Всемогущий клапан – потерянная история

В первой половине XIX века ассортимент трубопроводной арматуры только начинал формироваться и развиваться. Именно в это время на европейском рынке появился первый клапан — новое запорно-регулирующее устройство, позволяющее управлять потоками пара, горячей и холодной воды. В результате арматурная отрасль совершила резкий рывок вперёд, который невозможно было бы сделать без всемогущего клапана…

Потребность в клапанах стремительно росла, их начали модифицировать и широко применять в разных сферах — от паровых машин, производственного и отопительного оборудования до транспортных средств. Вслед за запорными клапанами за короткое время на свет появились их близкие родственники: угловые, обратные, предохранительные, регулирующие, смесительные, распределительные и многие другие. А начало этой истории положили английские и немецкие инженеры, разработавшие и продвинувшие первые клапаны. Именно они стояли у истоков глобальной технической революции.

В начале было слово

Специалистов фирмы Profactor Armaturen GmbH заинтересовала история появления и развития клапанов в трубопроводной и сантехнической арматуре. Чтобы добраться до истоков, затерянных в глубине веков, пришлось разыскать и изучить исторические документы, труды немецких и российских учёных и инженеров, а также обзорные материалы, опубликованные в научных и отраслевых изданиях. В ходе кропотливой исследовательской работы были обнаружены интересные исторические подробности и казусы, которые нашли отражение в этом материале.

Начнём, пожалуй, с такого примера.

«Термин “клапан” исторически неверен. В немецком языке применяется термин “вентиль” (ventil), не рекомендованный ГОСТ 24856–2014. Термин “клапан” в немецком языке означает “хлопушка”. Мы, однако, вынуждены использовать этот термин, поскольку именно он регламентирован действующим ГОСТ»,

— отмечает кандидат технических наук, инженер-механик, технический эксперт российской Научно-промышленной ассоциации арматуростроителей (НПАА) Олег Николаевич Шпаков в своей книге «Трубопроводная арматура в истории науки и техники» ([1], с. 57–58).

Действительно, в немецком языке термин «клапан» не используется, вместо него применяется «вентиль» (Ventil), который в самом деле не рекомендован действующим в России ГОСТ 24856–2014.

Данный ГОСТ в пункте 4.2 раздела 4 «Типы арматуры» даёт следующее определение: «клапан (Нрк. вентиль): Тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент перемещается параллельно оси потока рабочей среды» [2].

Вот, например, часто употребляемые немецкими инженерами, сантехниками и монтажниками словосочетания, в которых присутствует слово «вентиль»:

• Rückschlagventil — обратный клапан;

• Absperrventil — запорный клапан;

• Sicherheitsventil — предохранительный клапан;

• Kugelventil — шаровой клапан.

Получается, что клапан вошёл в русскую терминологию вовсе не из немецкого языка, так как Klappen — это глагол, который обозначает «хлопать» или «стучать». Хотя есть и другая версия! Слово Klappe — это существительное и переводится как «дверка», «створка», «крышка», «заслонка». Именно этот термин вполне применим к запорной и регулирующей арматуре, поэтому возможно, что существительное Klappe было адаптировано и прижилось в русском языке, превратившись в «клапан». Но это, конечно, всё догадки и предположения.

Почему вдруг «клапан» должен быть обязательно заимствован из немецкого, а не из какого-либо другого языка? Ответ на этот вопрос можно найти в том же труде О.Н. Шпакова. Вот что он пишет: «Один из первых патентов на клапан был выдан англичанину Исааку Тейлору-младшему в ноябре 1823 года. В 1830 году в Германии Георгом и Алексом Стокером был также получен патент на клапан» ([1], с. 58).

Получается, что слово «клапан» должно иметь английские или немецкие корни. Но по-английски клапан — valve или flap, то есть никак не подходит под русское обозначение устройства, тогда как Klappe — вполне подходящий вариант.

Казусы истории с клапаном

История, как наука, занимающаяся изучением прошлого, часто преподносит нам сюрпризы и парадоксальные казусы. Без них не обошлась и эволюция трубопроводной и сантехнической арматуры. Знаменитые учёные, инженеры и изобретатели XVIII–XIX веков, которые разработали и запатентовали свои открытия в запорной, обратной, предохранительной, смесительной, регулирующей и распределительной арматуре, большей частью заново создавали устройства, которые были известны и применялись ещё во времена Древнего Рима. В ходе раскопок в ХХ веке в Помпеях, Геркулануме, Неаполе, Константинополе (Стамбуле), Кёльне и других городах огромной Римской империи археологи обнаружили идеально сохранившуюся сантехнику из свинца и бронзы — краны, вентили, клапаны, задвижки, смесители и другую трубопроводную арматуру, которая практически не отличается от современных аналогов.

Современным историкам и археологам известны и более ранние античные источники, которые свидетельствуют о появлении инженерной сантехники до римлян. Так, например, на древнегреческих иллюстрациях и фресках, датируемых 600 годом до н.э., изображены дисковые затворы для регулирования расхода холодной и горячей воды в душевых кабинах. 

Греческий математик и механик Герон Александрийский демонстрирует римской знати своё изобретение «эолипил» — первую в мире паровую турбину, созданную им в 69 году н. э.

Аналитиков компании Profactor заинтересовала любопытная история из античных времён. В I веке н.э. в Александрии жил и работал талантливый греческий учёный, математик и механик Герон. Одним из его изобретений был автомат по продаже «святой воды» в языческих храмах. В механизме этого автомата уже присутствовал клапан! 

Торговый автомат Герона по продаже «святой воды» (I век н. э.), оснащённый клапаном, и схема его действия (справа). Научный центр и музей технологий города Салоники (Греция)

Само устройство было достаточно простым и состояло из точно сбалансированного рычага, управляющего клапаном, который открывался под действием веса упавшей монеты. Она падала сквозь щель на небольшой лоток и приводила в действие рычаг и клапан. Клапан открывался, и из сосуда вытекало немного «святой воды». После того, как монета соскальзывала с лотка, рычаг возвращался в исходное положение, и клапан закрывался. Это изобретение Герона стало первым в мире торговым автоматом и приносило жрецам хорошую прибыль. Однако устройство с клапаном было надолго забыто, и только в конце XIX века торговые автоматы были вновь изобретены. 

Древнеримский поршневой насос, III век до н. э. Британский музей (Лондон, Великобритания)

Это было далеко не единственное древнее изобретение с клапаном. Тот же Герон создал передовой насос с двумя сообщающимися поршневыми цилиндрами со встроенными клапанами, из которых поочерёдно под давлением вытеснялась вода. Насос работал посредством мускульной силы двух человек, попеременно нажимавших на рычаги. Этот же насос с присоединёнными рукавами впоследствии использовали для тушения пожаров римляне. Вместе с ними античное устройство перебралось в Европу и досталось народам-варварам. Изобретение Герона эффективно служило не только для тушения пожаров, но и на флоте для откачки воды из трюмов повреждённых кораблей. Так поршневой насос завоевал весь мир, он активно применялся и в России до ХХ века, пока не уступил место электрическим аналогам. 

Водяной насос Герона, I век н.э. Современная реконструкция по трактату «Пневматика»

До наших дней дошли основные научно-исследовательские произведения Герона, которые были целиком переведены на арабский язык и поэтому сохранились: «Метрика», «Пневматика», «Автоматопоэтика», «Механика». Из этих трудов стало известно, что древнегреческий инженер использовал в своих машинах конусные краны, состоящие из пробок, вставленных в коническое гнездо. Герон внедрил и закреплённый на оси поворотный затвор — вентиль. Причём учёный рекомендовал, чтобы уплотнительные поверхности седла и диска были гладкими и полированными для обеспечения герметизации и плотного закрытия запорного механизма.

Опередив своё время, Герон изобрёл и применял клапаны необычной формы — в виде колокола, закрывающего отверстие трубы сверху.

«Древние греки создали краны, клапаны, обратные и запорные дисковые затворы, шиберные задвижки, регуляторы, без которых не могли работать их механизмы. Эта арматура применяется и позже — римлянами в водопроводах и городских сетях. Арматура использовалась в качестве запорной, обратной и регулирующей, но была забыта и “изобретена” заново в годы Возрождения и индустриальной революции»,

— отмечает О.Н. Шпаков.

Все дороги ведут в Рим

В крупных городах Римской империи с собственными магистральными водопроводами действовало множество мастерских, которые удовлетворяли нужды граждан, желающих подвести водопроводную трубу от центральной магистрали к собственному дому или вилле. Эти мастерские занимались изготовлением, поставкой и сборкой свинцовых труб и бронзовой трубопроводной арматуры в домах, банях, бассейнах, для фонтанов на участке заказчика. 

Древнеримские клапаны и кран I–III века н. э. из различных бронзовых сплавов

В мастерских изготавливались все виды сантехнической арматуры, в том числе смесительные краны, состоящие из патрубков холодной и горячей воды, а также выходного патрубка. Регулирование температуры воды осуществлялось поворотом пробки с боковыми отверстиями и полым телом. 

Древнеримский свинцовый водопровод, проложенный в Англии в I–II веках н. э.

При императоре Нероне (54–68 годы н.э.) главным управляющим по возведению водопроводов и охране воды в Римской империи был назначен Секст Юлий Фронтин (Sextus Julius Frontinus). Именно он разработал и внедрил первые государственные стандарты на производство арматуры и труб — так называемые «Формулае». В регламентирующем документе, в частности, содержались обязательные требования к химическому составу сплавов для изготовления арматуры из бронзы. Все мастерские по производству трубопроводной и сантехнической арматуры, действующие в городах Римской империи, начали придерживаться стандартов «Формулае».

Несколько лет назад археологи в ходе раскопок в древнеримских городах обнаружили фрагменты водопроводных систем и арматуру. Учёные сделали химический анализ образцов и определили, что в кранах времён императора Нерона содержание меди находится в диапазоне от 73,35 до 73,70%, а свинца — от 18,59 до 18,53%. Этот состав практически не отличается от современных европейских или американских норм, регламентированных Американским обществом по испытаниям и материалам (American Society for Testing and Materials, ASTM). Так, стандарты ASTM B61 и B62 регламентируют для сантехнических изделий содержание в бронзе меди — 75%, а свинца — 15%.

Как считают нынешние специалисты, допустимое содержание в сплаве свинца делает материал антифрикционным, способным обеспечить герметичность соединений без прокладок, придаёт изделию антикоррозионные свойства, а также позволяет легко производить ковку сантехнической арматуры.

Отметим, что древнеримские стандарты, приведённые в том числе в «Формулае», учитывались и были положены в основу современных спецификаций ASTM, ASME, ISO, EN, ANSI, API, DIN, BSI и др.

Клапан – долгий путь к совершенству

Около 2000 лет назад в Римской империи были разработаны основы стандартизации трубопроводной и сантехнической арматуры. Древнеримские краны и клапаны стали первыми сантехническими изделиями, которые начали производиться промышленным способом. Однако с развалом и исчезновением Римской империи практически все её достижения были потеряны и забыты на долгие века. 

Людвиг Прандтль (1875–1953)

Необходимость в разработке и внедрении трубопроводной и сантехнической арматуры вновь пробудилась относительно недавно. В XVII и XVIII веках лидирующее положение в области создания новых машин и производстве арматуры занимала Великобритания, и только в середине XIX века с ней стали конкурировать Германия и Соединённые Штаты Америки. К 1852 году в Англии было выдано более 14 тыс. патентов. Особенно интенсивно конкурентная борьба развязалась на рубеже XIX–XX веков, тогда начался настоящий патентный бум. В это самое время немецкий механик и физик Людвиг Прандтль (1875–1953), известный своими трудами в области гидродинамики (в частности, теорией пограничного слоя), разработал оптимальную геометрию клапана с минимальным гидравлическим сопротивлением.

Древнеримский бронзовый клапан, найденный при раскопках в Помпеях. Экспонат Орегонского музея науки и промышленности (город Портленд, штат Орегон, США)

«Нарастающее использование пара практически во всех отраслях промышленности стимулировало совершенствование клапанов, гораздо более подходящих для регулирования расхода пара даже при небольшом ходе запирающего элемента по сравнению с кранами»,

— считает О.Н. Шпаков.

В прошлом веке клапаны значительно усовершенствовались, их стали использовать не только в качестве запорной арматуры, но и для регулирования и обеспечения безопасности — как предохранительные устройства.

В XXI веке эволюция клапанов явно замедлилась. Можно сказать, что эти устройства достигли совершенства своей конструкции, и если их модернизируют, то в незначительной степени. Технические характеристики и функции большей части клапанов остаются неизменными вот уже долгое время. Хотя научно-технический прогресс не стоит на месте, и кто знает, что трубопроводную и сантехническую арматуру ждёт впереди? Может, вскоре появится новый Герон, который опередит своё время и удивит мир невероятными открытиями. 

Современная высокотехнологичная арматура в целом наследует 2000-летним идеям древних греков и римлян, которые создали удивительные цивилизации, опередившие своё время 

1. Шпаков О.Н., Федин С.А. Трубопроводная арматура в истории науки и техники. — М.: Научно-промышленная ассоциация арматуростроителей (НПАА), 2020. 174 с.

2. ГОСТ 24856–2014. Арматура трубопроводная. Термины и определения. — М.: Стандартинформ, 2020.