Къде се използват клапани: Навсякъде!

08 ноември 2017 г. Написано от Грег Джонсън

Днес вентилите могат да бъдат намерени почти навсякъде: в домовете ни, под улицата, в търговски сгради и на хиляди места в електроцентрали и водни централи, хартиени фабрики, рафинерии, химически заводи и други промишлени и инфраструктурни съоръжения.
Индустрията за производство на клапани е наистина широкообхватна, като сегментите варират от водоснабдяване до ядрена енергетика, добив и преработка на нефт и газ. Всяка от тези индустрии за крайни потребители използва някои основни видове клапани; детайлите на конструкцията и материалите обаче често са много различни. Ето един пример:

ВОДНИ СРЕДСТВА
В света на водоснабдяването, налягането почти винаги е относително ниско, а температурите - околните. Тези два факта за приложение позволяват редица конструктивни елементи на клапаните, които не биха се намерили в по-сложно оборудване, като например високотемпературни парни клапани. Околната температура на водоснабдяването позволява използването на еластомери и гумени уплътнения, които не са подходящи другаде. Тези меки материали позволяват водните клапани да бъдат оборудвани така, че да запечатват плътно капките.

Друго съображение при водоснабдителните вентили е изборът на материали за изработка. Чугуните и сферографитените чугуни се използват широко във водоснабдителните системи, особено при тръбопроводи с голям външен диаметър. За много малки тръбопроводи могат да се използват бронзови материали за вентили.

Наляганията, които повечето водопроводни клапани издържат, обикновено са доста под 200 psi. Това означава, че не са необходими конструкции с по-дебели стени за по-високо налягане. Въпреки това, има случаи, в които водните клапани са конструирани да се справят с по-високи налягания, до около 300 psi. Тези приложения обикновено са на дълги акведукти близо до източника на налягане. Понякога водните клапани с по-високо налягане се намират и в точките с най-високо налягане във висок язовир.

Американската асоциация на водоснабдителните предприятия (AWWA) е издала спецификации, обхващащи много различни видове клапани и задвижващи механизми, използвани във водоснабдителните предприятия.

ОТПАДЪЧНИ ВОДИ
Обратната страна на прясната питейна вода, постъпваща в съоръжение или конструкция, е изходът на отпадъчните води или канализацията. Тези тръбопроводи събират всички отпадъчни течности и твърди вещества и ги насочват към пречиствателна станция за отпадъчни води. Тези пречиствателни станции разполагат с много тръбопроводи за ниско налягане и клапани, за да изпълняват своята „мръсна работа“. Изискванията за клапаните за отпадъчни води в много случаи са много по-леки от изискванията за чиста вода. Железните шибъри и възвратните клапани са най-популярният избор за този вид услуга. Стандартните клапани в тази услуга са изградени в съответствие със спецификациите на AWWA.

ЕНЕРГЕТИКА
По-голямата част от електроенергията, генерирана в Съединените щати, се генерира в парни електроцентрали, използващи изкопаеми горива и високоскоростни турбини. Отлепването на капака на съвременна електроцентрала би разкрило представа за тръбопроводните системи с високо налягане и висока температура. Тези главни тръбопроводи са най-важните в процеса на производство на парна енергия.

Шибърните вентили остават основен избор за приложения за включване/изключване на електроцентрали, въпреки че се срещат и сферични вентили със специално предназначение, Y-образен модел. Високопроизводителните сферични вентили за критични условия набират популярност сред някои проектанти на електроцентрали и си проправят път в този някога доминиран от линейни вентили свят.

Металургията е от решаващо значение за клапаните в енергийните приложения, особено тези, работещи в свръхкритичните или ултра-свъркритични работни диапазони на налягане и температура. F91, F92, C12A, заедно с няколко сплави от Inconel и неръждаема стомана, се използват често в днешните електроцентрали. Класовете на налягане включват 1500, 2500 и в някои случаи 4500. Модулиращият характер на централите с пикова мощност (тези, които работят само при необходимост) също така оказва огромно натоварване върху клапаните и тръбопроводите, което изисква здрави конструкции, за да се справят с екстремната комбинация от цикли, температура и налягане.
В допълнение към главните парни клапани, електроцентралите са заредени със спомагателни тръбопроводи, пълни с безброй шибърни, сферични, обратни, дроселни и сферични кранове.

Атомните електроцентрали работят на същия принцип на пара/високоскоростна турбина. Основната разлика е, че в атомната електроцентрала парата се създава от топлината от процеса на делене. Вентилите на атомните електроцентрали са подобни на своите братовчеди, работещи с изкопаеми горива, с изключение на техния произход и добавеното изискване за абсолютна надеждност. Ядрените вентили се произвеждат по изключително високи стандарти, като квалификационната и инспекционната документация запълва стотици страници.

ДОБИВ НА НЕФТ И ГАЗ
Нефтените и газовите кладенци и производствените съоръжения са големи потребители на клапани, включително много тежкотоварни клапани. Въпреки че вече не е вероятно да се появят фонтани от петрол, изригващи стотици метри във въздуха, изображението илюстрира потенциалното налягане на подземния нефт и газ. Ето защо главите на кладенците или коледните елхи се поставят в горната част на дългата тръбна верига на кладенеца. Тези възли, с комбинацията си от клапани и специални фитинги, са проектирани да издържат на налягане над 10 000 psi. Макар и рядко срещани в кладенци, изкопани на сушата в наши дни, екстремно високи налягания често се срещат в дълбоки офшорни кладенци.

Проектирането на оборудване за устие на кладенеца е обхванато от спецификации на API, като например 6A, Спецификация за оборудване за устие на кладенеца и коледни елхи. Вентилите, обхванати в 6A, са проектирани за изключително високо налягане, но умерени температури. Повечето коледни елхи съдържат шибърни вентили и специални сферични вентили, наречени дросели. Дроселите се използват за регулиране на потока от кладенеца.

В допълнение към самите устия на кладенците, много спомагателни съоръжения заемат нефтено или газово находище. Технологичното оборудване за предварителна обработка на нефта или газа изисква редица клапани. Тези клапани обикновено са от въглеродна стомана, класифицирани за по-ниски класове.

Понякога в потока от суров петрол присъства силно корозивен флуид – сероводород. Този материал, наричан още сериен газ, може да бъде смъртоносен. За да се преодолеят предизвикателствата, свързани със сериен газ, трябва да се използват специални материали или техники за обработка на материали в съответствие с международната спецификация на NACE MR0175.

ОФШОРНА ИНДУСТРИЯ
Тръбопроводните системи за офшорни нефтени платформи и производствени съоръжения съдържат множество клапани, изградени по различни спецификации, за да се справят с голямото разнообразие от предизвикателства, свързани с контрола на потока. Тези съоръжения съдържат също така различни контури на системи за управление и устройства за освобождаване на налягането.

За съоръженията за добив на нефт, артериалното сърце е действителната тръбопроводна система за добив на нефт или газ. Въпреки че не винаги е на самата платформа, много производствени системи използват коледни елхи и тръбопроводни системи, които работят в негостоприемните дълбочини от 10 000 фута или повече. Това производствено оборудване е изградено по много строги стандарти на Американския петролен институт (API) и е посочено в няколко препоръчителни практики (RP) на API.

На повечето големи нефтени платформи се прилагат допълнителни процеси към суровия флуид, идващ от устието на сондажа. Те включват отделяне на вода от въглеводородите и отделяне на газ и течни вещества от природен газ от потока флуид. Тези тръбопроводни системи „след коледната елха“ обикновено се изграждат съгласно тръбопроводните кодове B31.3 на Американското дружество на машинните инженери, като клапаните са проектирани в съответствие със спецификациите на API за клапани, като API 594, API 600, API 602, API 608 и API 609.

Някои от тези системи могат да съдържат и шибърни, сферични и възвратни клапани по API 6D. Тъй като всички тръбопроводи на платформата или сондажния кораб са вътрешни за съоръжението, строгите изисквания за използване на клапани по API 6D за тръбопроводи не се прилагат. Въпреки че в тези тръбопроводни системи се използват множество видове клапани, предпочитаният тип клапан е сферичният кран.

ТРЪБОПРОВОДИ
Въпреки че повечето тръбопроводи са скрити от погледа, тяхното присъствие обикновено е очевидно. Малки табели с надпис „нефтопровод“ са един очевиден индикатор за наличието на подземни транспортни тръбопроводи. Тези тръбопроводи са оборудвани с много важни клапани по цялата си дължина. Аварийните спирателни клапани на тръбопроводите се намират на интервали, определени от стандарти, кодекси и закони. Тези клапани изпълняват жизненоважната функция за изолиране на участък от тръбопровода в случай на теч или когато е необходима поддръжка.

По трасето на тръбопровода са разпръснати и съоръжения, където тръбопроводът излиза от земята и е осигурен достъп до него. Тези станции са дом на оборудване за изстрелване на „чукалки“, което се състои от устройства, поставени в тръбопроводите за проверка или почистване на тръбопровода. Тези станции за изстрелване на чукалки обикновено съдържат няколко клапана, тип шибър или топка. Всички клапани на тръбопроводната система трябва да са с пълен отвор (напълно отваряне), за да позволят преминаването на чукалки.

Тръбопроводите също се нуждаят от енергия, за да се борят с триенето в тръбопровода и да поддържат налягането и потока в линията. Използват се компресорни или помпени станции, които изглеждат като малки версии на технологична инсталация, но без високите кули за крекинг. Тези станции са дом на десетки шибърни, сферични и обратни тръбопроводни клапани.
Самите тръбопроводи са проектирани в съответствие с различни стандарти и кодове, докато тръбопроводните вентили отговарят на API 6D.
Има и по-малки тръбопроводи, които захранват къщи и търговски сгради. Тези линии осигуряват вода и газ и са защитени от спирателни вентили.
Големите общини, особено в северната част на Съединените щати, осигуряват пара за отоплителни нужди на търговски клиенти. Тези паропроводи са оборудвани с различни клапани за контрол и регулиране на подаването на пара. Въпреки че флуидът е пара, налягането и температурите са по-ниски от тези, използвани при парогенерирането в електроцентрали. В тази услуга се използват различни видове клапани, въпреки че почитаният вентил с плъзгаща се пробка все още е популярен избор.

РАФИНЕРИЯ И НЕФТОХИМИКА
Рафинерийните клапани са от по-голямо значение за промишленото използване на клапани, отколкото всеки друг сегмент от клапаните. Рафинериите са дом както на корозивни течности, така и в някои случаи на високи температури.
Тези фактори диктуват как се изграждат клапаните в съответствие със спецификациите за проектиране на клапани на API, като например API 600 (затварящи клапани), API 608 (сферични клапани) и API 594 (възвратни клапани). Поради тежките условия на експлоатация, с които се сблъскват много от тези клапани, често е необходим допълнителен допустим корозия. Този допустим допустим корозия се проявява чрез по-големи дебелини на стените, които са посочени в проектните документи на API.

На практика всеки основен тип клапан може да се намери в изобилие в типична голяма рафинерия. Вездесъщият шибърен вентил все още е царят на хълма с най-голямо разпространение, но четвъртоборотните вентили заемат все по-голям дял от пазарния им дял. Продуктите с четвъртоборотни вентили, които успешно навлизат в тази индустрия (която някога също беше доминирана от линейни продукти), включват високопроизводителни тройно отместени дроселни вентили и сферични вентили с метално седалково уплътнение.

Стандартните шибърни, сферични и възвратни клапани все още се срещат масово и поради сърдечността на дизайна и икономичността на производството, няма да изчезнат скоро.
Номиналното налягане за рафинерийските клапани варира от клас 150 до клас 1500, като клас 300 е най-популярен.
Обикновените въглеродни стомани, като например клас WCB (лята) и A-105 (кована), са най-популярните материали, специфицирани и използвани в клапаните за рафинерии. Много приложения в рафиниращите процеси изтласкват горните температурни граници на обикновените въглеродни стомани и за тези приложения се специфицират сплави за по-високи температури. Най-популярни от тях са хром-молибденовите стомани, като например 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr и 9% Cr. Неръждаемите стомани и сплавите с високо съдържание на никел също се използват в някои особено тежки рафиниращи процеси.

ХИМИЧЕСКИ
Химическата промишленост е голям потребител на клапани от всякакъв вид и материали. От малки заводи за партиди до огромните нефтохимически комплекси, разположени на брега на Мексиканския залив, клапаните са огромна част от тръбопроводните системи за химически процеси.

Повечето приложения в химичните процеси са с по-ниско налягане, отколкото много рафиниращи процеси и производство на електроенергия. Най-популярните класове налягане за клапани и тръбопроводи за химически заводи са класове 150 и 300. Химическите заводи също така са най-големият двигател на пазарния дял, който сферичните кранове са изтръгнали от линейните клапани през последните 40 години. Сферичният кран с еластична седалка, със своето затваряне с нулев теч, е идеално решение за много приложения в химически заводи. Компактният размер на сферичния кран също е популярна характеристика.
Все още има някои химически заводи и производствени процеси, където линейните клапани са предпочитани. В тези случаи популярните клапани, проектирани по API 603, с по-тънки стени и по-леко тегло, обикновено са предпочитаният шибърен или сферичен клапан. Контролът на някои химикали се осъществява ефективно и с диафрагмени или пинчови клапани.
Поради корозивния характер на много химикали и процеси на тяхното производство, изборът на материал е от решаващо значение. Основният материал е аустенитна неръждаема стомана клас 316/316L. Този материал е добър в борбата с корозията от множество понякога неприятни течности.

За някои по-тежки корозивни приложения е необходима по-добра защита. В тези ситуации често се избират други високоефективни марки аустенитна неръждаема стомана, като 317, 347 и 321. Други сплави, които се използват от време на време за контрол на химически течности, включват монел, сплав 20, инконел и 17-4 PH.

РАЗДЕЛЯНЕ НА ВПГ И ГАЗ
Както втечненият природен газ (LNG), така и процесите, необходими за разделянето на газ, разчитат на обширни тръбопроводи. Тези приложения изискват клапани, които могат да работят при много ниски криогенни температури. LNG индустрията, която се развива бързо в Съединените щати, непрекъснато се стреми да модернизира и подобри процеса на втечняване на газ. За тази цел тръбопроводите и клапаните са станали много по-големи, а изискванията за налягане са се повишили.

Тази ситуация наложи на производителите на клапани да разработят конструкции, които да отговарят на по-строги параметри. Четвъртоборотните сферични и дроселни клапани са популярни за втечнен природен газ (LNG), като най-популярният материал е 316ss [неръждаема стомана]. ANSI клас 600 е обичайният таван на налягането за повечето LNG приложения. Въпреки че четвъртоборотните продукти са най-популярните видове клапани, в заводите могат да се намерят и шибърни, сферични и възвратни клапани.

Услугата за разделяне на газове включва разделяне на газа на отделните му основни елементи. Например, методите за разделяне на въздух дават азот, кислород, хелий и други следи от газове. Много нискотемпературният характер на процеса означава, че са необходими много криогенни клапани.

Както инсталациите за втечнен природен газ (LNG), така и инсталациите за разделяне на газ имат нискотемпературни клапани, които трябва да останат работещи в тези криогенни условия. Това означава, че системата за уплътняване на клапаните трябва да бъде повдигната далеч от нискотемпературния флуид чрез използването на газова или кондензационна колона. Тази газова колона предотвратява образуването на ледена топка от флуида около зоната на уплътняване, което би попречило на стеблото на клапана да се завърти или повдигне.

ТЪРГОВСКИ СГРАДИ
Търговските сгради ни заобикалят, но ако не обърнем голямо внимание на строителството им, нямаме представа за множеството течни артерии, скрити в стените им от зидария, стъкло и метал.

Общ знаменател в почти всяка сграда е водата. Всички тези конструкции съдържат разнообразни тръбопроводни системи, пренасящи много комбинации от водородно-кислородното съединение под формата на питейни течности, отпадъчни води, топла вода, сиви води и противопожарна защита.

От гледна точка на оцеляването на сградите, противопожарните системи са най-важни. Противопожарната защита в сградите почти навсякъде се захранва и пълни с чиста вода. За да бъдат ефективни противопожарните системи, те трябва да са надеждни, да имат достатъчно налягане и да са удобно разположени в цялата конструкция. Тези системи са проектирани да се задействат автоматично в случай на пожар.
Високите сгради изискват същото водно налягане на горните етажи, както и на долните етажи, така че трябва да се използват помпи и тръбопроводи за високо налягане, за да се издигне водата нагоре. Тръбопроводните системи обикновено са от клас 300 или 600, в зависимост от височината на сградата. В тези приложения се използват всички видове клапани; конструкциите на клапаните обаче трябва да бъдат одобрени от Underwriters Laboratories или Factory Mutual за работа с противопожарни магистрали.

Същите класове и видове клапани, използвани за противопожарни клапани, се използват и за разпределение на питейна вода, въпреки че процесът на одобрение не е толкова строг.
Търговските климатични системи, които се намират в големи бизнес структури като офис сгради, хотели и болници, обикновено са централизирани. Те имат голям охладителен агрегат или бойлер за охлаждане или загряване на флуид, използван за пренос на студ или висока температура. Тези системи често трябва да работят с хладилни агенти като R-134a, хидрофлуоровъглерод, или в случай на големи отоплителни системи, пара. Поради компактния размер на дроселните и сферичните клапани, тези видове са станали популярни в охладителните системи за отопление, вентилация и климатизация.

От страна на парата, някои четвъртоборотни вентили са се наложили, но много водопроводчици все още разчитат на линейни шибърни и сферични вентили, особено ако тръбопроводът изисква челно заваряеми краища. За тези приложения с умерена пара стоманата е заменила чугуна поради заваряемостта ѝ.

Някои отоплителни системи използват гореща вода вместо пара като преносна течност. Тези системи се обслужват добре от бронзови или чугунени клапани. Четвъртоборотните сферични и дроселови клапани с еластично уплътнение са много популярни, въпреки че все още се използват някои линейни конструкции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Въпреки че доказателства за приложенията на клапаните, споменати в тази статия, може да не са видими по време на пътуване до Starbucks или до къщата на баба, някои много важни клапани винаги са наблизо. Има дори клапани в двигателя на колата, използвани за достигане до тези места, като например тези в карбуратора, които контролират потока на гориво в двигателя, и тези в двигателя, които контролират потока на бензин в буталата и обратно. И ако тези клапани не са достатъчно близо до ежедневието ни, помислете за реалността, че сърцата ни бият редовно чрез четири жизненоважни устройства за контрол на потока.

Това е просто още един пример за реалността, че: клапаните наистина са навсякъде. VM
Част II на тази статия обхваща допълнителни индустрии, в които се използват клапани. Посетете www.valvemagazine.com, за да прочетете за целулоза и хартия, морски приложения, язовири и водноелектрическа енергия, слънчева енергия, желязо и стомана, аерокосмическа индустрия, геотермална енергия, както и занаятчийско пивоварство и дестилация.

ГРЕГ ДЖОНСЪН е президент на United Valve (www.unitedvalve.com) в Хюстън. Той е редактор на списание VALVE, бивш председател на Съвета за ремонт на клапани и настоящ член на борда на VRC. Той е и член на Комитета по образование и обучение на VMA, заместник-председател на Комитета по комуникации на VMA и бивш президент на Обществото за стандартизация на производителите.