Байонетные быстродействующие затворы: классическая и компактная вставная конструкция

Автор: Усуев Заур Мухтарович
ООО НПФ «Новапром»

Аннотация

Быстродействующие затворы применяются в оборудовании под давлением для обеспечения оперативного доступа во внутреннюю полость аппарата без демонтажа многоболтовых фланцевых соединений. Одним из наиболее эффективных способов силового запирания является байонетный принцип, при котором крышка вводится в корпусную часть затвора и после ограниченного углового поворота её силовые элементы входят в зацепление с ответными элементами корпуса.

В статье рассмотрены два конструктивных исполнения данного принципа: классические байонетные затворы ЗК-НП производства ООО НПФ «Новапром» и компактные быстродействующие затворы вставного типа с байонетным силовым зацеплением международной линейки.

Обе конструкции предназначены для восприятия значительных осевых нагрузок от внутреннего давления, однако отличаются геометрией силовых элементов, осевыми габаритами, диапазонами диаметров и областью рационального применения.

Ключевые слова: байонетный затвор, быстродействующий затвор, вставной затвор, концевой затвор, сосуд под давлением, байонетное зацепление, ЗК-НП.

1. Байонетный принцип силового запирания

Основным признаком байонетного соединения является фиксация двух деталей посредством сочетания осевого перемещения и последующего ограниченного углового поворота.

Применительно к быстродействующему затвору последовательность работы выглядит следующим образом:

1. крышка устанавливается относительно корпусного фланца;
2. силовые элементы крышки совмещаются со свободными участками ответного профиля;
3. крышка перемещается в осевом направлении в рабочую зону;
4. выполняется поворот крышки на установленный конструкцией угол;
5. несущие поверхности крышки и корпуса входят в силовое зацепление.

После закрытия внутренняя среда создаёт осевую нагрузку на крышку:

F = P × A

где F — результирующее осевое усилие, действующее на крышку; P — внутреннее давление; A — эффективная площадь проёма затвора.

Основная нагрузка от внутреннего давления воспринимается силовыми элементами крышки и корпусного фланца. Поворотный механизм и шарнир крышки предназначены для перемещения, позиционирования и управления крышкой и не являются основными элементами, воспринимающими давление.

2. Классический байонетный затвор ЗК-НП

В байонетных затворах серии ЗК-НП, разработанных и изготавливаемых ООО НПФ «Новапром», применяется классическая конструкция с крупными силовыми зубьями.

На крышке и корпусной части затвора выполняются ответные байонетные элементы. При закрытии крышка вводится на заданную глубину, после чего выполняется ограниченный поворот. Силовые зубья крышки заходят за ответные зубья корпуса и формируют замкнутую систему передачи осевой нагрузки.

Основные особенности конструкции ЗК-НП

• крупные силовые байонетные зубья с развитой контактной поверхностью;
• понятная и визуально контролируемая геометрия механизма запирания;
• возможность проектирования затворов больших диаметров;
• возможность индивидуальной адаптации геометрии под конкретный аппарат;
• применение при высоких расчётных давлениях;
• высокая ремонтопригодность и доступность силовых элементов для контроля;
• проектирование и производство на территории Российской Федерации.

Линейка байонетных затворов ЗК-НП может изготавливаться для оборудования до DN1400 при расчётном давлении до 25 МПа. Конкретное сочетание диаметра и давления определяется прочностным расчётом.

Для специальных проектов возможно проектирование конструкций диаметром DN1800–DN2000 при условии подтверждения заданных параметров расчётом прочности, выбора соответствующих материалов и конструктивного исполнения аппарата.

Одним из основных преимуществ классической схемы ЗК-НП является возможность её масштабирования для крупногабаритного оборудования.

3. Компактный затвор вставного типа с байонетным зацеплением

Второе рассматриваемое конструктивное решение представляет собой быстродействующий затвор вставного типа с байонетным принципом силового запирания.

По кинематическому принципу его работа соответствует классическому байонетному соединению:

осевой ввод крышки → ограниченный поворот → силовое зацепление.

Основное отличие заключается в геометрии несущих элементов. Вместо сравнительно крупных одиночных зубьев применяется более компактный распределённый секторный профиль, расположенный по окружности крышки и корпусного элемента.

После установки крышки и её поворота ответные поверхности профиля входят в зацепление. Внутреннее давление стремится переместить крышку наружу, а возникающее осевое усилие воспринимается системой контактных поверхностей вставного байонетного профиля.

Такая конструкция относится к тому же общему принципу быстродействующего байонетного запирания, но отличается более компактной геометрией силового узла.

4. Почему вставное исполнение компактнее

В классической крупнозубой конструкции высота силовых зубьев определяет необходимую глубину первоначального ввода крышки. До начала поворота зубья крышки должны пройти свободные участки ответного профиля корпуса.

Поэтому увеличение размеров силовых элементов может приводить к увеличению глубины посадочной зоны и осевой длины корпусного элемента.

Во вставном исполнении нагрузка распределяется между большим количеством более компактных контактных участков. Это позволяет уменьшить осевую высоту отдельных элементов зацепления и сократить требуемое перемещение крышки при закрытии.

В результате образуется более компактный по оси узел запирания, что является одним из основных преимуществ данного исполнения.

5. Силовая работа вставного байонетного зацепления

Несмотря на меньший размер отдельных элементов, принцип восприятия нагрузки остаётся аналогичным классическому байонетному соединению.

После закрытия осевая нагрузка передаётся по следующей силовой цепочке:

крышка → силовые поверхности байонетного профиля → корпусной элемент → обечайка аппарата.

Несущая способность определяется совокупностью следующих факторов:

• количеством одновременно работающих участков зацепления;
• суммарной площадью силового контакта;
• геометрией профиля;
• контактными напряжениями;
• сопротивлением элементов срезу и изгибу;
• прочностью крышки;
• прочностью корпусного элемента;
• характеристиками применяемого материала;
• качеством механической обработки;
• равномерностью распределения нагрузки по окружности.

Таким образом, уменьшение размеров отдельного силового элемента не означает снижения несущей способности конструкции. Нагрузка распределяется между большим количеством контактных поверхностей, а допустимые параметры определяются расчётом всей системы зацепления.

6. Сравнение классического и вставного исполнения

7. Область рационального применения ЗК-НП

Классический байонетный затвор ЗК-НП является рациональным решением для проектов, где требуется:

• большой диаметр проходного сечения;
• индивидуальная геометрия затвора под конкретный аппарат;
• высокая несущая способность;
• возможность изменения параметров силового зацепления по результатам расчёта;
• интеграция затвора непосредственно в проектируемое оборудование;
• применение диаметров более DN1000;
• российское производство и техническое сопровождение.

Классические байонетные затворы особенно эффективны для крупногабаритных фильтров, сепараторов, камер запуска и приёма внутритрубных устройств и других аппаратов, где размер быстродействующей крышки превышает диапазон стандартных серийных решений.

8. Область рационального применения компактного вставного исполнения

Компактное вставное исполнение с байонетным принципом запирания является рациональным решением в случаях, когда необходимы:

• минимальный осевой габарит;
• компактность узла запирания;
• высокое расчётное давление;
• быстрый доступ во внутреннюю полость оборудования;
• отсутствие наружного силового хомута;
• небольшое осевое перемещение крышки;
• серийно отработанная конструкция.

Для международной линейки рассматривается диапазон до DN1000 и расчётного давления до 30 МПа в зависимости от конкретного сочетания параметров.

Компактное исполнение особенно удобно при ограниченной строительной длине оборудования и в плотных технологических компоновках.

9. Две геометрии одного байонетного принципа

Классический ЗК-НП и компактный вставной затвор представляют собой две реализации одного общего принципа быстрого силового запирания.

Классический байонетный ЗК-НП

Конструкция ориентирована на масштабируемость, большие диаметры, индивидуальное проектирование и применение крупных, хорошо контролируемых силовых элементов.

Компактное вставное исполнение

Конструкция ориентирована на уменьшение осевого габарита и распределение нагрузки между большим количеством компактных контактных поверхностей.

Таким образом, речь идёт не о замене одной конструкции другой, а о двух взаимодополняющих инженерных решениях с различной областью оптимального применения.

10. Безопасность эксплуатации

Быстродействующий затвор является частью силовой границы оборудования под давлением. Поэтому для обеих конструкций принципиальное значение имеет исключение возможности вывода крышки из силового зацепления при наличии внутреннего давления.

Эксплуатационная безопасность определяется совокупностью следующих факторов:

• прочностным расчётом;
• материалом силовых элементов;
• надёжностью зацепления;
• контролем положения крышки;
• системой механической блокировки;
• возможностью контролируемого сброса остаточного давления;
• состоянием уплотнительных элементов;
• соблюдением установленной последовательности открытия и закрытия.

11. Выбор типа затвора

Выбор конструкции быстродействующего затвора должен выполняться на основании параметров конкретного аппарата.

Основными исходными данными являются:

• номинальный диаметр DN;
• рабочее давление;
• расчётное давление;
• рабочая и расчётная температура;
• характеристики рабочей среды;
• материал корпуса и крышки;
• допустимая строительная длина;
• частота открытия затвора;
• пространственное положение оборудования;
• доступная зона обслуживания.

Для оборудования больших диаметров и индивидуальных проектов рациональным решением является классическая конструкция ЗК-НП производства НОВАПРОМ.

В условиях ограниченной строительной длины и для диапазона до DN1000 эффективным решением может быть компактный вставной быстродействующий затвор с байонетным силовым зацеплением.

Заключение

Байонетный принцип является одним из наиболее эффективных способов построения быстродействующих затворов для оборудования под давлением.

Развитие данного класса оборудования связано не с отказом от классической байонетной схемы, а с созданием различных вариантов геометрии силового зацепления под конкретные технические задачи.

Байонетные затворы ЗК-НП производства ООО НПФ «Новапром» используют классическую крупнозубую схему, обладающую высокой масштабируемостью и позволяющую проектировать затворы для оборудования больших диаметров, включая специальные исполнения DN1800–DN2000.

Компактные вставные быстродействующие затворы с байонетным принципом запирания используют более распределённую геометрию силовых поверхностей, позволяющую уменьшить осевой габарит узла при сохранении способности воспринимать значительные нагрузки от внутреннего давления.

Таким образом, НОВАПРОМ предлагает два взаимодополняющих направления быстродействующих затворов:

• классические байонетные затворы ЗК-НП собственного производства;
• компактные вставные быстродействующие затворы с байонетным принципом запирания международной линейки.

Выбор конкретного исполнения производится по результатам анализа параметров аппарата и подтверждается прочностным расчётом.

Автор статьи: Усуев Заур Мухтарович
ООО НПФ «Новапром»