Где используются клапаны: везде!

08 ноября 2017 г. Автор: Грег Джонсон

Сегодня клапаны можно найти практически где угодно: в наших домах, под улицами, в коммерческих зданиях и в тысячах мест на электростанциях и водопроводах, бумажных фабриках, нефтеперерабатывающих заводах, химических заводах и других промышленных и инфраструктурных объектах.
Отрасль клапаностроения поистине многогранна: она охватывает различные сегменты: от водоснабжения и атомной энергетики до добычи и переработки нефти и газа. В каждой из этих отраслей-конечных потребителей используются некоторые основные типы клапанов, однако их конструкция и материалы зачастую сильно различаются. Вот несколько примеров:

ВОДОПРОВОДНЫЕ РАБОТЫ
В сфере водоснабжения давление почти всегда относительно низкое, а температура – близка к температуре окружающей среды. Эти два фактора позволяют использовать ряд конструктивных особенностей клапанов, которые не встречаются в более сложном оборудовании, например, в высокотемпературных паровых клапанах. Температура окружающей среды, используемая в водопроводной системе, позволяет использовать эластомеры и резиновые уплотнители, не подходящие для других применений. Эти мягкие материалы позволяют оснащать водяные клапаны герметичной герметизацией капель.

Другим важным фактором при выборе водопроводной арматуры является выбор материалов. Чугун и ковкий чугун широко используются в водопроводных системах, особенно в трубопроводах большого диаметра. Для трубопроводов очень малого диаметра клапаны из бронзы вполне подходят.

Давление, с которым справляется большинство водопроводных клапанов, обычно значительно ниже 200 фунтов на кв. дюйм. Это означает, что конструкции с более толстыми стенками, рассчитанные на более высокое давление, не требуются. Тем не менее, существуют случаи, когда водопроводные клапаны рассчитаны на более высокое давление, до 300 фунтов на кв. дюйм. Такие клапаны обычно применяются на длинных водопроводах вблизи источника давления. Иногда водопроводные клапаны высокого давления также устанавливаются в точках с максимальным давлением на высоких плотинах.

Американская ассоциация водопроводных сооружений (AWWA) выпустила спецификации, охватывающие множество различных типов клапанов и приводов, используемых в водопроводных сооружениях.

СТОЧНЫЕ ВОДЫ
Обратная сторона подачи пресной питьевой воды в сооружение или конструкцию — это сточные воды, которые попадают в канализацию. Эти линии собирают все жидкие и твёрдые отходы и направляют их на очистные сооружения. Эти очистные сооружения оснащены множеством трубопроводов низкого давления и клапанов, выполняющих свою «грязную работу». Требования к канализационным клапанам во многих случаях гораздо более мягкие, чем требования к системам подачи чистой воды. Наиболее популярными вариантами для таких систем являются чугунные задвижки и обратные клапаны. Стандартные клапаны для этих систем изготавливаются в соответствии со спецификациями AWWA.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Большая часть электроэнергии, вырабатываемой в США, вырабатывается на паровых электростанциях, работающих на ископаемом топливе и использующих высокоскоростные турбины. Открыв завесу современной электростанции, можно увидеть системы трубопроводов высокого давления и высокой температуры. Эти основные линии играют важнейшую роль в процессе производства пара.

Задвижки остаются основным выбором для систем открытия/закрытия электростанций, хотя встречаются и специальные шаровые краны с Y-образной конфигурацией. Высокопроизводительные шаровые краны для критически важных условий эксплуатации набирают популярность у некоторых проектировщиков электростанций и постепенно завоёвывают рынок, где ранее доминировали линейные клапаны.

Металлургия критически важна для клапанов в энергетическом оборудовании, особенно для тех, которые работают в сверхкритическом или ультрасверхкритическом диапазонах давления и температуры. На современных электростанциях обычно используются сплавы F91, F92, C12A, а также ряд сплавов Inconel и нержавеющей стали. Классы давления включают 1500, 2500 и, в некоторых случаях, 4500. Плавный режим работы пиковых электростанций (работающих только по мере необходимости) также создаёт огромную нагрузку на клапаны и трубопроводы, требуя прочных конструкций, способных выдерживать экстремальное сочетание циклических нагрузок, температуры и давления.
Помимо основных паровых клапанов электростанции оснащены вспомогательными трубопроводами, оснащенными многочисленными задвижками, клапанами, обратными, поворотными и шаровыми кранами.

Атомные электростанции работают по тому же принципу, что и паровые турбины с высокой скоростью вращения. Основное отличие заключается в том, что на атомной электростанции пар образуется за счёт тепла, выделяемого в процессе деления. Клапаны для атомных электростанций аналогичны своим аналогам, работающим на ископаемом топливе, за исключением их происхождения и дополнительного требования к абсолютной надёжности. Атомные клапаны производятся по чрезвычайно высоким стандартам, а квалификационная и инспекционная документация занимает сотни страниц.

ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
Нефтяные и газовые скважины и производственные объекты активно используют клапаны, в том числе многие из них сверхпрочные. Хотя фонтаны нефти, вырывающиеся на сотни футов в воздух, уже маловероятны, изображение иллюстрирует потенциальное давление подземных нефтяных и газовых залежей. Именно поэтому устья скважин, или фонтанная арматура, размещаются в верхней части длинной колонны труб. Эти узлы, сочетающие в себе клапаны и специальную арматуру, рассчитаны на давление свыше 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Хотя в настоящее время они редко встречаются на скважинах, пробуренных на суше, экстремально высокие давления часто встречаются на глубоких морских скважинах.

Проектирование устьевого оборудования регламентируется спецификациями API, такими как 6A (Спецификация на устьевое и фонтанное оборудование). Клапаны, описанные в 6A, рассчитаны на экстремально высокие давления при умеренных температурах. Большинство фонтанных установок оснащены задвижками и специальными шаровыми кранами, называемыми дросселями. Дроссели используются для регулирования расхода жидкости из скважины.

Помимо самих устьев скважин, на нефтяных или газовых месторождениях имеется множество вспомогательных объектов. Технологическое оборудование для предварительной подготовки нефти или газа требует использования ряда клапанов. Эти клапаны обычно изготавливаются из углеродистой стали более низких классов.

Иногда в сырой нефти присутствует высококоррозионная жидкость — сероводород. Этот материал, также называемый сернистым газом, может быть смертельно опасен. Чтобы противостоять воздействию сернистого газа, необходимо использовать специальные материалы или методы их обработки в соответствии с международной спецификацией NACE MR0175.

ОФФШОРНАЯ ИНДУСТРИЯ
Трубопроводные системы морских нефтяных платформ и производственных объектов содержат множество клапанов, разработанных в соответствии с различными спецификациями для решения самых разных задач управления потоками. Эти объекты также включают в себя различные контуры управления и устройства сброса давления.

Сердцем нефтедобывающих объектов является система трубопроводов для добычи нефти или газа. Хотя они не всегда расположены на самой платформе, многие системы добычи используют фонтанную арматуру и трубопроводные системы, работающие на суровых глубинах 3000 метров и более. Это оборудование изготовлено в соответствии со многими строгими стандартами Американского института нефти (API) и упоминается в нескольких рекомендуемых практиках (RP) API.

На большинстве крупных нефтяных платформ к сырой жидкости, поступающей с устья скважины, применяются дополнительные процессы. Они включают в себя отделение воды от углеводородов, а также отделение газа и газоконденсатных жидкостей от потока жидкости. Эти трубопроводные системы, устанавливаемые после установки фонтанной арматуры, как правило, строятся в соответствии с требованиями к трубопроводам Американского общества инженеров-механиков B31.3, а клапаны проектируются 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 краны и обратные клапаны API 6D. Поскольку все 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 является шаровой кран.

ТРУБОПРОВОДЫ
Хотя большинство трубопроводов скрыты от глаз, их присутствие обычно заметно. Небольшие таблички с надписью «нефтепровод» — один из очевидных признаков наличия подземных трубопроводов. Эти трубопроводы оснащены множеством важных клапанов по всей своей длине. Аварийные запорные клапаны трубопроводов устанавливаются с интервалами, установленными стандартами, нормами и законами. Эти клапаны выполняют важную функцию изоляции участка трубопровода в случае утечки или при необходимости технического обслуживания.

Вдоль трассы трубопровода также разбросаны пункты, где трубопровод выходит из-под земли и к нему имеется доступ. На этих станциях размещается оборудование для запуска скребков, представляющее собой устройства, погружаемые в трубопровод для осмотра или очистки. Эти пункты запуска скребков обычно оснащены несколькими клапанами – задвижками или шаровыми. Все клапаны трубопроводной системы должны быть полнопроходными (с полным открытием), чтобы обеспечить проход скребков.

Трубопроводам также необходима энергия для компенсации трения и поддержания давления и расхода в линии. Используются компрессорные или насосные станции, которые выглядят как уменьшенные копии технологических установок, но без высоких крекинг-колонн. На этих станциях установлены десятки задвижек, шаровых и обратных клапанов.
Сами трубопроводы проектируются в соответствии с различными стандартами и нормами, а трубопроводная арматура соответствует стандарту API 6D Pipeline Valves.
Существуют также более мелкие трубопроводы, подведенные к домам и коммерческим зданиям. Эти линии обеспечивают подачу воды и газа и оборудованы запорными клапанами.
Крупные муниципалитеты, особенно в северной части США, обеспечивают паром коммерческие нужды, связанные с отоплением. Эти паропроводы оснащены различными клапанами для контроля и регулирования подачи пара. Хотя в качестве рабочей среды используется пар, давление и температура ниже, чем при производстве пара на электростанциях. В этой системе используются различные типы клапанов, хотя традиционный пробковый клапан по-прежнему остаётся популярным выбором.

НПЗ И НЕФТЕХИМИЯ
Клапаны для нефтеперерабатывающих заводов используются в промышленности чаще, чем любой другой сегмент трубопроводной арматуры. На нефтеперерабатывающих заводах присутствуют как коррозионные жидкости, так и, в некоторых случаях, высокие температуры.
Эти факторы определяют, как клапаны изготавливаются в соответствии со стандартами API, такими как API 600 (задвижки), API 608 (шаровые краны) и API 594 (обратные клапаны). В связи с суровыми условиями эксплуатации многих из этих клапанов часто требуется дополнительный допуск на коррозию. Этот допуск проявляется в увеличении толщины стенок, что указывается в конструкторской документации API.

Практически все основные типы клапанов можно найти в изобилии на типичном крупном нефтеперерабатывающем заводе. Повсеместно распространённые задвижки по-прежнему занимают лидирующие позиции, но четвертьоборотные клапаны занимают всё большую долю рынка. Среди четвертьоборотных клапанов, успешно завоевавших популярность в этой отрасли (где ранее доминировали линейные клапаны), можно назвать высокопроизводительные трёхэксцентриковые дисковые затворы и шаровые краны с металлическим седлом.

Стандартные задвижки, шаровые краны и обратные клапаны по-прежнему широко распространены и благодаря простоте конструкции и экономичности производства не исчезнут в ближайшее время.
Диапазон номинальных давлений клапанов для нефтеперерабатывающих заводов варьируется от класса 150 до класса 1500, при этом наиболее популярным является класс 300.
Обычные углеродистые стали, такие как марки WCB (литые) и A-105 (кованые), являются наиболее распространёнными материалами, используемыми в клапанах для нефтеперерабатывающих заводов. Многие процессы нефтепереработки требуют повышенных температурных пределов для обычных углеродистых сталей, поэтому для этих целей используются высокотемпературные сплавы. Наиболее распространёнными из них являются хромомолибденовые стали с содержанием хрома 1-1/4%, 2-1/4%, 5% и 9% хрома. Нержавеющие стали и сплавы с высоким содержанием никеля также используются в некоторых особенно жёстких процессах нефтепереработки.

ХИМИЧЕСКИЙ
Химическая промышленность широко использует клапаны всех типов и материалов. От небольших заводов до крупных нефтехимических комплексов на побережье Мексиканского залива — клапаны играют важнейшую роль в трубопроводных системах химических процессов.

Большинство применений в химических процессах требуют более низкого давления, чем многие процессы нефтепереработки и производства электроэнергии. Наиболее популярными классами давления для клапанов и трубопроводов химических заводов являются классы 150 и 300. Химические заводы также сыграли ключевую роль в завоевании доли рынка, которую шаровые краны отвоевали у линейных клапанов за последние 40 лет. Шаровой кран с упругим седлом и нулевым уровнем протечек идеально подходит для многих применений на химических заводах. Компактный размер шарового крана также является его популярной особенностью.
На некоторых химических заводах и в некоторых технологических процессах линейные клапаны всё ещё предпочтительны. В таких случаях обычно выбирают задвижки или шаровые краны, разработанные по стандарту API 603, с более тонкими стенками и меньшим весом. Регулирование некоторых химических веществ также эффективно осуществляется с помощью мембранных или пережимных клапанов.
Ввиду коррозионной активности многих химикатов и химических процессов выбор материала имеет решающее значение. Фактически, наиболее подходящим материалом является аустенитная нержавеющая сталь марки 316/316L. Этот материал хорошо защищает от коррозии, вызываемой множеством порой агрессивных жидкостей.

Для некоторых более агрессивных сред требуется более высокая степень защиты. В таких случаях часто выбирают другие высокопрочные марки аустенитной нержавеющей стали, такие как 317, 347 и 321. К другим сплавам, используемым время от времени 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 газа, требуют использования разветвлённых трубопроводов. Для этих применений требуются клапаны, способные работать при очень низких криогенных температурах. Индустрия СПГ, которая стремительно развивается в США, постоянно стремится к модернизации и совершенствованию процесса сжижения газа. В связи с этим трубопроводы и клапаны значительно увеличились, а требования к давлению повысились.

Эта ситуация потребовала от производителей клапанов разработки конструкций, отвечающих более жестким требованиям. Четвертьоборотные шаровые и дисковые краны популярны для работы с СПГ, при этом наиболее распространенным материалом является нержавеющая сталь марки 316ss. Для большинства применений СПГ обычно применяется класс давления ANSI 600. Хотя четвертьоборотные клапаны являются наиболее распространенным типом клапанов, на заводах также можно встретить задвижки, шиберные клапаны и обратные клапаны.

Газоразделение предполагает разделение газа на отдельные основные компоненты. Например, методы разделения воздуха позволяют получать азот, кислород, гелий и другие газы с малыми примесями. Низкотемпературный характер процесса требует использования большого количества криогенных клапанов.

Как на заводах СПГ, так и на газоразделительных установках используются низкотемпературные клапаны, которые должны сохранять работоспособность в этих криогенных условиях. Это означает, что система уплотнения клапана должна быть расположена на возвышении над низкотемпературной жидкостью с помощью газовой или конденсационной колонны. Эта газовая колонна предотвращает образование ледяного шара вокруг области уплотнения, что может помешать вращению или подъему штока клапана.

КОММЕРЧЕСКИЕ ЗДАНИЯ
Коммерческие здания окружают нас, но если мы не будем пристально следить за их строительством, то не сможем представить себе, сколько жидких артерий скрыто в их стенах из камня, стекла и металла.

Общим знаменателем практически каждого здания является вода. Все эти сооружения содержат разнообразные трубопроводные системы, транспортирующие различные комбинации соединений водорода и кислорода в виде питьевых жидкостей, сточных вод, горячей воды, серых вод и противопожарных жидкостей.

С точки зрения обеспечения безопасности здания, системы пожаротушения имеют первостепенное значение. Системы пожаротушения в зданиях практически повсеместно снабжаются чистой водой. Для эффективности систем пожаротушения они должны быть надёжными, обеспечивать достаточное давление и быть удобно расположены по всему зданию. Эти системы спроектированы так, чтобы автоматически включаться в случае пожара.
В высотных зданиях требуется такое же давление воды на верхних этажах, как и на нижних, поэтому для подачи воды наверх необходимо использовать насосы высокого давления и трубопроводы. Трубопроводные системы обычно относятся к классу 300 или 600, в зависимости от высоты здания. В этих системах используются все типы клапанов; однако их конструкция должна быть одобрена Underwriters Laboratories или Factory Mutual для использования в пожарном водопроводе.

Для распределения питьевой воды используются те же классы и типы клапанов, что и для пожарных, хотя процесс утверждения не столь строгий.
Коммерческие системы кондиционирования воздуха, используемые в крупных офисных зданиях, таких как офисные здания, гостиницы и больницы, обычно являются централизованными. Они оснащены мощным чиллером или котлом для охлаждения или нагрева жидкости, используемой для передачи холода или высокой температуры. Эти системы часто работают с такими хладагентами, как R-134a (гидрофторуглерод), или, в случае крупных систем отопления, с паром. Благодаря компактным размерам поворотных и шаровых клапанов, эти типы клапанов стали популярными в системах охлаждения систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Что касается пара, то некоторые четвертьоборотные клапаны нашли применение, однако многие сантехники по-прежнему полагаются на линейные задвижки и шаровые краны, особенно если трубопровод требует приварки встык. В таких системах с умеренным расходом пара сталь заменила чугун благодаря её свариваемости.

В некоторых системах отопления в качестве теплоносителя используется горячая вода вместо пара. Для таких систем хорошо подходят бронзовые или чугунные клапаны. Большой популярностью пользуются шаровые и дисковые краны с упругим седлом на четверть оборота, хотя некоторые линейные конструкции всё ещё используются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Хотя примеры 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. Даже в двигателе автомобиля есть клапаны, которые используются для доступа к этим местам, например, клапаны в карбюраторе, которые управляют подачей топлива в двигатель, и клапаны в двигателе, которые управляют подачей бензина к поршням и обратно. И если эти клапаны недостаточно близки к нашей повседневной жизни, подумайте о том, что наши сердца регулярно бьются благодаря четырем жизненно важным устройствам управления потоком.

Это просто ещё один пример того, что клапаны действительно повсюду. VM
Во второй части статьи рассматриваются дополнительные отрасли, в которых используются клапаны. На сайте www.valvemagazine.com вы найдете информацию о целлюлозно-бумажной промышленности, судостроении, плотинах и гидроэлектростанциях, солнечной энергетике, металлургии, аэрокосмической и геотермальной энергетике, а также о крафтовом пивоварении и винокурении.

ГРЕГ ДЖОНСОН — президент компании United Valve (www.unitedvalve.com) в Хьюстоне. Он — внештатный редактор журнала VALVE, бывший председатель Совета по ремонту клапанов и нынешний член совета директоров VRC. Он также входит в состав Комитета по образованию и обучению VMA, является заместителем председателя Комитета по коммуникациям VMA и бывшим президентом Общества стандартизации производителей.