпуса удаляет (шабрирую-щий эффект) с уплотнительных поверхностей образующиеся механические твердые частицы (песок, кокс и др.), слой кристаллизующегося или полиме-ризующегося вещества, а также волокнистого материала (например, целлюлозная масса до 8-19 %) из проходящих загрязненных потоков. Возможно применение клапана для температур потока от минус 200 до 400 °С.
Современные регулирующие клапаны и относящиеся к ним контрольноизмерительные приборы всегда имеют сертификацию ISO 9000, что гарантирует герметичность клапана по классам IV (0,01 % от пропускной способности), V и даже VI по стандарту ANSI В16.104 (Американский национальный институт стандартов); наличие дублирующих (двойных) сальников уплотнения плунжера для полного исключения утечки рабочего потока в окружающую среду; эффективность антишумовых затворов и устройств для уменьшения кавитации и вибрации', широкий диапазон регулирования потока (100:1 или 150:1); применение дорогих материалов при эксплуатации в агрессивных, высокотемпературных или низкотемпературных потоках (в том числе с большим содержанием сероводорода) и в агрессивной окружающей среде, а также для уменьшения эрозии корпуса и затвора при работе на средах, содержащих твердые включения.
Для регулирующих клапанов микрорасхода с настраиваемой пропускной способностью серии «Varipak» фирмы «Masoneilan» диапазон регулирования может быть 200:1 и 500:1 для Dy 15-25 мм и Ру до 25-42 МПа, а температура потока - от минус 200 (270) до 350 °С. Регулирующие многоступенчатые ан-тикавитационные клапаны высокого давления с затвором лабиринтного типа «Masoneilan» уменьшают эрозию внутри корпуса и шум при дросселировании жидкостей высокого давления, а затвор типа «VRT» (Variable Resistance Trim) имеет набор пластин с отверстиями, смещенными друг относительно друга. Число отверстий в пластинах увеличивается по ходу потока, что приводит к плавному высокоточному регулированию расхода потока без кавитации, при этом Dy 25-150 мм и Ру до 10-42 МПа, а диапазон регулирования 50:1 для Dy 25-50 мм и 100:1 для Dy 80-150 мм.
С 1986 г. фирма «Neles-Jamesbury» успешно применяет принцип «Q-Trim» (Quiet - успокоитель, Trim - регулятор) - поворотный самоочищающийся сегментный клапан (затвор) с успокоителем в виде набора пластин с отверстиями для многоступенчатого плавного снижения давления потока, при этом с поворотом сегментного затвора поворачиваются на такой же угол успокоительные пластины (в этом особенность патента фирмы). Принцип «Q-Trim» устраняет почти полностью кавитацию, которая порождает вибрацию (она уменьшается на 90 %) и возможность серьезного повреждения клапана и трубопровода, а также существенно снижает шум (на 20-30 дБ). Срабатывание клапана происходит быстрее (например, производственный цикл уменьшается на 3 мин.), увеличивается диапазон регулирования даже на малых расходах потока, т. е. при малых углах открытия затвора клапана, повышается пропускная способность клапана, расширяются эксплуатационные возможности одного и того же типа (модели) клапана, уменьшается количество типоразмеров клапанов на одной технологической установке, упрощается техническое обслуживание и ремонт таких клапанов.
Размеры клапана обычно в 2-3 раза меньше по сравнению с традиционными плунжерными подъемными клапанами, уменьшается также масса клапана, количество опор и др. Срок службы клапана увеличивается в 4-5 раз за счет снижения эрозии, применения износостойких материалов, упрощения конструкции деталей и узлов клапана и повышения надежности их эксплуатации и др. Клапаны не требуют технического обслуживания в течение 3 и более лет, они могут быть изготовлены также в огнестойком исполнении в соответствии со стандартами по пожаропрочности API 607 (США) или BS 6755 (Европейский союз). Этим качеством редко обладают даже современные моделируемые регулируемые клапаны, хотя данный фактор завоевывает все большее внимание наиболее современных НПЗ, НХЗ и энергетических объектов в мире.
Применяются также конструкции со сферическим клапаном «Q-Ball», которые долгое время работают без технического обслуживания. Клапаны аварийного действия (АД) с возможностью их проверки на линии отличаются высокой надежностью на быстрое срабатывание (нормально открыто или нормально закрыто) в аварийной ситуации (например, возникшая неисправность на линии, пожар и др.). Такие клапаны применяются для местного использования, а также для автоматического использования с пульта управления технологической установки (цеха). Клапаны АД отличаются повышенной герметичностью, высокой износостойкостью, пожаропрочностью и огнестойкостью (клапана и его привода). Проверка системы клапанов может проводится регулярно по сигналу из диспетчерской или в режиме самодиагностики.
Например, клапаны аварийного сброса газового потока на факел или прямого выброса в атмосферу нормально закрыты около 99 % времени эксплуатации. Протечки газового потока при этом представляют или потери дорогого продукта, или выбросы вредных (и даже ядовитых) потоков, что недопустимо. При внезапном срабатывании (открытии) клапана АД высвобождается большая энергия, порождающая шум, кавитацию и вибрацию, чему клапан должен противостоять. Поворотные заслонки с плоским диском эллиптической формы обеспечивают также высокую герметичность как при регулировании, так и при полном перекрытии (отсечка) потока с Dy 125-1200 мм и Ру до 2,5 МПа. Мембранные приводы с возвратной пружиной для управления поворотным клапаном надежно работают в режиме регулирования и в режиме отсечки потока даже при минимальном давлении питания привода. Для управления клапаном агентом питания может быть не только воздух давлением до 0,7 МПа, но и газ, вода, нефть, нефтепродукт или другая среда, совместимая с материалом привода.
Современные конструкции специальных устройств, устанавливаемых на трубопроводах и связанных обычно с регулируемым клапаном, также сильно изменились. Например, ультразвуковой расходомер жидкости комплектуется акустическим денсиметром для измерения плотности и вычислительным устройством для определения объемного и массового расхода и массы жидкого потока, в том числе с нарастающим значением. При этом обеспечивается архивирование данных в течение года, местные и дистанционные измерения, передача показаний дистанционно и подключение к компьютеру, повышенная точность (0,15-0,35 %), взрывозащищенное исполнение для использования во взрывоопасных зонах.
Датчик-контроллер уровня фирмы «Masoneilan» действует по принципу буек-торсионная трубка, при котором уровень жидкости изменяет массу буйка и поворот стержня в магнитном поле с изменением электрического тока в измерительном контуре. Аналоговый сигнал преобразуется в исключающий ошибки цифровой, который может быть обработан встроенным микроконтроллером. Цифровой датчик или контроллер уровня обеспечен телекоммуникацией выходного сигнала, он сочетает простоту калибровки и регулировки с высокими техническими характеристиками. Оператор имеет дистанционную или местную связь с устройством, что позволяет ему выполнять его калибровку, настройку сигнализации и другие действия, не покидая операторского помещения. Контроллер уровня способен посылать управляющий телекоммуникационный сигнал регулирующему клапану для автоматического управления уровнем жидкости в любом аппарате или другом оборудовании. Интеллектуальные функции устройства: самонастройка сглаживающего эффекта при быстрых колебаниях уровня жидкости, настраиваемая сигнализация низкого и высокого уровня жидкости; настраиваемый «отказобезопасный» выходной сигнал; непрерывная самодиагностика для датчика уровня; непрерывная запись получаемых данных; цифровая компенсация температуры окружающей среды; сохранение последних данных настройки и калибровки в энергонезависимой памяти даже в случае отказа подачи электропитания; сохранение и демонстрация случившихся неполадок; имитация выходного сигнала для проверки контура. Устройство может эксплуатироваться при температуре окружающей среды от минус 40 до 80 °С и для температуры рабочей среды от минус 210 до 450 °С, а также для диапазона плотности жидкости от 0,2 до 1,4. Электронная головка устройства может быть изготовлена в искробезопасном и взрывозащищенном исполнении, а также с необходимой пылевлагозащитой.
Современные конструкции регулирующих клапанов и другой арматуры позволяют использовать телекоммуникации для повышения качества регулирования (снижение колебательности, высокая точность, быстродействие, широкий диапазон, обработка и сохранение данных, самодиагностика), а также для новых возможностей и функций с включением их в контуры контроля, регулирования и управления с помощью микропроцессора-контроллера в распределенных системах автоматического управления технологическими процессами. Такие интеллектуальные самоуправляемые и самодиагностирую-щие системы используют цифровые контроллеры, которые еще более повышают надежность и безопасность технологических процессов.