Где используются клапаны: Везде!

08 ноября 2017 г. Автор: Грег Джонсон

Сегодня клапаны можно найти практически везде: в наших домах, под улицами, в коммерческих зданиях и в тысячах мест на электростанциях и гидроэлектростанциях, бумажных фабриках, нефтеперерабатывающих заводах, химических заводах и других промышленных и инфраструктурных объектах.
Арматурная отрасль действительно широкоплеча, ее сегменты варьируются от водоснабжения до атомной энергетики, добычи и переработки нефти и газа. В каждой из этих отраслей, являющихся конечными пользователями, используются некоторые основные типы клапанов; однако детали конструкции и материалы часто сильно различаются. Вот выборка:

ВОДНЫЕ РАБОТЫ
В мире распределения воды давление почти всегда относительно низкое, а температура — окружающая. Эти два факта применения позволяют создать ряд элементов конструкции клапанов, которые невозможно найти в более сложном оборудовании, таком как высокотемпературные паровые клапаны. Температура окружающей среды водопроводной воды позволяет использовать эластомеры и резиновые уплотнения, которые больше не подходят. Эти мягкие материалы позволяют оборудовать водяные клапаны, плотно закрывающие капли.

Еще одним фактором, который следует учитывать при выборе клапанов для водоснабжения, является выбор конструкционных материалов. Чугун и ковкий чугун широко используются в системах водоснабжения, особенно в линиях с большим наружным диаметром. Очень маленькие линии можно неплохо обрабатывать с помощью бронзовых материалов для клапанов.

Давление, которое воспринимает большинство клапанов гидротехнических сооружений, обычно значительно ниже 200 фунтов на квадратный дюйм. Это означает, что конструкции с более высокими стенками, рассчитанные на более высокое давление, не нужны. При этом бывают случаи, когда водяные клапаны рассчитаны на более высокое давление, примерно до 300 фунтов на квадратный дюйм. Эти приложения обычно применяются на длинных акведуках рядом с источником давления. Иногда водяные клапаны более высокого давления также находятся в точках самого высокого давления на высокой плотине.

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

СТОЧНЫЕ ВОДЫ
Обратной стороной поступления свежей питьевой воды в объект или сооружение является сброс сточных вод или канализации. Эти линии собирают все отработанные жидкости и твердые вещества и направляют их на очистные сооружения. Эти очистные сооружения оснащены множеством трубопроводов низкого давления и клапанов, выполняющих свою «грязную работу». Требования к канализационной арматуре во многих случаях гораздо мягче, чем требования к чистой воде. Железные задвижки и обратные клапаны являются наиболее популярным выбором для этого типа услуг. Стандартные клапаны в этом сервисе изготавливаются в соответствии со спецификациями AWWA.

ЭНЕРГЕТИКА
Большая часть электроэнергии, вырабатываемой в США, вырабатывается на паровых электростанциях, использующих ископаемое топливо и высокоскоростные турбины. Если снять крышку современной электростанции, можно увидеть трубопроводные системы высокого давления и высокой температуры. Эти основные линии являются наиболее важными в процессе производства паровой энергии.

Задвижки остаются основным выбором для включения/выключения электростанций, хотя встречаются также проходные клапаны специального назначения Y-образного типа. Высокопроизводительные шаровые краны для критически важных операций набирают популярность у некоторых проектировщиков электростанций и проникают в мир, где когда-то доминировали линейные клапаны.

Металлургия имеет решающее значение для клапанов в энергетическом оборудовании, особенно тех, которые работают в сверхкритическом или ультрасверхкритическом рабочем диапазоне давления и температуры. F91, F92, C12A, а также некоторые сплавы инконеля и нержавеющей стали обычно используются на современных электростанциях. Классы давления включают 1500, 2500 и в некоторых случаях 4500. Модулирующий характер пиковых электростанций (тех, которые работают только по мере необходимости) также создает огромную нагрузку на клапаны и трубопроводы, требуя надежных конструкций, способных выдерживать экстремальное сочетание циклического воздействия, температуры и давление.
Помимо главной паровой арматуры, электростанции оснащены вспомогательными трубопроводами, заполненными множеством шиберных, проходных, обратных, дроссельных и шаровых кранов.

Атомные электростанции работают по тому же принципу паровой/высокоскоростной турбины. Основное отличие состоит в том, что на атомной электростанции пар создается за счет тепла в процессе деления. Клапаны атомных электростанций похожи на своих собратьев, работающих на ископаемом топливе, за исключением их происхождения и дополнительного требования абсолютной надежности. Ядерная арматура изготавливается по высочайшим 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 клапаны для тяжелых условий эксплуатации. Хотя фонтаны нефти, извергающие сотни футов в воздух, больше не встречаются, изображение иллюстрирует потенциальное давление подземной нефти и газа. Вот почему оголовки колодцев или рождественские елки размещаются наверху длинной нитки труб колодца. Эти узлы с комбинацией клапанов и специальных фитингов рассчитаны на давление свыше 10 000 фунтов на квадратный дюйм. В наши дни экстремально высокое давление редко встречается в колодцах, вырытых на суше, но в глубоких морских скважинах часто наблюдается экстремально высокое давление.

Проектирование устьевого оборудования соответствует спецификациям API, таким как 6A, Спецификация для устьевого оборудования и оборудования для рождественской елки. Клапаны, относящиеся к категории 6А, рассчитаны на чрезвычайно высокое давление, но умеренные температуры. Большинство рождественских елок содержат задвижки и специальные вентили, называемые дросселями. Дроссели используются для регулирования потока из скважины.

Помимо самих устьев скважин, на нефтяном или газовом месторождении имеется множество вспомогательных объектов. Технологическое оборудование для предварительной подготовки нефти или газа требует наличия ряда клапанов. Эти клапаны обычно изготавливаются из углеродистой стали, рассчитанной на более низкие классы.

Иногда в потоке сырой нефти присутствует высокоагрессивная жидкость — сероводород. Этот материал, также называемый сернистым газом, может быть смертельным. Чтобы справиться с проблемой высокосернистого газа, необходимо использовать специальные материалы или методы обработки материалов в соответствии с международной спецификацией NACE MR0175.

ОФШОРНАЯ ИНДУСТРИЯ
Системы трубопроводов для морских нефтяных вышек и производственных объектов содержат множество клапанов, изготовленных в соответствии с различными спецификациями и позволяющих решать самые разнообразные задачи управления потоком. На этих объектах также имеются различные контуры систем управления и устройства сброса давления.

Для объектов нефтедобычи артериальным сердцем является фактическая система трубопроводов для добычи нефти или газа. Хотя не всегда на самой платформе, во многих производственных системах используются рождественские елки и системы трубопроводов, которые работают на суровых глубинах 10 000 футов и более. Это производственное оборудование создано в соответствии со многими строгими стандартами Американского института нефти (API) и упоминается в нескольких рекомендуемых методах API (RP).

На большинстве крупных нефтяных платформ к сырой жидкости, поступающей из устья скважины, применяются дополнительные процессы. К ним относятся отделение воды от углеводородов и отделение газа и сжиженного природного газа от потока текучей среды. Эти системы трубопроводов после рождественской елки обычно изготавливаются в соответствии с нормами трубопроводов B31.3 Американского общества инженеров-механиков, а клапаны разработаны в соответствии со спецификациями клапанов 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 являются внутренними по отношению к объекту, строгие требования к использованию клапанов API 6D для трубопроводов не применяются. Хотя в этих трубопроводных системах используются несколько типов клапанов, предпочтительным типом клапана является шаровой кран.

ТРУБОПРОВОДЫ
Хотя большинство трубопроводов скрыто от глаз, их присутствие обычно заметно. Небольшие таблички с надписью «нефтепровод» являются одним из очевидных индикаторов наличия подземных транспортных трубопроводов. Эти трубопроводы оснащены множеством важных клапанов по всей длине. Аварийную запорную арматуру трубопровода устанавливают с периодичностью, установленной стандартами, нормами и законами. Эти клапаны выполняют жизненно важную функцию изоляции участка трубопровода в случае утечки или необходимости технического обслуживания.

Вдоль трассы трубопровода также разбросаны объекты, где линия выходит из земли и имеется доступ к ней. На этих станциях размещается пусковое оборудование «скребков», которое состоит из устройств, вставляемых в трубопроводы для проверки или очистки трубопровода. Эти станции запуска скребков обычно содержат несколько клапанов, шиберного или шарового типа. Все клапаны в трубопроводной системе должны быть полнопроходными (полностью открывающимися), чтобы обеспечить проход скребков.

Трубопроводам также необходима энергия для борьбы с трением трубопровода и поддержания давления и расхода в трубопроводе. Используются компрессорные или насосные станции, которые выглядят как небольшие версии технологической установки без высоких крекинговых башен. На этих станциях установлены десятки задвижек, шаровых и обратных трубопроводных кранов.
Сами трубопроводы проектируются в соответствии с различными стандартами и нормами, а трубопроводная арматура соответствует трубопроводной арматуре API 6D.
Есть также трубопроводы меньшего размера, которые подводятся к домам и коммерческим постройкам. Эти линии подачи воды и газа защищены запорной арматурой.
Крупные муниципалитеты, особенно в северной части Соединенных Штатов, поставляют пар для отопления коммерческих потребителей. Эти линии подачи пара оснащены разнообразной арматурой для контроля и регулирования подачи пара. Хотя жидкость представляет собой пар, давление и температура ниже, чем при производстве пара на электростанциях. В этой сфере используются различные типы клапанов, хотя почтенный пробковый клапан по-прежнему остается популярным выбором.

НПЗ И НЕФТЕХИМИЯ
Клапаны для нефтеперерабатывающих заводов используются чаще, чем любой другой сегмент клапанов. Нефтеперерабатывающие заводы являются местом действия как агрессивных жидкостей, так и, в некоторых случаях, высоких температур.
Эти факторы определяют, как клапаны изготавливаются в соответствии со спецификациями конструкции клапанов API, такими как API 600 (задвижки), API 608 (шаровые краны) и API 594 (обратные клапаны). Из-за суровых условий эксплуатации, с которыми сталкиваются многие из этих клапанов, часто требуется дополнительный припуск на коррозию. Этот допуск проявляется за счет большей толщины стенок, указанной в проектной документации API.

Практически все основные типы клапанов можно найти в изобилии на типичном крупном нефтеперерабатывающем заводе. Вездесущие задвижки по-прежнему являются царем горы с самым большим количеством потребителей, но четвертьоборотные клапаны занимают все большую долю рынка. Четвертьоборотные изделия, успешно завоевавшие популярность в этой отрасли (в которой когда-то также доминировали линейные изделия), включают высокопроизводительные дроссельные клапаны с тройным эксцентриситетом и шаровые краны с металлическим седлом.

Стандартные задвижки, запорные и обратные клапаны по-прежнему встречаются в большом количестве, и из-за простоты их конструкции и экономичности производства они не исчезнут в ближайшее время.
Номинальное давление для клапанов нефтеперерабатывающих заводов варьируется от класса 150 до класса 1500, причем класс 300 является самым популярным.
Обычные углеродистые стали, такие как марка WCB (литая) и А-105 (кованая), являются наиболее популярными материалами, используемыми в клапанах для нефтеперерабатывающих заводов. Многие процессы нефтепереработки выходят за пределы верхних температурных пределов простых углеродистых сталей, и для этих применений используются более 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 сплавы с высоким содержанием никеля также используются в некоторых особенно жестких процессах нефтепереработки.

ХИМИЧЕСКИЙ
Химическая промышленность активно использует клапаны всех типов и материалов. От небольших заводов по производству бетона до огромных нефтехимических комплексов, расположенных на побережье Мексиканского залива, клапаны являются важной частью трубопроводных систем химических процессов.

В большинстве случаев применения в химических процессах давление ниже, чем во многих процессах нефтепереработки и производства электроэнергии. Наиболее популярными классами давления для клапанов и трубопроводов химических предприятий являются классы 150 и 300. Химические заводы также были крупнейшим фактором захвата доли рынка, которую шаровые краны боролись с линейными клапанами за последние 40 лет. Шаровой кран с эластичным седлом и функцией отключения с нулевой утечкой идеально подходит для многих химических предприятий. Компактный размер шарового крана также является популярной особенностью.
На некоторых химических заводах и технологических процессах до сих пор предпочитаются линейные клапаны. В таких случаях в качестве задвижки или шарового клапана обычно выбирают популярные клапаны, спроектированные по стандарту API 603, с более тонкими стенками и меньшим весом. Контроль некоторых химикатов также эффективно осуществляется с помощью мембранных или пережимных клапанов.
Из-за коррозионного характера многих химикатов и процессов их производства выбор материала имеет решающее значение. Фактическим материалом является аустенитная нержавеющая сталь марки 316/316L. Этот материал хорошо борется с коррозией, вызванной множеством иногда неприятных жидкостей.

Для некоторых более жестких коррозионных условий требуется дополнительная защита. В таких ситуациях часто выбирают другие высокопроизводительные марки аустенитной нержавеющей стали, такие как 317, 347 и 321. Другие сплавы, которые время от времени используются для контроля химических жидкостей, включают монель, сплав 20, инконель и 17-4 PH.

РАЗДЕЛЕНИЕ СПГ И ГАЗА
Как сжиженный природный газ (СПГ), так и процессы, необходимые для разделения газа, зависят от обширных трубопроводов. Для этих применений требуются клапаны, способные работать при очень низких криогенных температурах. Индустрия СПГ, которая быстро развивается в Соединенных Штатах, постоянно стремится модернизировать и улучшить процесс сжижения газа. С этой целью трубопроводы и клапаны стали намного больше, а требования к давлению возросли.

Эта ситуация потребовала от производителей клапанов разработки конструкций, отвечающих более жестким параметрам. Четвертьоборотные шаровые и поворотные клапаны популярны для работы с СПГ, причем наиболее популярным материалом является нержавеющая сталь 316ss. Класс 600 по ANSI — это обычный потолок давления для большинства применений СПГ. Хотя четвертьоборотные клапаны являются наиболее популярными типами клапанов, на заводах также можно встретить задвижки, запорные и обратные клапаны.

Услуга газоразделения предполагает разделение газа на отдельные основные элементы. Например, методы разделения воздуха дают азот, кислород, гелий и другие следовые газы. Очень низкотемпературный характер процесса означает, что требуется много криогенных клапанов.

И заводы по производству СПГ, и газоразделительные установки имеют низкотемпературную арматуру, которая должна оставаться работоспособной в таких криогенных условиях. Это означает, что систему уплотнения клапана необходимо поднять над низкотемпературной жидкостью с помощью газовой или конденсационной колонны. Этот столб газа не позволяет жидкости образовывать ледяной шар вокруг области уплотнения, что препятствует повороту или подъему штока клапана.

КОММЕРЧЕСКИЕ ЗДАНИЯ
Коммерческие здания окружают нас, но если мы не будем внимательно следить за тем, как они строятся, мы не имеем ни малейшего представления о множестве текучих артерий, скрытых в их стенах из каменной кладки, стекла и металла.

Общим знаменателем практически каждого здания является вода. Все эти сооружения содержат множество систем трубопроводов, по которым подаются многочисленные комбинации соединений водорода и кислорода в виде питьевых жидкостей, сточных вод, горячей воды, бытовых сточных вод и противопожарной защиты.

С точки зрения выживания здания пожарные системы имеют решающее значение. Противопожарная защита в зданиях почти повсеместно подпитывается и заполняется чистой водой. Чтобы системы противопожарного водоснабжения были эффективными, они должны быть надежными, иметь достаточное давление и удобно располагаться по всему сооружению. Эти системы предназначены для автоматического включения питания в случае пожара.
В высотных зданиях требуется такое же давление воды на верхних этажах, как и на нижних, поэтому для подачи воды вверх необходимо использовать насосы и трубопроводы высокого давления. Системы трубопроводов обычно относятся к классу 300 или 600, в зависимости от высоты здания. В этих приложениях используются все типы клапанов; однако конструкции клапанов должны быть одобрены Underwriters Laboratories или Factory Mutual для эксплуатации в пожарных магистралях.

Для распределения питьевой воды используются те же классы и типы клапанов, что и для пожарной арматуры, хотя процесс утверждения не такой строгий.
Коммерческие системы кондиционирования воздуха, используемые в крупных бизнес-структурах, таких как офисные здания, гостиницы и больницы, обычно являются централизованными. У них есть большой охладитель или бойлер для охлаждения или нагрева жидкости, используемой для передачи холодной или высокой температуры. Эти системы часто должны работать с хладагентами, такими как R-134a, гидрофторуглерод или, в случае крупных систем отопления, с паром. Из-за компактных размеров дроссельных и шаровых кранов эти типы стали популярными в системах охлаждения, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Что касается пара, некоторые четвертьоборотные клапаны получили широкое распространение, однако многие инженеры-сантехники по-прежнему полагаются на линейные задвижки и шаровые клапаны, особенно если трубопроводы требуют сварки встык. Для этих применений с умеренным паром сталь заменила чугун из-за ее свариваемости.

В некоторых системах отопления в качестве теплоносителя вместо пара используется горячая вода. Этим системам хорошо служат бронзовые или железные клапаны. Четвертьоборотные шаровые и поворотные клапаны с упругим седлом очень популярны, хотя некоторые линейные конструкции все еще используются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Хотя доказательства применения клапанов, упомянутые в этой статье, могут быть не видны во время поездки в Starbucks или в гости к бабушке, некоторые очень важные клапаны всегда находятся поблизости. В двигателе автомобиля есть даже клапаны, которые используются для доступа к тем местам, например, в карбюраторе, которые контролируют подачу топлива в двигатель, и в двигателе, которые контролируют подачу бензина в поршни и обратно. И если эти клапаны недостаточно близки к нашей повседневной жизни, подумайте о том, что наши сердца регулярно бьются с помощью четырех жизненно важных устройств контроля потока.

Это еще один пример реальности: клапаны действительно повсюду. ВМ
Часть II этой статьи охватывает дополнительные отрасли, в которых используется арматура. Посетите сайт www.valvemagazine.com, чтобы прочитать о целлюлозно-бумажной, морской промышленности, плотинах и гидроэлектростанциях, солнечной энергии, черной металлургии, аэрокосмической, геотермальной, а также крафтовом пивоварении и дистилляции.

ГРЕГ ДЖОНСОН — президент United Valve (www.unitedvalve.com) в Хьюстоне. Он является редактором журнала VALVE Magazine, бывшим председателем Совета по ремонту клапанов и нынешним членом правления 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.