Клапаны используются повсюду!

08 ноября 2017 г. Автор: Грег Джонсон

Сегодня клапаны можно найти практически повсюду: в наших домах, под улицами, в коммерческих зданиях и в тысячах мест на электростанциях и водоочистных сооружениях, целлюлозно-бумажных комбинатах, нефтеперерабатывающих заводах, химических предприятиях и других промышленных и инфраструктурных объектах.
Клапанная промышленность действительно многогранна, охватывая различные сегменты — от водоснабжения и атомной энергетики до добычи и переработки нефти и газа. Каждая из этих отраслей использует несколько основных типов клапанов; однако детали конструкции и материалы часто сильно различаются. Вот несколько примеров:

ВОДОПРОВОДЫ
В сфере водоснабжения давление почти всегда относительно низкое, а температура окружающей среды — низкая. Эти два фактора позволяют использовать ряд конструктивных элементов клапанов, которые не применяются в более сложных системах, таких как высокотемпературные паровые клапаны. Температура окружающей среды, в которой работает вода, позволяет использовать эластомеры и резиновые уплотнения, непригодные для других применений. Эти мягкие материалы позволяют оснастить водяные клапаны герметичными уплотнениями, предотвращающими протечки.

Еще один важный аспект при выборе водопроводных клапанов — это материал конструкции. Чугун и высокопрочный чугун широко используются в системах водоснабжения, особенно в трубопроводах с большим наружным диаметром. Для трубопроводов очень малого диаметра вполне подойдут клапаны из бронзы.

Давление, которому подвергаются большинство водопроводных клапанов, обычно значительно ниже 200 фунтов на квадратный дюйм (psi). Это означает, что более толстостенные конструкции, рассчитанные на высокое давление, не требуются. Тем не менее, существуют случаи, когда водопроводные клапаны рассчитаны на более высокое давление, до 300 psi. Такие клапаны обычно используются на длинных водопроводах, расположенных близко к источнику давления. Иногда клапаны высокого давления также устанавливаются в точках с самым высоким давлением на высоких плотинах.

Американская ассоциация водопроводных сооружений (AWWA) выпустила технические условия, охватывающие множество различных типов клапанов и приводов, используемых в водопроводных системах.

СТОЧНЫЕ ВОДЫ
Обратная сторона чистой питьевой воды, поступающей в здание или сооружение, — это сточные воды или канализация. Эти трубопроводы собирают все отходы и твердые частицы и направляют их на очистные сооружения. На этих очистных сооружениях используется множество трубопроводов низкого давления и клапанов для выполнения своей «грязной работы». Требования к клапанам для сточных вод во многих случаях гораздо мягче, чем требования к системам водоснабжения чистой водой. Наиболее популярным выбором для этого типа систем являются чугунные задвижки и обратные клапаны. Стандартные клапаны для этой системы изготавливаются в соответствии со спецификациями AWWA.

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Большая часть электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах, производится на паровых электростанциях, использующих ископаемое топливо и высокоскоростные турбины. Заглянув внутрь современной электростанции, можно увидеть системы трубопроводов высокого давления и высокой температуры. Эти основные магистрали являются наиболее важными в процессе производства паровой энергии.

Задвижки остаются основным выбором для систем включения/выключения на электростанциях, хотя также встречаются и специальные шаровые задвижки Y-образного типа. Высокопроизводительные шаровые задвижки для критически важных условий эксплуатации набирают популярность среди некоторых проектировщиков электростанций и постепенно вытесняют линейные задвижки с рынка.

Металлургия имеет решающее значение для клапанов в энергетических установках, особенно тех, которые работают в сверхкритических или ультрасверхкритических диапазонах давления и температуры. В современных электростанциях широко используются сплавы F91, F92, C12A, а также несколько сплавов инконеля и нержавеющей стали. Классы давления включают 1500, 2500 и в некоторых случаях 4500. Модулируемый характер работы пиковых электростанций (тех, которые работают только по мере необходимости) также создает огромную нагрузку на клапаны и трубопроводы, требуя надежных конструкций, способных выдерживать экстремальное сочетание циклических нагрузок, температуры и давления.
Помимо основных паровых клапанов, электростанции оснащены вспомогательными трубопроводами, в которых размещено множество задвижек, шаровых, обратных, дисковых и поворотных клапанов.

Атомные электростанции работают по тому же принципу паровой/высокоскоростной турбины. Основное отличие заключается в том, что на атомной электростанции пар образуется за счет тепла, выделяемого в процессе деления ядра. Клапаны атомных электростанций похожи на клапаны их аналогов, работающих на ископаемом топливе, за исключением их происхождения и дополнительного требования к абсолютной надежности. Ядерные клапаны изготавливаются в соответствии с чрезвычайно высокими стандартами, а квалификационная и инспекционная документация занимает сотни страниц.

НЕФТЕГАЗОВАЯ ПРОИЗВОДСТВО
Нефтегазовые скважины и производственные объекты интенсивно используют клапаны, в том числе и клапаны повышенной прочности. Хотя выбросы нефти на сотни метров в воздух уже не представляют большой вероятности, изображение иллюстрирует потенциальное давление подземных нефтяных и газовых месторождений. Именно поэтому устьевые головки или фонтанная арматура устанавливаются в верхней части длинной колонны скважины. Эти узлы, в сочетании с клапанами и специальными фитингами, рассчитаны на давление до 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Хотя в наши дни такое давление редко встречается на скважинах, вырытых на суше, на глубоких морских скважинах оно часто наблюдается.

Конструкция оборудования устьевого оборудования регулируется спецификациями API, такими как 6A, «Спецификация на оборудование устьевого оборудования и фонтанной арматуры». Клапаны, описанные в 6A, рассчитаны на чрезвычайно высокое давление, но умеренные температуры. Большинство фонтанных арматур содержат задвижки и специальные шаровые клапаны, называемые дроссельными заслонками. Дроссельные заслонки используются для регулирования потока из скважины.

Помимо самих скважин, на нефтегазовом месторождении имеется множество вспомогательных сооружений. Для предварительной обработки нефти или газа требуется ряд клапанов. Эти клапаны обычно изготавливаются из углеродистой стали с низким классом огнестойкости.

Иногда в сыром нефтяном потоке присутствует высококоррозионная жидкость — сероводород. Это вещество, также называемое сероводородом, может быть смертельно опасным. Для преодоления проблем, связанных с сероводородом, необходимо использовать специальные материалы или технологии обработки материалов в соответствии со спецификацией NACE International MR0175.

ОФШОРНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Трубопроводные системы морских нефтяных платформ и производственных объектов содержат множество клапанов, изготовленных по различным спецификациям для решения самых разнообразных задач регулирования потока. Эти объекты также включают в себя различные контуры управления и предохранительные устройства.

Для нефтедобывающих установок «сердцем» является собственно система трубопроводов для добычи нефти или газа. Хотя она не всегда находится на самой платформе, во многих системах добычи используются фонтанные арматуры и трубопроводы, работающие на труднодоступных глубинах 10 000 футов и более. Это производственное оборудование изготавливается в соответствии со многими строгими стандартами Американского института нефти (API) и упоминается в нескольких рекомендуемых практиках API.

На большинстве крупных нефтяных платформ к сырой жидкости, поступающей из скважины, применяются дополнительные процессы. К ним относятся отделение воды от углеводородов и отделение газа и сжиженного природного газа от потока жидкости. Эти системы трубопроводов, устанавливаемые после рождественской елки, как правило, проектируются в соответствии со стандартами B31.3 Американского общества инженеров-механиков, а клапаны разрабатываются в соответствии со спецификациями API, такими как API 594, API 600, API 602, API 608 и API 609.

Некоторые из этих систем могут также содержать задвижки, шаровые и обратные клапаны API 6D. Поскольку любые трубопроводы на платформе или буровом судне находятся внутри объекта, строгие требования к использованию клапанов API 6D для трубопроводов не применяются. Хотя в этих трубопроводных системах используются различные типы клапанов, предпочтительным типом клапана является шаровой клапан.

ТРУБОПРОВОДЫ
Хотя большинство трубопроводов скрыты от глаз, их наличие обычно очевидно. Небольшие таблички с надписью «нефтепровод» — один из явных признаков наличия подземных транспортных трубопроводов. Эти трубопроводы оборудованы множеством важных запорных клапанов по всей своей длине. Аварийные запорные клапаны трубопровода расположены через определенные интервалы в соответствии со стандартами, нормами и законами. Эти клапаны выполняют жизненно важную функцию — изолируют участок трубопровода в случае утечки или необходимости технического обслуживания.

Вдоль трубопровода также расположены сооружения, где линия выходит из-под земли и обеспечивается доступ к ней. На этих станциях размещается оборудование для запуска очистных поршней, представляющее собой устройства, вставляемые в трубопровод для осмотра или очистки линии. Эти станции запуска поршней обычно содержат несколько задвижек, как шаровых, так и задвижных. Все задвижки в трубопроводной системе должны быть полнопроходными (полностью открытыми), чтобы обеспечить прохождение очистных поршней.

Трубопроводам также необходима энергия для преодоления трения и поддержания давления и потока в трубопроводе. Для этого используются компрессорные или насосные станции, которые выглядят как уменьшенные копии технологических установок, но без высоких крекинг-башен. На этих станциях размещены десятки задвижек, шаровых и обратных клапанов.
Сами трубопроводы проектируются в соответствии с различными стандартами и нормами, а трубопроводные клапаны соответствуют стандарту API 6D Pipeline Valves.
Существуют также более мелкие трубопроводы, ведущие к жилым и коммерческим зданиям. Эти линии обеспечивают подачу воды и газа и защищены запорными клапанами.
Крупные муниципалитеты, особенно в северной части Соединенных Штатов, обеспечивают паром потребности коммерческих потребителей в отоплении. Эти паропроводы оборудованы различными клапанами для контроля и регулирования подачи пара. Хотя рабочей жидкостью является пар, давление и температура ниже, чем при парогенерации на электростанциях. В этой сфере используются различные типы клапанов, хотя проверенный временем пробковый клапан по-прежнему остается популярным выбором.

НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА И НЕФТЕХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Клапаны на нефтеперерабатывающих заводах занимают наибольшую долю рынка промышленных клапанов, чем любой другой сегмент. На нефтеперерабатывающих заводах работают как с коррозионно-активными жидкостями, так и, в некоторых случаях, с высокими температурами.
Эти факторы определяют, как изготавливаются клапаны в соответствии со спецификациями API, такими как API 600 (задвижки), API 608 (шаровые клапаны) и API 594 (обратные клапаны). Из-за жестких условий эксплуатации многих из этих клапанов часто требуется дополнительный запас на коррозионную стойкость. Этот запас проявляется в увеличении толщины стенок, указанной в проектной документации API.

Практически все основные типы клапанов в изобилии представлены на типичном крупном нефтеперерабатывающем заводе. Задвижки по-прежнему остаются лидерами рынка, но четвертьоборотные клапаны занимают все большую долю рынка. Среди четвертьоборотных изделий, успешно завоевывающих эту отрасль (которая когда-то также доминировала линейными изделиями), можно выделить высокоэффективные трехстворчатые поворотные задвижки и шаровые клапаны с металлическим уплотнением.

Стандартные задвижки, шаровые и обратные клапаны по-прежнему широко распространены, и благодаря надежности их конструкции и экономичности производства они вряд ли исчезнут в ближайшее время.
Диапазон рабочих давлений для клапанов нефтеперерабатывающих заводов варьируется от класса 150 до класса 1500, при этом наиболее популярен класс 300.
Обычные углеродистые стали, такие как марки WCB (литые) и A-105 (кованые), являются наиболее популярными материалами, используемыми в клапанах для нефтеперерабатывающих заводов. Многие технологические процессы переработки нефти выводят обычные углеродистые стали на новый уровень, и для таких применений используются высокотемпературные сплавы. Наиболее популярными из них являются хромомолибденовые стали, такие как 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr и 9% Cr. Нержавеющие стали и высоконикелевые сплавы также используются в некоторых особенно жестких процессах переработки нефти.

ХИМИЧЕСКИЙ
Химическая промышленность является крупным потребителем клапанов всех типов и материалов. От небольших заводов до огромных нефтехимических комплексов на побережье Мексиканского залива, клапаны играют огромную роль в трубопроводных системах химических производств.

В большинстве химических процессов давление ниже, чем во многих процессах переработки нефти и выработки электроэнергии. Наиболее популярными классами давления для клапанов и трубопроводов химических заводов являются классы 150 и 300. Химические заводы также стали крупнейшим двигателем захвата доли рынка, которую шаровые клапаны отвоевали у линейных клапанов за последние 40 лет. Шаровой клапан с эластичным уплотнением и герметичным запорным клапаном идеально подходит для многих применений на химических заводах. Компактные размеры шарового клапана также являются его популярной особенностью.
На некоторых химических заводах и в технологических процессах по-прежнему предпочтение отдается линейным клапанам. В таких случаях обычно выбирают задвижки или шаровые клапаны, разработанные по стандарту API 603, с более тонкими стенками и меньшим весом. Управление некоторыми химическими веществами также эффективно осуществляется с помощью диафрагменных или зажимных клапанов.
Из-за коррозионной природы многих химических веществ и процессов химического производства выбор материала имеет решающее значение. Фактическим материалом является аустенитная нержавеющая сталь марки 316/316L. Этот материал хорошо противостоит коррозии, вызываемой множеством порой агрессивных жидкостей.

Для некоторых более сложных коррозионных условий требуется дополнительная защита. В таких ситуациях часто выбирают другие высокоэффективные марки аустенитной нержавеющей стали, такие как 317, 347 и 321. К другим сплавам, которые время от времени используются для контроля химических жидкостей, относятся монель, сплав 20, инконель и 17-4 PH.

СПГ И РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗА
Как сжиженный природный газ (СПГ), так и процессы, необходимые для разделения газов, требуют наличия обширной трубопроводной сети. Для этих применений необходимы клапаны, способные работать при очень низких криогенных температурах. Быстрорастущая в Соединенных Штатах индустрия СПГ постоянно стремится модернизировать и улучшить процесс сжижения газа. С этой целью трубопроводы и клапаны стали значительно больше, а требования к давлению повысились.

Эта ситуация вынудила производителей клапанов разрабатывать конструкции, соответствующие более жестким параметрам. Шаровые и поворотные задвижки с четвертьоборотным механизмом популярны для работы с СПГ, причем наиболее распространенным материалом является нержавеющая сталь 316ss. Стандарт ANSI Class 600 является обычным пределом давления для большинства применений в СПГ. Хотя поворотные задвижки являются наиболее популярными типами клапанов, на заводах также можно встретить задвижки, шаровые и обратные клапаны.

Процесс разделения газов включает в себя разложение газа на его основные составляющие. Например, методы разделения воздуха позволяют получить азот, кислород, гелий и другие примеси газов. Очень низкая температура процесса требует использования множества криогенных клапанов.

Как на установках по производству сжиженного природного газа (СПГ), так и на газоразделительных установках используются низкотемпературные клапаны, которые должны оставаться работоспособными в этих криогенных условиях. Это означает, что система уплотнения клапана должна быть поднята над низкотемпературной жидкостью с помощью газовой или конденсационной колонны. Эта газовая колонна предотвращает образование ледяного шара вокруг зоны уплотнения, что препятствовало бы повороту или подъему штока клапана.

КОММЕРЧЕСКИЕ ЗДАНИЯ
Нас окружают коммерческие здания, но если мы не будем внимательно следить за процессом их строительства, мы мало что можем сказать о множестве текучих артерий, скрытых в их стенах из кирпича, стекла и металла.

Общим знаменателем практически в каждом здании является вода. Все эти сооружения содержат множество трубопроводных систем, по которым транспортируются различные комбинации соединений водорода и кислорода в виде питьевых жидкостей, сточных вод, горячей воды, бытовых сточных вод и противопожарных растворов.

С точки зрения сохранности здания, противопожарные системы имеют первостепенное значение. Противопожарная защита в зданиях практически повсеместно обеспечивается подачей и заполнением чистой водой. Для эффективной работы противопожарных систем необходимо, чтобы они были надежными, имели достаточное давление и были удобно расположены по всему зданию. Эти системы спроектированы таким образом, чтобы автоматически активироваться в случае пожара.
В высотных зданиях требуется одинаковое давление воды на верхних и нижних этажах, поэтому для подачи воды вверх необходимо использовать насосы высокого давления и трубопроводы. Системы трубопроводов обычно относятся к классам 300 или 600, в зависимости от высоты здания. В таких системах используются все типы клапанов; однако конструкция клапанов должна быть одобрена Underwriters Laboratories или Factory Mutual для использования в противопожарных магистралях.

Для систем водоснабжения используются те же классы и типы клапанов, что и для противопожарных систем, хотя процесс утверждения не столь строг.
Коммерческие системы кондиционирования воздуха, используемые в крупных коммерческих зданиях, таких как офисные здания, гостиницы и больницы, обычно централизованы. Они включают в себя большой чиллер или котел для охлаждения или нагрева рабочей среды, используемой для передачи холода или высоких температур. В таких системах часто приходится работать с хладагентами, такими как R-134a, гидрофторуглерод, или, в случае крупных систем отопления, с паром. Благодаря компактным размерам шаровых и дроссельных заслонок, эти типы стали популярны в системах кондиционирования воздуха.

В паровых системах получили распространение некоторые четвертьоборотные вентили, однако многие инженеры-сантехники по-прежнему полагаются на линейные задвижки и шаровые вентили, особенно если трубопроводы требуют стыковой сварки. Для таких умеренных паровых систем сталь заменила чугун из-за ее свариваемости.

В некоторых системах отопления в качестве теплоносителя используется горячая вода вместо пара. Для таких систем хорошо подходят бронзовые или чугунные вентили. Очень популярны шаровые и поворотные вентили с эластичным уплотнением, хотя до сих пор используются и некоторые линейные конструкции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Хотя доказательства применения клапанов, упомянутых в этой статье, могут быть не видны во время похода в Starbucks или к бабушке, некоторые очень важные клапаны всегда находятся поблизости. Клапаны даже в двигателе автомобиля используются для управления потоком топлива, например, в карбюраторе, контролирующем подачу топлива в двигатель, и в двигателе, контролирующем подачу бензина к поршням и его отвод. А если эти клапаны недостаточно близки к нашей повседневной жизни, вспомните о том, что наше сердце регулярно бьётся благодаря четырём жизненно важным устройствам, регулирующим потоки топлива.

Это всего лишь ещё один пример того, что клапаны действительно повсюду. VM
Вторая часть этой статьи посвящена другим отраслям, где используются клапаны. Посетите сайт www.valvemagazine.com, чтобы узнать о целлюлозно-бумажной промышленности, морских применениях, плотинах и гидроэнергетике, солнечной энергетике, металлургии, аэрокосмической отрасли, геотермальной энергетике, а также о крафтовом пивоварении и винокурении.

Грег Джонсон — президент компании United Valve (www.unitedvalve.com) в Хьюстоне. Он является редактором-обозревателем журнала VALVE Magazine, бывшим председателем Совета по ремонту клапанов и нынешним членом совета директоров VRC. Он также входит в комитет VMA по образованию и обучению, является заместителем председателя комитета VMA по коммуникациям и бывшим президентом Общества стандартизации производителей.