Вибір правильного типу трубопровідної арматури (запірної, регулюючої, запобіжної тощо) є критично важливим для забезпечення надійності, безпеки та ефективності роботи будь-якої технологічної системи, що транспортує рідини, гази або пари. Два основні параметри, які мають визначальний вплив на цей вибір, — це робоча температура (T) та робочий тиск (P) середовища. Їхнє взаємопов’язане значення визначає не тільки конструкцію арматури, але й матеріали її корпусу, ущільнювальних елементів та внутрішніх деталей.
1. Взаємозв’язок температури та тиску (PN-T класифікація)
Жоден із параметрів не розглядається окремо. Стандартизація арматури базується на концепції номінального тиску (PN), який визначає максимально допустимий робочий тиск при стандартній (зазвичай 20°C) температурі. Однак, із підвищенням робочої температури допустимий робочий тиск арматури знижується. Це пов’язано зі зміною фізико-механічних властивостей матеріалів:
- Зниження міцності: При високих температурах міцність сталі та інших матеріалів знижується, що зменшує їхню здатність витримувати тиск.
- Термічне розширення: Різниця температур може викликати термічні напруги та деформації, впливаючи на герметичність з’єднань.
Приклад: Арматура з номінальним тиском PN40 (розрахована на 40 бар при 20°C) з корпусом із вуглецевої сталі (наприклад, ASTM A216 WCB) може мати допустимий робочий тиск лише близько 25 бар при робочій температурі 350°C. Інженер-технолог повинен завжди оперувати таблицями залежності “тиск-температура” (P-T Rating) для конкретного матеріалу корпусу та класу тиску (наприклад, згідно з EN 1092 або ASME B16.34).
2. Вплив температури на матеріали ущільнень та сідел
Робоча температура є визначальною для вибору матеріалів, що забезпечують герметичність, оскільки вони є найбільш чутливими до термічного впливу:
- Еластомери та полімери (до 200°C): Для низьких та помірних температур (наприклад, у системах водопостачання, вентиляції, кондиціонування) часто використовують EPDM, NBR, FKM (Viton). У кульових кранах популярний PTFE (тефлон), який має відмінну хімічну стійкість, але обмежений температурою зазвичай до 200°C–250°C, причому при підвищенні температури його здатність протистояти тиску різко падає.
- Графіт та Метал-по-Металу (вище 200°C): Для високих температур, пари, термальних масел або середовищ під високим тиском необхідні гнучкі графітові ущільнення (для штока та кришки) та конструкція “метал-по-металу” (Metal-Seated) для запірних елементів (наприклад, у засувках, клинових та кульових кранах для ТЕЦ).
3. Вплив параметрів на вибір типу арматури
Високі значення тиску та/або температури диктують не тільки матеріали, але й конструктивні особливості та тип арматури:
| Робочий режим | Рекомендований тип арматури | Обґрунтування вибору |
|---|---|---|
| Низький P, низький T (вода, повітря HVAC) | Дискові затвори, кульові крани з PTFE/EPDM | Економічність, швидка дія, легкість. |
| Середній P, середній T (технологічна вода, нафта) | Кульові крани, засувки з м’яким ущільненням | Універсальність, відмінна герметичність. |
| Високий P, високий T (Пара, живильна вода котлів) | Засувки клинові або затвори зворотні з металевим сідлом, кульові крани з металевим сідлом (Metal-Seated Ball Valves) | Необхідність у міцному корпусі, герметизація “метал-по-металу” для надійності та стійкості до ерозії. |
| Кріогенні T (рідкий кисень, природний газ) | Спеціальні кріогенні кульові крани/затвори з подовженим штоком | Подовжений шток для захисту ущільнення сальника від екстремального холоду. |
Приклад (Високий P і T):
У парових лініях високого тиску (наприклад, P > 60 бар, T > 450°C) майже завжди використовують засувки клинові або затвори (вентилі) прохідні з кованими або литими корпусами із легованих сталей (наприклад, 12CrMoV, 10CrMo9-10) та обов’язковим ущільненням “метал-по-металу” з наплавленням стеліту на сідло та клин. Використання стандартного кульового крана з PTFE у таких умовах призведе до миттєвого руйнування ущільнення та витоку.
4. Вимоги до конструкції корпусу та приєднання
- Високий тиск: Вимагає товстіших стінок корпусу та посилених фланцевих або зварних з’єднань. Ультрависокий тиск (наприклад, P > 400 бар) часто вимагає використання арматури з кованими корпусами для забезпечення максимальної міцності.
- Висока температура: Може вимагати спеціальних конструкцій кришки (наприклад, зварна кришка замість болтової) та матеріалу для шпильок/гайок, стійких до повзучості та високотемпературного ослаблення. Для регулюючої арматури високої температури може знадобитися охолоджувальна камера для захисту сальника штока від перегріву.
Комплексний аналіз робочої температури та тиску є основою для інженерного вибору трубопровідної арматури. Ці параметри визначають не тільки клас тиску, але й матеріал корпусу, тип ущільнювальних елементів та конструктивне виконання, прямо впливаючи на надійність та довговічність системи. Ігнорування P-T залежностей є однією з найпоширеніших причин аварій та передчасного виходу арматури з ладу в промисловості.
