Де використовуються клапани: Скрізь!

08 листопада 2017 р. Автор: Грег Джонсон

Сьогодні клапани можна знайти практично будь-де: у наших будинках, під вулицею, у комерційних будівлях та в тисячах місць на електростанціях та водопостачаннях, паперових фабриках, нафтопереробних заводах, хімічних заводах та інших промислових та інфраструктурних об'єктах.
Індустрія клапанів справді охоплює широкий спектр сегментів, починаючи від водопостачання та атомної енергетики, а також видобутку та переробки нафти і газу. Кожна з цих галузей кінцевого споживача використовує деякі основні типи клапанів; однак деталі конструкції та матеріали часто дуже відрізняються. Ось приклад:

ВОДОПРОВОДНІ СПОРЯДКИ
У світі водопостачання тиск майже завжди відносно низький, а температура – ​​кімнатна. Ці два факти застосування дозволяють використовувати низку конструктивних елементів клапанів, яких немає на складнішому обладнанні, такому як високотемпературні парові клапани. Температура навколишнього середовища водопостачання дозволяє використовувати еластомери та гумові ущільнення, непридатні для використання в інших місцях. Ці м'які матеріали дозволяють обладнати водяні клапани для герметичного блокування крапель.

Ще одним фактором, який слід враховувати при виборі клапанів водопостачання, є вибір матеріалів, з яких вони виготовляються. Чавун та чавун з високою міцністю широко використовуються у водопровідних системах, особливо у трубопроводах великого зовнішнього діаметра. Для дуже маленьких трубопроводів бронзові клапани можна досить добре обробляти.

Тиск, який витримує більшість клапанів водопровідних станцій, зазвичай значно нижчий за 200 фунтів на квадратний дюйм. Це означає, що конструкції з товстішими стінками для вищого тиску не потрібні. Проте, є випадки, коли водяні клапани будуються для роботи з вищим тиском, приблизно до 300 фунтів на квадратний дюйм. Такі застосування зазвичай використовуються на довгих акведуках поблизу джерела тиску. Іноді водяні клапани вищого тиску також знаходяться в точках найвищого тиску у високій дамбі.

Американська асоціація водопровідних споруд (AWWA) видала специфікації, що охоплюють багато різних типів клапанів та приводів, що використовуються у водопровідних спорудах.

СТІЧНІ ВОДИ
Зворотним боком подачі прісної питної води на об'єкт або споруду є вихід стічних вод або каналізації. Ці лінії збирають усі стічні води та тверді речовини і направляють їх на очисні споруди. Ці очисні споруди оснащені великою кількістю трубопроводів низького тиску та клапанів для виконання своєї «брудної роботи». Вимоги до клапанів для стічних вод у багатьох випадках набагато м'якші, ніж вимоги до постачання чистої води. Залізні засувки та зворотні клапани є найпопулярнішим вибором для цього типу послуг. Стандартні клапани для цієї служби виготовляються відповідно до специфікацій AWWA.

ЕНЕРГЕТИКА
Більшість електроенергії, що виробляється у Сполучених Штатах, виробляється на парових електростанціях, що використовують викопне паливо та високошвидкісні турбіни. Якщо відкрити кришку сучасної електростанції, можна побачити трубопровідні системи високого тиску та високої температури. Ці магістралі є найважливішими в процесі виробництва пари.

Засувні клапани залишаються основним вибором для вмикання/вимикання електростанцій, хоча також зустрічаються спеціальні кульові клапани Y-подібної форми. Високопродуктивні кульові клапани критичного призначення набирають популярності серед деяких проектувальників електростанцій і прокладають собі шлях у цьому світі, де колись домінували лінійні клапани.

Металургія має вирішальне значення для клапанів в енергетичних системах, особливо тих, що працюють у надкритичному або ультранадкритичному робочому діапазоні тиску та температури. F91, F92, C12A, а також кілька сплавів на основі інконелю та нержавіючої сталі зазвичай використовуються на сучасних електростанціях. Класи тиску включають 1500, 2500, а в деяких випадках і 4500. Модулюючий характер пікових потужностей (тих, що працюють лише за потреби) також створює величезне навантаження на клапани та трубопроводи, що вимагає міцних конструкцій для роботи в екстремальних умовах циклічного поєднання, температури та тиску.
Окрім головної парової арматури, електростанції оснащені допоміжними трубопроводами, що містять безліч засувок, кульових клапанів, зворотних клапанів, дросельних заслінок та кульових клапанів.

Атомні електростанції працюють за тим самим принципом пари/високошвидкісної турбіни. Основна відмінність полягає в тому, що на атомній електростанції пара створюється теплом, що утворюється в процесі поділу. Клапани атомних електростанцій схожі на своїх аналогів, що працюють на викопному паливі, за винятком свого походження та додаткової вимоги абсолютної надійності. Ядерні клапани виготовляються за надзвичайно високими стандартами, а кваліфікаційна та інспекційна документація займає сотні сторінок.

ВИДОБУТОК НАФТИ ТА ГАЗУ
Нафтогазові свердловини та виробничі об'єкти активно використовують клапани, зокрема багато надміцних. Хоча фонтани нафти, що викидаються на сотні футів у повітря, більше не трапляються, зображення ілюструє потенційний тиск підземної нафти та газу. Саме тому оголовки свердловин або «різдвяні ялинки» розміщують у верхній частині довгої колони труб свердловини. Ці вузли з їх комбінацією клапанів та спеціальних фітингів розраховані на тиск понад 10 000 фунтів на квадратний дюйм. Хоча в наші дні їх рідко можна знайти на свердловинах, викопаних на суші, надзвичайно високий тиск часто зустрічається на глибоких морських свердловинах.

Проектування обладнання гирла свердловини охоплюється специфікаціями API, такими як 6A, Специфікація для обладнання гирла свердловини та різдвяних ялинок. Клапани, що розглядаються в 6A, розроблені для надзвичайно високого тиску, але помірних температур. Більшість різдвяних ялинок містять засувки та спеціальні кульові клапани, які називаються дроселями. Дроселі використовуються для регулювання потоку зі свердловини.

Окрім самих гирл свердловин, на нафтовому або газовому родовищі є багато допоміжних споруд. Технологічне обладнання для попередньої обробки нафти або газу вимагає певної кількості клапанів. Ці клапани зазвичай виготовляються з вуглецевої сталі нижчих класів.

Іноді в потоці сирої нафти присутня висококорозійна рідина — сірководень. Ця речовина, яку також називають сірководнем, може бути смертельною. Щоб подолати проблеми, пов'язані з сірководнем, необхідно використовувати спеціальні матеріали або методи обробки матеріалів відповідно до міжнародної специфікації NACE MR0175.

ОФШОРНА ПРОМИСЛОВІСТЬ
Системи трубопроводів для морських нафтових платформ та виробничих об'єктів містять безліч клапанів, побудованих за різними специфікаціями, для вирішення широкого спектру завдань з регулювання потоку. Ці об'єкти також містять різні контури систем керування та пристрої для скидання тиску.

Для нафтовидобувних установок артеріальним серцем є фактична система трубопроводів для видобутку нафти або газу. Хоча це не завжди відбувається на самій платформі, багато виробничих систем використовують «різдвяні ялинки» та трубопровідні системи, які працюють на несприятливих глибинах 10 000 футів і більше. Це виробниче обладнання побудовано відповідно до багатьох суворих стандартів Американського інституту нафти (API) та згадується в кількох Рекомендованих практиках (RP) API.

На більшості великих нафтових платформ до сирої рідини, що надходить з гирла свердловини, застосовуються додаткові процеси. До них належать відділення води від вуглеводнів та відділення газу та рідких нафтових сполук природного газу від потоку рідини. Ці трубопровідні системи, що використовуються після реконструкції, зазвичай будуються відповідно до норм трубопроводів B31.3 Американського товариства інженерів-механіків, а клапани розроблені 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 засувні, кульові та зворотні клапани API 6D. Оскільки будь-які трубопроводи на платформі або буровому судні є внутрішніми по відношенню до об'єкта, суворі вимоги щодо використання клапанів API 6D для трубопроводів не застосовуються. Хоча в цих трубопровідних системах використовується кілька типів клапанів, найкращим типом клапана є кульовий клапан.

ТРУБОПРОВОДИ
Хоча більшість трубопроводів приховані від очей, їхня присутність зазвичай очевидна. Невеликі знаки з написом «нафтопровід» є одним із очевидних показників наявності підземних транспортних трубопроводів. Ці трубопроводи обладнані багатьма важливими клапанами по всій своїй довжині. Аварійні запірні клапани трубопроводів розташовані з інтервалами, визначеними стандартами, нормами та законами. Ці клапани виконують життєво важливу функцію ізоляції ділянки трубопроводу у разі витоку або коли потрібне технічне обслуговування.

Також вздовж маршруту трубопроводу розкидані споруди, де лінія виходить із землі та забезпечується доступ до лінії. На цих станціях розміщується обладнання для запуску «скребків», яке складається з пристроїв, що вставляються в трубопроводи для огляду або очищення лінії. Ці станції запуску скребків зазвичай містять кілька клапанів, шиберних або кульових. Усі клапани трубопровідної системи повинні бути повністю відкритими, щоб забезпечити прохід скребків.

Трубопроводи також потребують енергії для боротьби з тертям у трубопроводі та підтримки тиску й потоку в лінії. Використовуються компресорні або насосні станції, які виглядають як зменшені версії технологічної установки без високих крекінгових веж. На цих станціях встановлені десятки засувок, кульових та зворотних клапанів трубопроводів.
Самі трубопроводи спроектовані відповідно до різних стандартів та норм, а трубопровідна арматура відповідає стандарту API 6D для трубопровідних клапанів.
Також є менші трубопроводи, які підводять живлення до будинків та комерційних споруд. Ці лінії забезпечують водопостачання та газопостачання і захищені запірними клапанами.
Великі муніципалітети, особливо в північній частині Сполучених Штатів, постачають пару для опалення комерційних споживачів. Ці паропроводи оснащені різноманітними клапанами для контролю та регулювання подачі пари. Хоча рідиною є пара, тиск і температура в ній нижчі, ніж у парогенераторі електростанцій. У цій службі використовується різноманітна кількість клапанів, хоча популярним вибором все ще є пробковий клапан.

НПЗ ТА НАФТОХІМІЯ
На нафтопереробні заводи припадає більше промислових клапанів, ніж на будь-який інший сегмент клапанів. Нафтопереробні заводи працюють як з агресивними рідинами, так і, в деяких випадках, з високими температурами.
Ці фактори визначають, як клапани будуються відповідно до специфікацій API на конструкцію клапанів, таких як API 600 (засувні клапани), API 608 (кульові клапани) та API 594 (зворотні клапани). Через жорсткі умови експлуатації багатьох із цих клапанів часто потрібен додатковий припуск на корозію. Цей припуск проявляється у більшій товщині стінок, яка зазначена в конструкторській документації API.

Практично кожен основний тип клапанів можна знайти у великій кількості на типовому великому нафтопереробному заводі. Повсюдно поширені засувки все ще є королем гори з найбільшою кількістю, але чвертьобертові клапани займають дедалі більшу частку їхнього ринку. Чвертьобертові продукти, що успішно проникають у цю галузь (в якій колись домінували лінійні продукти), включають високопродуктивні потрійні зміщені дросельні клапани та кульові клапани з металевим сідлом.

Стандартні засувні, кульові та зворотні клапани досі широко поширені, і завдяки продуманості їхньої конструкції та економічності виробництва вони не зникнуть найближчим часом.
Номінальний тиск для клапанів нафтопереробного заводу варіюється від класу 150 до класу 1500, причому клас 300 є найпопулярнішим.
Звичайні вуглецеві сталі, такі як марки WCB (литі) та A-105 (ковані), є найпопулярнішими матеріалами, що вимагаються та використовуються в клапанах для нафтопереробних заводів. Багато застосувань у процесах нафтопереробки розширюють верхні температурні межі звичайних вуглецевих сталей, тому для цих застосувань вимагаються сплави для вищих температур. Найпопулярнішими з них є хромомолібденові сталі, такі як 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr та 9% Cr. Нержавіючі сталі та високонікелеві сплави також використовуються в деяких особливо жорстких процесах нафтопереробки.

ХІМІЧНИЙ
Хімічна промисловість є великим споживачем клапанів усіх типів та матеріалів. Від невеликих заводів партійного виробництва до величезних нафтохімічних комплексів, розташованих на узбережжі Мексиканської затоки, клапани є важливою частиною трубопровідних систем хімічних процесів.

Більшість застосувань у хімічних процесах мають нижчий тиск, ніж багато процесів нафтопереробки та виробництва електроенергії. Найпопулярнішими класами тиску для клапанів та трубопроводів хімічних заводів є класи 150 та 300. Хімічні заводи також були найбільшим рушієм захоплення частки ринку, яку кульові клапани вирвали у лінійних клапанів протягом останніх 40 років. Кульовий клапан з пружним сідлом та його запірним механізмом без протікання ідеально підходить для багатьох застосувань на хімічних заводах. Компактний розмір кульового клапана також є популярною особливістю.
Досі існують деякі хімічні заводи та виробничі процеси, де перевага надається лінійним клапанам. У цих випадках популярні клапани, розроблені за стандартом API 603, з тоншими стінками та легшою вагою, зазвичай є обраним варіантом як засувні або кульові клапани. Контроль деяких хімічних речовин також ефективно здійснюється за допомогою діафрагмових або пережимних клапанів.
Через корозійну природу багатьох хімічних речовин та процесів їх виробництва, вибір матеріалу є критично важливим. Фактичним матеріалом є аустенітна нержавіюча сталь марки 316/316L. Цей матеріал добре протистоїть корозії, спричиненій низкою іноді шкідливих рідин.

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

РОЗДІЛЕННЯ ЗПГ ТА ГАЗУ
Як скраплений природний газ (ЗПГ), так і процеси, необхідні для розділення газів, залежать від тривалих трубопроводів. Ці застосування вимагають клапанів, які можуть працювати за дуже низьких кріогенних температур. Індустрія ЗПГ, яка швидко розвивається у Сполучених Штатах, постійно прагне вдосконалити та модернізувати процес скраплення газу. З цією метою трубопроводи та клапани стали набагато більшими, а вимоги до тиску зросли.

Ця ситуація змусила виробників клапанів розробляти конструкції, що відповідають жорсткішим параметрам. Чвертьобертові кульові та дросельні клапани популярні для обслуговування ЗПГ, причому найпопулярнішим матеріалом є нержавіюча сталь 316ss. Клас ANSI 600 є звичайною стелею тиску для більшості застосувань ЗПГ. Хоча чвертьобертові вироби є найпопулярнішими типами клапанів, на заводах також можна знайти засувні, кульові та зворотні клапани.

Послуга розділення газів передбачає поділ 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.

Як установки для зрідженого природного газу (ЗПГ), так і установки розділення газу мають низькотемпературні клапани, які повинні залишатися працездатними в цих кріогенних умовах. Це означає, що система сальникової набивки клапана повинна бути піднята подалі від низькотемпературної рідини за допомогою газової або конденсаційної колони. Ця газова колона запобігає утворенню крижаної кулі рідиною навколо області сальникової набивки, що заважало б повертанню або підйому штока клапана.

КОМЕРЦІЙНІ БУДІВЛІ
Нас оточують комерційні будівлі, але якщо ми не звертаємо пильної уваги на їх будівництво, ми мало що можемо сказати про безліч рідинних артерій, прихованих у їхніх стінах з кладки, скла та металу.

Спільним знаменником практично кожної будівлі є вода. Усі ці споруди містять різноманітні трубопровідні системи, що переносять багато комбінацій воднево-кисневих сполук у вигляді питних рідин, стічних вод, гарячої води, сірих вод та засобів пожежогасіння.

З точки зору життєзабезпечення будівель, системи пожежогасіння є найважливішими. Протипожежний захист у будівлях майже повсюдно живиться та заповнюється чистою водою. Щоб системи пожежогасіння були ефективними, вони повинні бути надійними, мати достатній тиск та бути зручно розташованими по всій конструкції. Ці системи розроблені для автоматичного ввімкнення у разі пожежі.
Висотні будівлі потребують такого ж тиску води на верхніх поверхах, як і на нижніх, тому для подачі води вгору необхідно використовувати насоси та трубопроводи високого тиску. Системи трубопроводів зазвичай класу 300 або 600, залежно від висоти будівлі. У цих застосуваннях використовуються всі типи клапанів; однак конструкції клапанів повинні бути схвалені Underwriters Laboratories або Factory Mutual для обслуговування пожежних магістралей.

Ті ж класи та типи клапанів, що використовуються для клапанів пожежної служби, використовуються для розподілу питної води, хоча процес затвердження не такий суворий.
Комерційні системи кондиціонування повітря, що використовуються у великих бізнес-структурах, таких як офісні будівлі, готелі та лікарні, зазвичай є централізованими. Вони мають великий чилер або котел для охолодження або нагрівання рідини, що використовується для передачі холоду або високої температури. Ці системи часто повинні працювати з холодоагентами, такими як R-134a, гідрофторвуглеводень, або, у випадку великих систем опалення, з парою. Завдяки компактному розміру дросельних та кульових клапанів, ці типи стали популярними в чилерних системах опалення, вентиляції та кондиціонування повітря.

Що стосується пари, деякі чвертьобертові клапани набули популярності, проте багато інженерів-сантехніків досі покладаються на лінійні засувки та кульові клапани, особливо якщо трубопровід вимагає зварювання встик. Для цих застосувань з помірною парою сталь замінила чавун через її зварюваність.

У деяких системах опалення як теплоносій використовується гаряча вода замість пари. Для цих систем добре підходять бронзові або чавунні клапани. Кульові та дросельні клапани з пружним сідлом, що обертаються на чверть обороту, дуже популярні, хоча деякі лінійні конструкції все ще використовуються.

ВИСНОВОК
Хоча докази застосування клапанів, згадані в цій статті, можуть бути невидимими під час поїздки до Starbucks або до бабусі, деякі дуже важливі клапани завжди є поруч. Є навіть клапани в двигуні автомобіля, які використовуються для доступу до цих місць, таких як клапани в карбюраторі, що контролюють потік палива в двигун, і клапани в двигуні, що контролюють потік бензину в поршні та назад. І якщо ці клапани недостатньо близькі до нашого повсякденного життя, подумайте про те, що наші серця б'ються регулярно завдяки чотирьом життєво важливим пристроям контролю потоку.

Це ще один приклад того, що клапани справді всюди. ВМ
Частина II цієї статті охоплює додаткові галузі, де використовуються клапани. Відвідайте www.valvemagazine.com, щоб дізнатися більше про целюлозно-паперову промисловість, морське застосування, греблі та гідроенергетику, сонячну енергетику, чорну металургію, аерокосмічну промисловість, геотермальну енергетику, а також крафтове пивоваріння та дистиляцію.

ГРЕГ ДЖОНСОН — президент компанії United Valve (www.unitedvalve.com) у Х'юстоні. Він є редактором журналу VALVE, колишнім головою Ради з ремонту клапанів та чинним членом правління VRC. Він також входить до складу Комітету з питань освіти та навчання VMA, є заступником голови Комітету з комунікацій VMA та колишнім президентом Товариства стандартизації виробників.