Эволюция универсального-шарового крана

Компактная конструкция, простота использования, простота ремонта и широкие эксплуатационные возможности помогли сделать шаровой кран доминирующей конструкцией в современном промышленном применении.

Изобретение шарового крана оказалось революционным достижением в отрасли клапанов, предоставив множество уникальных решений, отвечающих современным требованиям управления потоком. Но его успешное применение не сразу стало очевидным.

На раннем этапе существования шарового крана его текущие активы и стоимость не были реализованы. Не существовало технологии механической обработки, позволяющей сделать по-настоящему круглый шар. А уплотнительные материалы того времени, связанные с использованием натуральных каучуков, были очень ограничены и не позволяли применять шаровые краны в сколько-либо значительных промышленных целях.

Во время Второй мировой войны и в 1950-е годы технологии механической обработки, разработанные для военных нужд, позволили внедрить присущие шаровым кранам преимущества в военное использование. Разработка синтетических материалов, таких как политетрафторэтилен (ПТФЭ), часто известный под торговой маркой «Тефлон», проложила путь для применения в промышленном секторе.

Сегодня шаровой кран используется во многих сферах применения для регулирования расхода жидкостей, газов и даже твердых веществ. Эти приложения применяются при температурах от -450 градусов F (-267 градусов) до более 1600 градусов F (871 градус). Давление может варьироваться от полного вакуума до более 20 000 фунтов на квадратный дюйм.

Конструкция шарового клапана

Основными компонентами шарового крана являются корпус, шар, седла и шток. Эти компоненты могут быть изготовлены из самых разных материалов. Шаровые краны предлагаются с многочисленными торцевыми соединениями, включая фланцевые, резьбовые, приварные и межфланцевые, а также со специальными торцевыми соединениями.

Основы

Конструкции шаровых кранов относятся к категории четвертьоборотных клапанов, включая пробковые и дроссельные клапаны. Эта категория на четверть-поворота означает, что шток клапана поворачивается на 90 градусов для работы.

Наиболее распространенными из этих конструкций являются плавающая конструкция и конструкция, установленная на-цапфе. Они обычно имеют двустороннюю герметизацию-и могут быть ориентированы в любом положении или направлении для открывания и закрывания.

Некоторые из основных преимуществ этих шаровых кранов перед другими конструкциями включают в себя:

полный порт для высокой-эффективности потока

более низкий крутящий момент

более широкий диапазон давления и температуры

возможность большого цикла

превосходные уплотнения штока

пожаробезопасный-безопасный

более низкая стоимость автоматизации.

Конструкция с плавающим шаром первоначально сжимает шар между мягкими седлами при сборке клапана. Это заставляет материал седла холодным-течь в поры шара, создавая вакуум и уплотнение под низким-давлением. В закрытом положении давление в линии толкает шар в выходное седло. Это обеспечивает плотную отсечку давления и температуры конструкции седла.

Плавающая конструкция наиболее распространена в диапазоне размеров от 1/4 до 12 дюймов, хотя некоторые производители предлагают размеры до 18 дюймов. Размер плавающего шарового клапана ограничен размером и весом шара, а также крутящим моментом, необходимым для его вращения по мере увеличения размера.

Конструкции с цапфой-по принципу действия противоположны плавающим конструкциям. В конструкции с цапфой шар не может плавать, а жестко фиксируется штоком сверху и валом или цапфой с помощью подшипников снизу. Седла прижимаются к шару с помощью пружины или пружин для создания начального уплотнения при низком-давлении.

Седла цапфового клапана оснащены уплотнениями, которые-подключаются к технологическому процессу, при этом возрастающее давление сильнее прижимает входное седло к шару. Это обеспечивает плотную отсечку давления и температуры конструкции седла.

Конструкции с цапфой обычно занимают место там, где применение конструкции с плавающим шаром заканчивается, и их можно найти в диапазоне размеров от 3 до 72 дюймов. Преимущество такой конструкции клапана становится очевидным по мере увеличения размера клапана.

Вес шара и рабочий крутящий момент не имеют значения, поскольку седла цапфового клапана не поддерживают шар. Это означает, что седла клапанов с цапфой могут специализироваться на уплотнении шара, что позволяет создавать клапаны гораздо большего размера с меньшим срабатыванием, чем те, которые могут быть изготовлены в любой плавающей конструкции.

Тело

Корпус шарового крана может быть отлит, кован или обработан практически из любого мыслимого металла. Это связано с простой и компактной конструкцией шарового крана. Применимые металлы включают:

Цветные-черные металлы, например латунь, бронза и алюминий.

Черные-металлы, включая железо, углеродистые и нержавеющие стали.

Металлы на основе никеля-, в том числе хастеллой, инконель и никель.

Реактивные металлы, включая титан, тантал и цирконий.

Шаровые краны также изготавливаются из различных пластмасс и полимеров, включая ПВХ, полиэтилен и полипропилен. Шаровые краны также могут быть покрыты полимерами и пластиками, а также могут быть изготовлены из керамики, такой как оксид алюминия и диоксид циркония, или покрыты ею.

Базовая конструкция корпусов клапанов в США соответствует стандарту B16.34 ASME (Американское общество инженеров-механиков). Эти стандарты определяют толщину стенок, уровни напряжения и другие параметры в сочетании с зависимостью давления-температуры для большинства ферросплавов.

В руководствах B16.10 также указаны допустимые размеры многих классов клапанов, таких как отраслевые-стандарты, такие как стандарт 6D API (Американского института нефти) 6D для трубопроводной арматуры и API 608, «Металлические шаровые краны-с фланцевыми, резьбовыми и приварными концами». Эти спецификации контролируют размеры, материалы и области применения, чтобы гарантировать, что конструкция клапана остается одинаковой от производителя к производителю и безопасна для предполагаемого применения.

Шаровые краны, используемые в системах водоснабжения, соответствуют стандарту AWWA (Американской ассоциации водоснабжения), C507-18, «Шаровые краны, от 6 до 60 дюймов (от 150 до 1500 мм)».

Во многих других странах существуют национальные стандарты, а некоторые организации также поддерживают международные стандарты. Производители клапанов, желающие выйти на мировой рынок, должны соответствовать стандартам ISO (Международной организации по стандартизации), PED (- Директива Европейской комиссии по оборудованию, работающему под давлением), CE (PED) и ATEX (Бюро Веритас), а также многим другим стандартам, например, в Китае и России. Соблюдение этих стандартов стало обязательным для торговли с Европейским Союзом, а также стандартов JIS для Японии и аналогичных требований в других странах.

Другие распространенные характеристики шаровых кранов включают WOG (вода/масло/газ), CWP (холодное рабочее давление) и WSP (рабочее давление пара). Эти рейтинги более ограничены и обычно устанавливаются отдельным производителем. Все эти спецификации определяют кривую давления/температуры для конструкции клапана, которая снижает номинальное давление при повышении температуры.

Конструкции кузова делятся на четыре основные конфигурации:

Разворот из трех-частей. Корпус состоит из трех частей, с возможностью легкого извлечения центральной части корпуса из линии для ремонта без необходимости снятия всего клапана. Это удобно, когда клапаны ввинчиваются в трубопровод или привариваются к нему.

Конец входа. В этой конструкции используется цельная-часть или цельная конструкция. Все внутренние компоненты собираются в клапан через торец, где установлена ​​торцевая заглушка для фиксации деталей. Эта конструкция исключает любую форму уплотнения корпуса или крышки, исключая потенциальный путь утечки.

Разделенное тело. Эта конструкция (рис. 5), как следует из названия, разделяет корпус на две половины и обеспечивает легкую сборку и на одно уплотнение корпуса меньше, чем конструкция из трех-частей.

Такая конструкция с разъемным корпусом особенно выгодна, когда размер клапана велик, что упрощает сборку крупных компонентов.

Верхняя запись. В конструкции верхнего входа используется цельный-корпус, как и в торцевом входе, за исключением того, что верхняя часть корпуса открыта для сборки внутренних частей. Затем к верхней части клапана прикручивается крышка, благодаря чему эту конструкцию можно ремонтировать в линию,-аналогично конструкции, состоящей из трех-деталей. Наиболее распространенные конструкции с верхним входом уникальны для конструкций шаровых кранов, поскольку в отличие от других конструкций шар и седла плавают и работают синхронно и на конусе внутри корпуса.

Мяч

Элементом регулирования расхода шарового крана является, конечно же, шар. Шар воздействует на седло и может остановить или контролировать поток через клапан. Шары проектируются и производятся с соблюдением строгих допусков на качество поверхности, сферичность или округлость. И шар, и седло имеют решающее значение для плавной работы, снижения крутящего момента и хороших характеристик уплотнения, особенно когда требуются металлические седла и уплотнение металл-к-металлу. Конфигурация шарового порта может варьироваться от стандартного типа с прямыми и сквозными-отверстиями до многоходового-типа для шаровых кранов, которые имеют конструкции с тремя- и пятью-ходовыми отверстиями. Хотя в большинстве конструкций шаровых кранов используется полный сферический шар, существуют также конструкции, в которых используется половина шара (сектор) и те, в которых используется кулачковый механизм для прижима шара к седлу.

Шарики, используемые в клапанах, изготавливаются из многих материалов, включая металл, керамику или пластик. Металлические шарики можно улучшить с помощью различных покрытий или обработок поверхности. Они используются для обеспечения улучшенной износостойкости, коррозионной стойкости или высокой твердости для предотвращения истирания, при котором основной металл не выдерживает нагрузки.

Улучшение поверхности может включать полимеры, газопламенное напыление, химический никель, PVD-покрытия и диффузионные процессы, такие как нанесение нитридов и боридов. Эти усовершенствования являются основной причиной успешного применения шаровых кранов в самых разных областях применения, в которых они используются в настоящее время.

Сиденья

Усовершенствование конструкции и технологии седла позволило расширить сферу применения шарового крана. Эти седла могут выполнять несколько функций в зависимости от конструкции клапана и материала седла.

Они должны обеспечивать герметичное закрытие в случае использования упругих материалов, а также поддерживать шар в конструкциях с плавающим шаром, выдерживать эксплуатацию и обеспечивать длительный срок службы. Сиденья также могут иметь специальные порты для управления потоком.

Конструкции с мягким седлом обычно называются конструкциями с защемлением, которые обеспечивают полный-контакт при сборке, или конструкциями с гибкими кромками, которые уменьшают контакт с поверхностью для снижения крутящего момента и увеличения срока службы.

В различных конструкциях кузовов будут использоваться эти или вариации базовой конструкции мягкого сиденья. В конструкциях многих производителей также предусмотрена некоторая форма сброса давления в полости, предотвращающая повреждение седла и клапана в случае попадания в полость давления из-за среды, попавшей в закрытый клапан.

Материалы мягких сидений, используемые сегодня, включают, помимо прочего:

Каучуки, включая неопрен и буна.

Фторполимеры, включая ПТФЭ, TFM, PBI и PFA.

СВМПЭ (полиэтилен сверх-высокомолекулярного веса)

PEEK (полиэфирэфиркетон)

Делрин

Нейлон

Металлические седла используются в шаровых кранах для работы в самых тяжелых условиях, включая высокое давление, высокую температуру, абразивность и контроль потока.

Используется множество конструкций металлических седел, наиболее распространенные из которых включают седла из цельного металла с закаленной поверхностью или с покрытием, притертые к шару, закаленному аналогичным образом. Это позволит совместить поверхности шара и седла, чтобы обеспечить хорошее уплотнение.

Другие конструкции включают спеченный металл, пропитанный графитом или ПТФЭ, и даже некоторые гибкие конструкции. Упругие седла должны быть -герметичными, однако большинство клапанов с металлическими седлами допускают некоторую утечку в зависимости от спецификации утечки шаровых кранов с металлическим-седлом. Наиболее распространенными из этих спецификаций являются MSS-SP-61 и API 598. Другие спецификации, которые обычно применяются к шаровым кранам с металлическим седлом, включают стандарты FCI 70.2 и API.

В большинстве конструкций плавающих шаров с металлическим-седлом используются пружины и/или уплотнения для прижатия седел к шару и герметизации задней стороны седла при низком давлении. По мере увеличения давления шар прижимается к заднему седлу, обеспечивая отключение при расчетном давлении и температуре седла, аналогично действию версии с мягким-седлом.

В конструкциях с цапфой для улавливания давления в магистрали используются пружины и часто несколько уплотнений, которые при увеличении давления сильнее прижимают седла к шару. Некоторые производители даже обрабатывают посадочную поверхность корпуса клапана, устраняя пружины и уплотнения в одном направлении. Однако это обычно приводит к однонаправленной работе клапана.

Стебли

Шток используется в шаровом кране для поворота шара в открытое или закрытое положение или в промежуточное положение для регулирования потока. Материалы, из которых изготовлены штоки, должны выдерживать не только давление корпуса, шара или седел. Они должны противостоять коррозии и температуре процесса, сохраняя при этом достаточную прочность, чтобы выдерживать крутящий момент, приложенный к ним при срабатывании клапана. По этой причине для изготовления штока обычно выбирают более прочные и-стойкие к коррозии материалы.

Поскольку шток является соединением с шаром, он должен проходить через корпус, чтобы им можно было управлять снаружи. Для этого необходимо, чтобы шток имел уплотнения для предотвращения утечки среды из клапана. Уплотнения должны -герметизироваться, выдерживать коррозию и температуру жидкости, а также обеспечивать длительный срок службы.

Типичные материалы уплотнения штока включают такие полимеры, как ПТФЭ и ПЭЭК. Для более высоких температур или пожарной безопасности обычно используются графитовые уплотнения штока. Эти материалы остаются гибкими в широком диапазоне температур и химически стойкими. В противопожарных-клапанах уплотнения должны выдерживать пожар без утечек.

Поворотные-клапаны, такие как шаровые краны, имеют наиболее-эффективные уплотнения штока. Это происходит из-за того, что шток движется во вращательном движении, в отличие от подъемного движения штока, характерного для задвижек и шаровых клапанов. В условиях современных экологических проблем и норм эксплуатационные характеристики уплотнения штока имеют решающее значение для производителей клапанов и конечных-пользователей.

Конструкции уплотнений штока делятся на две основные категории: уплотнения штока-под напряжением и уплотнения корпуса-под напряжением. В этих конструкциях используется множество различных типов уплотнений, наиболее распространенными из которых являются плоское кольцо, шеврон, чашка и конус и монолитные элементы.

Ствол под напряжением.В этой конструкции обычно имеется несколько уплотнительных колец. Некоторые из них находятся внутри границы давления корпуса клапана, которая становится основным уплотнением, а другие находятся за пределами границы давления в так называемой «набивочной» или «сальниковой» коробке.

Эти уплотнения сжимаются или подаются под напряжением за счет натягивания штока с помощью гайки штока, которая одновременно сжимает верхние уплотнения с помощью толкателя уплотнения. В большинстве этих конструкций используются тарельчатые пружины для динамической нагрузки на уплотнения. Это обеспечивает саморегулирование узла уплотнения штока-и температурную компенсацию, что обеспечивает более длительный срок службы, прежде чем потребуется повторная регулировка.

Тело под напряжением.В этой конструкции уплотнение осуществляется выше границы давления в сальниковой камере, опять же с использованием одного или нескольких уплотнительных колец. Некоторые производители могут использовать подпятник на штоке ниже границы давления, но уплотнение там фактически не выполняется.

Эти уплотнения нагружаются с помощью «хомута» или «сальниковой пластины», сжимая уплотнения в сальнике с помощью болтов, ввинченных в корпус. В конструкции обычно используются несколько тарельчатых пружин на болтах, которые снова создают «постоянную нагрузку» на сальниковую пластину, обеспечивая саморегулирование уплотнения штока-.

Преимущество этой конструкции заключается в том, что шток может свободно перемещаться внутри уплотнений, что снижает крутящий момент и увеличивает срок службы уплотнений штока. Эта конструкция также позволяет использовать конструкции с «неорганизованными выбросами», в которых используются несколько наборов уплотнений, создавая дополнительные или резервные уплотнения для токсичных и много-циклических применений.

Приложения

Благодаря передовой конструкции и материалам, предлагаемым в современных шаровых кранах, они используются во многих сферах услуг и отраслях промышленности. Успех в этих приложениях зависит от правильной спецификации всех этих конструкций и компонентов, как обсуждалось.

Дизайн мячей не ограничивается подачей вкл/выкл. Их можно использовать для отклонения, контроля или смешивания потоков. Различные функции могут быть выполнены за счет наличия нескольких портов для отклонения и смешивания или за счет наличия специального порта, такого как порт V-, для управления потоком.

Использование четвертьоборотных регулирующих шаровых кранов становится все более распространенным в системах регулирования расхода с умеренным-перепадом давления. Это связано с такими технологическими преимуществами, как более низкая стоимость, плотная отсечка и высокая точность в сочетании с цифровым управлением электрическим и пневматическим приводом.

Существуют также специальные конструкции шаровых кранов для уникальных применений. К ним могут относиться клапаны для криогенной эксплуатации, которые должны выдерживать чрезвычайно низкие температуры, и клапаны для пара высокого-давления, которые должны выдерживать чрезвычайно высокие температуры и давления.

Другие области применения шаровых кранов включают их использование в таких отраслях, как фармацевтическая, аэрокосмическая, атомная, биотехнологическая и целлюлозно-бумажная. Области применения, в которых они используются, включают кислоты и химикаты, суспензии, тепловые жидкости, пар и криогенику.

Заключение

Компактная конструкция, простота использования, простота ремонта и широкие эксплуатационные возможности помогли сделать шаровой кран доминирующей конструкцией в современном промышленном применении. И шаровые краны продолжают развиваться, чтобы соответствовать новым и более сложным требованиям.

Промышленный сектор уделяет все большее внимание безопасности, окружающей среде, повышению эффективности и снижению затрат. Таким образом, преимущества шарового крана будут по-прежнему делать его важным игроком, играющим множество ролей в будущем.