Еволюція-всеохоплюючого кульового крана
Компактний дизайн, простота використання, легкість ремонту та широкі можливості роботи допомогли зробити кульовий кран домінуючою конструкцією в сучасному промисловому застосуванні.
Винахід кульового крана став революційною розробкою для індустрії арматури, надавши численні унікальні рішення, які відповідають сучасним вимогам регулювання потоку. Але його успішне застосування було очевидним не відразу.
На початку життя кульового крана його поточні активи та вартість не були реалізовані. Відсутності технології обробки для виготовлення справді круглої кулі не існувало. І ущільнювальні матеріали того часу, пов’язані з використанням натурального каучуку, були дуже обмеженими і перешкоджали застосуванню кульового крана для будь-якого значного промислового використання.
Під час Другої світової війни та в 1950-х роках технологія обробки, розроблена для військових зусиль, дозволила впровадити властиві переваги кульового крана у військове використання. Розробка синтетичних матеріалів, таких як політетрафторетилен (PTFE), часто відомий під торговою маркою Teflon, проклала шлях для промислового застосування.
Сьогодні кульовий кран використовується в широкому спектрі застосувань для регулювання потоку рідин, газів і навіть твердих речовин. Ці програми застосовуються при температурах від -450 градусів F (-267 градусів) до понад 1600 градусів F (871 градусів). Тиск може коливатися від повного вакууму до понад 20 000 psi.
Конструкція кульового крана
Основними компонентами кульового крана є корпус, куля, сідла та шток. Ці компоненти можуть бути виготовлені з найрізноманітніших матеріалів. Кульові крани пропонуються з численними кінцевими з’єднаннями, включаючи фланцеві, різьбові, зварні та міжфланцеві, а також спеціальні кінцеві з’єднання.
основи
Конструкції кульових кранів належать до чвер-категорії клапанів, включаючи плунжерні та поворотні клапани. Ця категорія повороту на чверть-означає, що шток клапана повертається на 90 градусів для роботи.
Найпоширенішими з цих конструкцій є плаваюча конструкція та конструкція-на цапфах. Вони, як правило, мають двонаправлене ущільнення та можуть бути орієнтовані в будь-якому положенні чи напрямку для відкриття та закриття.
Деякі основні переваги цих кульових кранів перед іншими конструкціями включають:
повний порт для високої-ефективності потоку
нижчий крутний момент
більш широкий діапазон тиску і температури
висока циклічна здатність
вищі ущільнення штока
пожежобезпечний
менша вартість автоматизації.
Конструкція плаваючої кульки спочатку стискає кульку між м’якими сідлами, коли клапан зібрано. Це змушує матеріал сидіння холодно-протікати в пори м’яча, створюючи вакуум і низький{2}}тиск. У закритому положенні тиск у лінії змушує м’яч у нижнє сідло. Це забезпечує щільне перекриття тиску та температури конструкції сидіння.
Плаваючий дизайн найчастіше зустрічається в діапазоні розмірів від 1/4 до 12 дюймів, хоча деякі виробники пропонують розміри до 18 дюймів. Розмір плаваючого кульового крана обмежений розміром і вагою кульки, а також крутним моментом, необхідним для її обертання зі збільшенням розміру.
Конструкції-на цапфах працюють прямо протилежно плаваючим конструкціям. У конструкції з цапфою кулька не може плавати, але жорстко розташована за допомогою штока вгорі та валом або цапфою з використанням підшипників знизу. Сідла стискаються до кулі за допомогою пружини або пружин для створення початкового ущільнення під низьким{3}}тиском.
Сідла цапфових клапанів сконструйовано з ущільненнями, які-подають під напругу, під час збільшення тиску стискає верхнє сідло сильніше в кульку. Це забезпечує щільне перекриття тиску та температури конструкції сидіння.
Конструкції цапф, як правило, займають місце, де закінчується застосування дизайну плаваючої кулі, і їх можна знайти в діапазоні розмірів від 3 до 72 дюймів. Перевага цієї конструкції клапана стає очевидною у міру збільшення розміру клапана.
Вага кульки та робочий крутний момент не є факторами, оскільки сідла цапфового клапана не підтримують кульку. Це означає, що сідла цапфових клапанів можуть спеціалізуватися на ущільненні кульки, дозволяючи створювати набагато більші клапани з меншим приводом, ніж це можна зробити в будь-якому типі плаваючої конструкції.
Тіло
Корпус кульового крана може бути відлитий, викований або вироблений майже з усіх мислимих металів. Це пояснюється простою і компактною конструкцією кульового крана. Застосовні метали включають:
Кольорові метали, як-от латунь, бронза й алюміній
Метали-на основі чорних металів, зокрема залізо, вуглецеві сталі та нержавіючі сталі
Метали-на основі нікелю, зокрема хастеллой, інконель і нікель
Реактивні метали, включаючи титан, тантал і цирконій.
Кульові крани також виготовляються з різних пластмас і полімерів, включаючи ПВХ, поліетилен і поліпропілен. Кульові крани також можуть бути футеровані полімерами та пластмасами, а також можуть бути виготовлені з кераміки або футеровані нею, як-от оксид алюмінію та цирконій.
Основна конструкція корпусів клапанів у Сполучених Штатах відповідає стандарту B16.34 ASME (Американського товариства інженерів-механіків). Ці стандарти визначають товщину стінок, рівні напруги та інші параметри в поєднанні з тиском-температурою для більшості чорних сплавів.
Інструкції B16.10 також визначають прийнятні розміри багатьох класів клапанів, наприклад галузеві-стандарти, як-от стандарт 6D API (Американського інституту нафти) для трубопровідної арматури та API 608 «Металеві кульові крани-з фланцями, різьбою та зварюванням». Ці специфікації контролюють розміри, матеріали та застосування, щоб гарантувати, що конструкція клапана залишається узгодженою від виробника до виробника та безпечна для передбаченого застосування.
Кульові крани в системах водопостачання охоплюються стандартом AWWA (Американської асоціації водопровідних систем), C507-18, «Кульові крани від 6 до 60 дюймів (від 150 мм до 1500 мм)».
Багато інших країн мають національні стандарти, а кілька організацій також сприяють міжнародним стандартам. Виробники арматури, які бажають вийти на світовий ринок, повинні відповідати стандартам ISO (Міжнародна організація стандартизації), PED (Директива Європейської комісії - щодо обладнання, що працює під тиском), CE (PED) і ATEX (Bureau Veritas), серед багатьох інших, які існують, наприклад, у Китаї та Росії. Дотримання цих стандартів стало обов’язковим для торгівлі з Європейським Союзом, а також стандартів JIS для Японії та подібних вимог в інших країнах.
Інші загальні специфікації для рейтингу кульових кранів включають WOG (вода/нафта/газ), CWP (холодний робочий тиск) і WSP (робочий тиск пари). Ці рейтинги більш обмежені та зазвичай встановлюються окремими виробниками. Усі ці специфікації створять криву тиск/температура для конструкції клапана, яка знижує номінальний тиск із підвищенням температури.
Конструкції кузова поділяються на чотири основні конфігурації:
Три{0}}гойдалки. Корпус складається з трьох частин із можливістю легкого виведення центральної частини корпусу з лінії для ремонту без необхідності знімати весь клапан. Це зручно, коли клапани нарізні або приварені до трубопроводу.
Кінець запису. У цьому дизайні використовується моно-компонентний або цільний дизайн. Усі внутрішні компоненти зібрані в клапан через торець, де встановлена кінцева заглушка для утримання деталей. Ця конструкція усуває будь-яку форму ущільнення корпусу або кришки, усуваючи потенційний шлях витоку.
Розділене тіло. Ця конструкція (Малюнок 5), як випливає з назви, ділить корпус на дві половини та забезпечує легке складання та на одне ущільнення корпусу менше, ніж конструкція з трьох-компонентів.
Ця конструкція роздільного корпусу є особливо вигідною, коли розмір клапана великий, що полегшує збірку великих компонентів.
Верхній запис. Конструкція верхнього входу використовує-цільний корпус, як і кінцевий вхід, за винятком того, що верхня частина корпусу відкрита для складання внутрішніх частин. Потім у верхній частині клапана прикручується кришка, завдяки чому цю конструкцію можна ремонтувати в-лінії, подібно до конструкції з трьох-компонентів. Найпоширеніші конструкції верхнього входу є унікальними для конструкцій кульових кранів, оскільки куля та сідла плавають і працюють в унісон та звужуються всередині корпусу, на відміну від інших конструкцій.
М'яч
Елементом регулювання потоку кульового крана є, звичайно ж, кулька. Куля діє на сідло і може зупиняти або контролювати потік через клапан. М'ячі розроблені та виготовлені з дотриманням точних допусків на обробку поверхні та сферичність або округлість. І кулька, і сідло мають вирішальне значення для плавної роботи, зниження крутного моменту та хорошої герметичності, особливо коли потрібні металеві сідла та ущільнення метал-до-метал. Конфігурація кульового порту може варіюватися від стандартного прямого та наскрізного-стилю до багато-мультипортового стилю для кульових кранів, які пропонують три--п’яти-конструкції портів. У той час як у більшості конструкцій кульових кранів використовується повна сферична куля, є також конструкції, у яких використовується половина кулі (сектор), а також ті, у яких кулачок використовується для притискання кульки до сідла.
Кульки, які використовуються в клапанах, виготовлені з багатьох матеріалів, включаючи метал, кераміку або пластик. Металеві кулі можна покращити різними покриттями або обробкою поверхні. Вони використовуються для забезпечення покращеної зносостійкості, стійкості до корозії або високої твердості для запобігання задиранням, коли основний метал не витримується.
Покращення поверхні може включати полімери, розпилення полум’я, нікель без електроліту, PVD-покриття та процеси дифузії, такі як нанесення нітридів і боридів. Ці вдосконалення є основною причиною успішного застосування кульових кранів у широкому спектрі застосувань, у яких вони зараз використовуються.
Сидіння
Удосконалення дизайну та технології сідла дозволило розширити сферу застосування кульового крана. Ці сідла можуть виконувати кілька функцій залежно від конструкції клапана та матеріалу сідла.
Вони повинні забезпечувати щільне закриття у випадку пружних матеріалів, а також підтримувати м’яч у конструкціях з плаваючими м’ячами, опиратися службі та забезпечувати довгий термін служби. Сидіння також можуть включати спеціальні порти для контролю потоку.
Конструкції м’якого сидіння зазвичай називають конструкціями із застряганням, які забезпечують-повний контакт обличчям у зібраному стані, або гнучкими конструкціями губ, які зменшують контакт обличчям для меншого крутного моменту та покращеного терміну служби.
Різні конструкції кузова використовуватимуть ці або варіації базової конструкції м’якого сидіння. Конструкції багатьох виробників також забезпечують певну форму скидання тиску в порожнині, що запобігає пошкодженню сідла та клапана в разі тиску в порожнині середовища, що потрапило в закритий клапан.
М’які матеріали для сидінь, що використовуються сьогодні, включають, але не обмежуються:
Каучуки, включаючи неопрен і буна
Фторполімери, включаючи PTFE, TFM, PBI та PFA
UHMWPE (над-поліетилен високої молекулярної маси)
PEEK (поліефірефіркетон)
Делрін
Нейлон
Конструкції металевого сідла використовуються в кульових кранах для роботи в найбільш важких умовах, включаючи високий тиск, високу температуру, абразивність і контроль потоку.
Використовується багато конструкцій металевих сидінь, найпоширеніші з яких включають сидіння з суцільного металу, поверхнево загартовані або покриті, і приховані до кульки, яка була аналогічно загартована. Це збігається з поверхнями м’яча та сидіння, щоб забезпечити гарне ущільнення.
Інші конструкції включають спечений метал, просочений графітом або PTFE, і навіть деякі гнучкі конструкції. Пружні сідла мають бути-герметичними, проте більшість клапанів із металевими сідлами допускають певні витоки відповідно до показників витоків у кульових кранах із металевим-сидінням. Найпоширенішими з цих специфікацій є MSS-SP-61 та API 598. Інші специфікації, які зазвичай застосовуються до кульових кранів із металевим сидінням, включають стандарти FCI 70.2 та API.
У більшості конструкцій плаваючої кульки з металевим-сидінням використовуються пружини та/або ущільнювачі для стискання посадочних місць до м’яча та для ущільнення задньої частини посадочної частини для низького тиску. М’яч плаває навпроти нижнього сидіння, коли тиск зростає, забезпечуючи перекриття тиску та температури конструкції сидіння, подібно до дії версії з м’яким-сидінням.
У цапфових конструкціях пружини та часто кілька ущільнювачів використовуються для уловлювання тиску в лінії, змушуючи гнізда сильніше притискатися до кулі, коли тиск зростає. Деякі виробники навіть обробляють поверхню посадки в корпус клапана, усуваючи пружини та ущільнення в одному напрямку. Це, однак, зазвичай призводить до односпрямованої роботи клапана.
Стебла
Шток використовується в кульовому крані для обертання кульки у відкрите або закрите положення або в проміжне положення для регулювання потоку. Матеріали, які розглядаються для стрижнів, повинні витримувати не тільки тиск тіла, м’яча чи сидінь. Вони повинні протистояти корозії та температурі процесу, зберігаючи при цьому достатню міцність, щоб витримувати крутний момент, який прикладається до них під час роботи клапана. З цієї причини для виготовлення штока зазвичай вибирають міцніші та корозійно-стійкі матеріали.
Оскільки ніжка є з’єднанням з м’ячем, вона повинна проходити через корпус, щоб нею можна було керувати зовні. Для цього необхідно, щоб шток мав ущільнення, щоб запобігти витоку середовища з клапана. Ущільнення мають бути-непроникними, витримувати корозію рідини та температуру та забезпечувати тривалий термін служби.
Типові матеріали для ущільнення штока включають такі полімери, як PTFE та PEEK. Для більш високих температур або пожежної безпеки зазвичай використовуються графітові ущільнення штока. Ці матеріали залишаються гнучкими в широкому діапазоні температур і хімічно стійкими. У протипожежних-герметичних клапанах ущільнення мають витримувати пожежу без протікання.
Конструкції ротаційних-обертових клапанів, таких як кульовий кран, мають найкращі-ущільнення штока. Це пов’язано з тим, що шток рухається в обертальному русі на відміну від висхідного руху штока, який спостерігається в засувках і запірних клапанах. Зважаючи на сучасні проблеми з навколишнім середовищем і нормативні вимоги, ефективність ущільнення штока має вирішальне значення для виробників клапанів і кінцевих-користувачів.
Конструкції ущільнень штока поділяються на дві основні категорії: ущільнення-під напругою та ущільнення-під напругою корпусу. У цих конструкціях використовується багато різних типів ущільнень, причому найпоширенішими є плоскі кільця, шеврон, чашка та конус і монолітні елементи.
Стовбур під напругою.У цій конструкції зазвичай є кілька ущільнювальних кілець. Деякі з них знаходяться всередині межі тиску корпусу клапана, яка стає основним ущільненням, а інші знаходяться поза межею тиску в тому, що називається «сальником» або «сальником».
Ці ущільнення стискаються або подаються під напругою під час підтягування штока за допомогою гайки штока, яка одночасно стискає верхні ущільнення за допомогою сальника. Більшість цих конструкцій включають тарельчасті пружини для живого навантаження на ущільнення. Завдяки цьому вузол ущільнення штока само-регулюється та компенсується температурою, що забезпечує довший цикл роботи до необхідності повторного регулювання.
Тіло під напругою.У цій конструкції ущільнення досягається вище межі тиску в сальниковій коробці, знову ж таки за допомогою одного або кількох ущільнювальних кілець. Деякі виробники можуть використовувати упорний підшипник на штоку нижче межі тиску, але ущільнення там фактично не виконується.
Ці ущільнення навантажуються за допомогою «хомута» або «сальникової пластини», стискаючи ущільнення в сальниковій коробці за допомогою болтів, вкручених у корпус. У конструкції зазвичай використовуються кілька тарельчатих пружин на болтах, щоб знову «живо навантажувати» пластину сальника, завдяки чому ущільнення штока саморегулюється-.
Перевага цієї конструкції полягає в тому, що шток вільно плаває в ущільненнях, зменшуючи крутний момент і збільшуючи термін служби ущільнення штока. Ця конструкція також дозволяє включати конструкції "неконтрольованих викидів", які використовують кілька наборів ущільнень, створюючи додаткові або надлишкові ущільнення для токсичних і -циклічних застосувань.
Додатки
Завдяки вдосконаленій конструкції та матеріалам, які пропонуються в сучасних кульових кранах, вони використовуються в багатьох сферах обслуговування та промисловості. Успіх у цих програмах залежить від правильної специфікації всіх цих конструкцій і компонентів, як обговорювалося.
Конструкції м'яча не обмежуються обслуговуванням увімкнення/вимкнення. Вони можуть бути використані для відведення, контролю або змішування потоків. Різні функції можуть бути виконані за допомогою кількох портів для відведення та змішування або за допомогою спеціального порту, такого як порт V-, для керування потоком.
Використання чверть{0}}кульового крана стає все більш поширеним у системах керування потоком-з помірним падінням тиску. Це пов’язано з такими перевагами процесу, як нижча вартість, щільне відключення та висока точність у поєднанні з цифровим керуванням на електричному та пневматичному приводі.
Існують також спеціальні конструкції кульових кранів для унікальних застосувань. Це можуть бути клапани для кріогенних умов, які повинні витримувати надзвичайно низькі температури, і клапани для високого{1}}тиску пари, які мають витримувати надзвичайно високі температури та тиск.
Інші сфери застосування кульових кранів включають їх використання в таких галузях, як фармацевтична, аерокосмічна, ядерна, біотехнологічна та целюлозно-паперова. Застосування, де вони використовуються, включають кислоти та хімікати, суспензії, термічні рідини, пару та кріогенні речовини.
Висновок
Компактний дизайн, простота використання, легкість ремонту та широкі можливості роботи допомогли зробити кульовий кран домінуючою конструкцією в сучасному промисловому застосуванні. І кульові крани продовжують розвиватися, щоб відповідати новим і складнішим вимогам.
Промисловий сектор приділяє все більшу увагу безпеці, навколишньому середовищу, підвищенню ефективності та зниженню витрат. Таким чином, активи кульового крана продовжуватимуть робити його важливим гравцем із багатьма майбутніми ролями.