Де використовуються клапани: скрізь!

08 листопада 2017 Автор Грег Джонсон

Сьогодні клапани можна знайти майже скрізь: у наших будинках, під вулицею, у комерційних будівлях і в тисячах місць на електростанціях і гідростанціях, паперових фабриках, нафтопереробних заводах, хімічних заводах та інших промислових та інфраструктурних об’єктах.
Галузь арматури справді широка, її сегменти варіюються від розподілу води до ядерної енергетики до нафти та газу. Кожна з цих галузей кінцевого споживача використовує кілька основних типів клапанів; однак деталі конструкції та матеріали часто сильно відрізняються. Ось вибірка:

ВОДОПРОБОТИ
У світі розподілу води тиск майже завжди відносно низький, а температура навколишнього середовища. Ці два факти застосування дозволяють використовувати ряд елементів конструкції клапана, які не можна знайти на більш складному обладнанні, такому як високотемпературні парові клапани. Температура навколишнього середовища водопостачання дозволяє використовувати еластомери та гумові ущільнювачі, які не підходять в іншому місці. Ці м’які матеріали дозволяють обладнати водяні клапани для щільного закриття крапель.

Іншим фактором, який слід враховувати при створенні клапанів для водопостачання, є вибір матеріалів конструкції. Чавуни широко використовуються в системах водопостачання, особливо в лініях великого зовнішнього діаметра. Дуже дрібні лінії можна досить добре обробляти за допомогою бронзових матеріалів клапана.

Тиск, який відчувають більшість водопровідних клапанів, зазвичай значно нижче 200 psi. Це означає, що товстіші конструкції з високим тиском не потрібні. З огляду на це, є випадки, коли водяні клапани побудовані для роботи з більш високим тиском, приблизно до 300 psi. Ці застосування зазвичай застосовуються на довгих акведуках поблизу джерела тиску. Іноді водяні клапани з високим тиском також знаходяться в точках найвищого тиску у високій греблі.

Американська асоціація водопровідних споруд (AWWA) випустила специфікації, що охоплюють багато різних типів клапанів і приводів, що використовуються у системах водопостачання.

СТІЧНІ ВОДИ
Зворотною стороною прісної питної води, що надходить у приміщення чи споруду, є вихід стічних вод чи каналізації. Ці лінії збирають усі відпрацьовані рідини та тверді речовини та направляють їх на очисні споруди. Ці очисні споруди мають багато трубопроводів низького тиску та клапанів для виконання своєї «брудної роботи». Вимоги до каналізаційних клапанів у багатьох випадках набагато м’якші, ніж вимоги до чистої води. Залізні шибери та зворотні клапани є найпопулярнішим вибором для цього виду послуг. Стандартні клапани в цій службі побудовані відповідно до специфікацій AWWA.

ЕНЕРГЕТИКА
Більшість електроенергії, що виробляється в Сполучених Штатах, виробляється на парових установках, які використовують викопне паливо та високошвидкісні турбіни. Знявши кришку сучасної електростанції, можна було б побачити системи трубопроводів високого тиску та високої температури. Ці магістральні лінії є найбільш критичними в процесі виробництва парової енергії.

Засувки залишаються основним вибором для вмикання/вимкнення електростанцій, хоча також зустрічаються запірні засувки спеціального призначення Y-образного типу. Високопродуктивні кульові крани для критичних умов експлуатації набувають популярності серед деяких розробників електростанцій і прокладають собі дорогу в цьому світі, де колись домінували лінійні клапани.

Металургія має вирішальне значення для клапанів в енергетиці, особливо тих, що працюють у надкритичному або надкритичному робочому діапазоні тиску та температури. F91, F92, C12A, а також кілька сплавів інконель і нержавіюча сталь зазвичай використовуються на сучасних електростанціях. Класи тиску включають 1500, 2500 і в деяких випадках 4500. Модулюючий характер пікових електростанцій (тих, які працюють лише за потреби) також створює велике навантаження на клапани та трубопроводи, вимагаючи надійних конструкцій для роботи з екстремальною комбінацією циклів, температури та тиск.
На додаток до основної парової арматури, електростанції оснащені допоміжними трубопроводами, заповненими безліччю шиберних, запірних, зворотних, дискових і кульових кранів.

Атомні електростанції працюють за тим же принципом парова/високошвидкісна турбіна. Основна відмінність полягає в тому, що на атомній електростанції пара утворюється за рахунок тепла від процесу поділу. Клапани на атомних електростанціях схожі на своїх двоюрідних братів, які працюють на викопному паливі, за винятком свого походження та додаткової вимоги щодо абсолютної надійності. Атомні клапани виготовляються за надзвичайно високими стандартами, а кваліфікаційна та перевірочна документація займає сотні сторінок.

ВИДОБУВАННЯ НАФТИ І ГАЗУ
На нафтових і газових свердловинах і виробничих потужностях часто використовуються клапани, в тому числі багато клапанів для важких умов експлуатації. Хоча фонтани нафти, які викидають сотні футів у повітря, навряд чи виникнуть, зображення ілюструє потенційний тиск підземної нафти та газу. Ось чому головки колодязів або різдвяні ялинки ставлять у верхній частині довгої нитки труб колодязів. Ці вузли з їхньою комбінацією клапанів і спеціальних фітингів розроблені для роботи з тиском понад 10 000 psi. Незважаючи на те, що в наші дні рідко зустрічається в свердловинах, викопаних на землі, надзвичайно високий тиск часто зустрічається в глибоких морських свердловинах.

Конструкція гирлового обладнання охоплюється такими специфікаціями API, як 6A, специфікація обладнання для гирла свердловини та різдвяної ялинки. Клапани, описані в 6A, розроблені для надзвичайно високого тиску, але помірних температур. Більшість новорічних ялинок мають засувки та спеціальні засувки, які називаються дроселями. Дроселі використовуються для регулювання витрати зі свердловини.

Крім самих гирл свердловин, багато допоміжних споруд заповнюють нафтове або газове родовище. Технологічне обладнання для попередньої обробки нафти або газу потребує кількох клапанів. Ці клапани, як правило, виготовлені з вуглецевої сталі, призначеної для нижчих класів.

Іноді в потоці сирої нафти присутній сильно корозійна рідина — сірководень. Цей матеріал, який також називають кислим газом, може бути смертельним. Щоб подолати проблеми, пов’язані з кислим газом, необхідно дотримуватися спеціальних матеріалів або технологій обробки матеріалів відповідно до міжнародної специфікації NACE MR0175.

ОФШОРНА ПРОМИСЛОВІСТЬ
Системи трубопроводів для морських нафтових вишок і виробничих потужностей містять безліч клапанів, створених за багатьма різними специфікаціями, щоб вирішувати різноманітні проблеми з контролем потоку. Ці установки також містять різні контури системи керування та пристрої для скидання тиску.

Для нафтовидобувних об’єктів артеріальне серце є фактичною системою трубопроводів для видобутку нафти або газу. Хоча не завжди на самій платформі, багато виробничих систем використовують різдвяні ялинки та системи трубопроводів, які працюють на негостинних глибинах 10 000 футів або більше. Це виробниче обладнання створено за багатьма строгими стандартами Американського інституту нафти (API) і містить посилання в кількох рекомендаціях API (RP).

На більшості великих нафтових платформ до сирої рідини, що надходить із гирла свердловини, застосовуються додаткові процеси. Вони включають відділення води від вуглеводнів і відділення газу та рідкого природного газу від потоку рідини. Ці системи трубопроводів після різдвяної ялинки, як правило, побудовані відповідно до кодів трубопроводів Американського товариства інженерів-механіків B31.3 із клапанами, розробленими відповідно до специфікацій клапанів API, таких як API 594, API 600, API 602, API 608 та API 609.

Деякі з цих систем можуть також містити шиберні, кульові та зворотні клапани API 6D. Оскільки будь-які трубопроводи на платформі чи буровому судні є внутрішніми для об’єкта, суворі вимоги щодо використання клапанів API 6D для трубопроводів не застосовуються. Незважаючи на те, що в цих системах трубопроводів використовується декілька типів клапанів, кращим типом клапана є кульовий кран.

ТРУБОПРОВОДИ
Хоча більшість трубопроводів приховані від очей, їх присутність зазвичай помітна. Невеликі таблички з написом «нафтопровід» є одним з очевидних ознак наявності підземних транспортних труб. Ці трубопроводи оснащені багатьма важливими клапанами по всій довжині. Аварійна запірна арматура трубопроводу встановлюється з інтервалами, визначеними стандартами, кодексами та законами. Ці клапани виконують важливу функцію ізоляції ділянки трубопроводу в разі витоку або коли потрібне технічне обслуговування.

Уздовж маршруту трубопроводу також розкидані об’єкти, де лінія виходить із землі та є доступ до лінії. Ці станції є домом для «свинячого» пускового обладнання, яке складається з пристроїв, вставлених у трубопроводи для перевірки або очищення лінії. Ці станції запуску свиней зазвичай містять кілька клапанів, або затворного, або кульового типу. Усі клапани в трубопровідній системі мають бути повними портами (повним відкриттям), щоб забезпечити прохід свиней.

Трубопроводи також потребують енергії для боротьби з тертям трубопроводу та підтримки тиску та потоку в трубопроводі. Використовуються компресорні або насосні станції, які виглядають як невеликі версії технологічної установки без високих крекінг-башт. Ці станції містять десятки засувок, кульових і зворотних трубопроводів.
Самі трубопроводи розроблені відповідно до різних стандартів і кодів, а трубопровідна арматура відповідає API 6D Pipeline Valves.
Існують також менші трубопроводи, які живлять будинки та комерційні споруди. Ці лінії подають воду та газ і охороняються запірною арматурою.
Великі муніципалітети, особливо в північній частині Сполучених Штатів, постачають пару для потреб комерційних клієнтів. Ці лінії подачі пари оснащені різними клапанами для контролю та регулювання подачі пари. Незважаючи на те, що рідина є парою, тиск і температура нижчі, ніж ті, що спостерігаються при виробництві пари на електростанції. У цій службі використовуються різноманітні типи клапанів, хоча популярним вибором все ще залишається славний пробковий клапан.

НАФТОПЕРЕРБНА ТА НАФТОХІМІЯ
Клапани на нафтопереробних заводах використовують більшу кількість промислових клапанів, ніж будь-який інший сегмент клапанів. Нафтопереробні заводи є домом як для корозійних рідин, так і в деяких випадках для високих температур.
Ці фактори визначають, як клапани будуються відповідно до специфікацій конструкції клапанів API, таких як API 600 (засувки), API 608 (кульові крани) та API 594 (зворотні клапани). Через важкі умови експлуатації, з якими стикаються багато з цих клапанів, часто потрібен додатковий припуск на корозію. Цей припуск проявляється через більшу товщину стінок, яка вказана в проектній документації API.

Практично всі основні типи клапанів можна знайти у великій кількості на типовому великому нафтопереробному заводі. Усюдисуща засувка все ще є королем гори з найбільшою популяцією, але чвертьобертові засувки займають дедалі більшу частку їх ринку. Чвертьобертові вироби, які успішно проникають у цю галузь (у якій також колись домінували лінійні вироби), включають високоефективні поворотні клапани з потрійним зміщенням і кульові крани з металевим сидінням.

Стандартні шиберні, прохідні та зворотні клапани все ще зустрічаються масово, і через привабливість їх конструкції та економічність виробництва вони не зникнуть найближчим часом.
Номінальний тиск для нафтопереробної арматури варіюється від класу 150 до класу 1500, з класом 300 найпопулярнішим.
Звичайна вуглецева сталь, така як марка WCB (лита) і A-105 (кована), є найпопулярнішими матеріалами, визначеними та використовуваними у клапанах для обслуговування нафтопереробних заводів. Багато процесів рафінування підвищують верхні межі температури простих вуглецевих сталей, і для цих застосувань призначені високотемпературні сплави. Найпопулярнішими з них є хромовані/молілієві сталі, такі як 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr і 9% Cr. Нержавіючі сталі та сплави з високим вмістом нікелю також використовуються в деяких особливо жорстких процесах рафінування.

ХІМІЧНА
Хімічна промисловість є великим споживачем клапанів усіх типів і матеріалів. Від невеликих серійних заводів до величезних нафтохімічних комплексів, розташованих на узбережжі Мексиканської затоки, клапани є величезною частиною систем трубопроводів хімічних процесів.

У більшості застосувань у хімічних процесах тиск нижчий, ніж у багатьох процесах нафтопереробки та виробництва електроенергії. Найпопулярнішими класами тиску для клапанів і трубопроводів хімічних заводів є класи 150 і 300. Хімічні заводи також були найбільшою рушійною силою захоплення частки ринку, яку кульові крани виборювали з лінійних за останні 40 років. Кульовий кран із пружним сидінням із запірною системою без витоку ідеально підходить для багатьох хімічних установок. Компактний розмір кульового крана також є популярною особливістю.
Існують деякі хімічні заводи та процеси, де перевага віддається лінійним клапанам. У цих випадках популярні засувки API 603 з тоншими стінками та меншою вагою зазвичай є засувками вибору. Контроль над деякими хімічними речовинами також ефективно здійснюється за допомогою мембранних або пережимних клапанів.
Через корозійну природу багатьох хімічних речовин і хімічних процесів вибір матеріалу має вирішальне значення. Фактичним матеріалом є аустенітна нержавіюча сталь марки 316/316L. Цей матеріал добре бореться з корозією, викликаною безліччю іноді неприємних рідин.

Для деяких більш жорстких корозійних застосувань потрібен додатковий захист. У таких ситуаціях часто вибирають інші високоякісні марки аустенітної нержавіючої сталі, такі як 317, 347 і 321. Інші сплави, які час від часу використовуються для контролю хімічних рідин, включають монель, сплав 20, інконель і 17-4 PH.

РОЗДІЛЕННЯ СПГ ТА ГАЗУ
І рідкий природний газ (СПГ), і процеси, необхідні для розділення газу, спираються на великі трубопроводи. Ці програми потребують клапанів, які можуть працювати при дуже низьких кріогенних температурах. Промисловість СПГ, яка швидко розвивається в Сполучених Штатах, постійно прагне оновити та вдосконалити процес зрідження газу. З цією метою труби та клапани стали набагато більшими, а вимоги до тиску підвищилися.

Ця ситуація вимагала від виробників клапанів розробки конструкцій, які відповідали б жорсткішим параметрам. Чвертьобертові кульові та поворотні клапани популярні для СПГ, причому найпопулярнішим матеріалом є 316s [нержавіюча сталь]. ANSI Class 600 – це звичайна стеля тиску для більшості застосувань СПГ. Незважаючи на те, що чвертьобертові вироби є найпопулярнішими типами клапанів, шиберні, прохідні та зворотні клапани також можна знайти на заводах.

Послуга газосепарації передбачає розділення газу на окремі основні елементи. Наприклад, методи розділення повітря дають азот, кисень, гелій та інші слідові гази. Дуже низькотемпературний характер процесу означає, що потрібно багато кріогенних клапанів.

І установки СПГ, і установки для розділення газу мають низькотемпературні клапани, які повинні залишатися працездатними в цих кріогенних умовах. Це означає, що систему сальника клапана необхідно відвести від низькотемпературної рідини за допомогою газової або конденсаційної колони. Ця газова колона запобігає утворенню рідиною крижаної кулі навколо зони сальника, що перешкоджає повороту або підйому штока клапана.

КОМЕРЦІЙНІ БУДІВЛІ
Комерційні будівлі оточують нас, але якщо ми не звернемо уважну увагу на те, як вони будуються, ми не матимемо жодного уявлення про безліч текучих артерій, прихованих у їхніх стінах із кладки, скла та металу.

Спільним знаменником практично в кожній будівлі є вода. Усі ці конструкції містять різноманітні системи трубопроводів, що передають багато комбінацій воднево-кисневих сполук у формі питних рідин, стічних вод, гарячої води, сірої води та протипожежного захисту.

З точки зору виживання будівлі, протипожежні системи є найбільш критичними. Протипожежні засоби в будівлях майже повсюдно подаються і заповнюються чистою водою. Щоб системи протипожежного водопостачання були ефективними, вони повинні бути надійними, мати достатній тиск і бути зручно розташованими по всій конструкції. Ці системи розроблені для автоматичного включення живлення у разі пожежі.
Висотні будинки вимагають того самого тиску води на верхніх поверхах, що й на нижніх поверхах, тому для підведення води вгору потрібно використовувати насоси високого тиску та труби. Системи трубопроводів зазвичай мають клас 300 або 600, залежно від висоти будівлі. У цих сферах застосування використовуються всі типи клапанів; проте, конструкції клапанів повинні бути схвалені Underwriters Laboratories або Factory Mutual для пожежної магістралі.

Ті самі класи та типи клапанів, які використовуються для пожежних клапанів, використовуються для розподілу питної води, хоча процес затвердження не такий суворий.
Комерційні системи кондиціонування повітря у великих бізнес-структурах, таких як офісні будівлі, готелі та лікарні, як правило, централізовані. Вони мають великий охолоджувач або бойлер для охолодження або нагрівання рідини, яка використовується для передачі холоду або високої температури. Ці системи часто повинні обробляти такі холодоагенти, як R-134a, гідрофторвуглець або, у випадку великих систем опалення, пару. Завдяки компактному розміру дросельних і кульових клапанів ці типи стали популярними в холодильних системах HVAC.

Що стосується пари, то деякі чвертьобертові клапани стали широко використовуватися, але багато інженерів-сантехніків все ще покладаються на лінійні шиберні та прохідні клапани, особливо якщо для трубопроводу потрібні кінці з стиковим зварюванням. Для цих застосувань з помірною парою сталь зайняла місце чавуну через зварюваність сталі.

Деякі системи опалення використовують гарячу воду замість пари як рідину для передачі. Ці системи добре обслуговуються бронзовими або чавунними клапанами. Кульові та дискові клапани з чвертьобертовими пружними гніздами дуже популярні, хоча все ще використовуються деякі лінійні конструкції.

ВИСНОВОК
Хоча докази застосування клапанів, згадані в цій статті, можуть бути недоступні під час поїздки в Starbucks або до бабусі, деякі дуже важливі клапани завжди знаходяться поблизу. У двигуні автомобіля є навіть клапани, які використовуються для доступу до тих місць, наприклад, клапани в карбюраторі, які контролюють потік палива в двигун, і клапани в двигуні, які контролюють потік бензину в поршні і назад. І якщо ці клапани недостатньо близькі до нашого повсякденного життя, подумайте про те, що наші серця регулярно б’ються через чотири життєво важливі пристрої контролю потоку.

Це лише ще один приклад того, що: клапани справді скрізь. В.М
Частина II цієї статті охоплює додаткові галузі, де використовуються клапани. Перейдіть на www.valvemagazine.com, щоб прочитати про целюлозу та папір, застосування в судноплавстві, греблі та гідроелектроенергію, сонячну енергію, залізо та сталь, аерокосмічну енергію, геотермальну енергію, а також крафтове пивоваріння та дистиляцію.

ГРЕГ ДЖОНСОН є президентом United Valve (www.unitedvalve.com) у Х’юстоні. Він є редактором журналу VALVE, колишнім головою Ради з ремонту клапанів і нинішнім членом правління VRC. Він також є членом Комітету з питань освіти та навчання VMA, є віце-головою Комітету з комунікацій VMA та колишнім президентом Товариства стандартизації виробників.