Что такое шаровой клапан? – Решения для точного литья по выплавляемым моделям

1. Введение

А шаровой клапан представляет собой клапан линейного перемещения с подвижным диском. (затыкать) который прилегает к неподвижному кольцевому седлу для регулирования потока.

Его конфигурация обеспечивает точное дросселирование и относительно плотное закрытие.; типичные услуги включают управление потоком, дросселя, изоляция при частой эксплуатации, и корпуса регулирующих клапанов.
Проходные клапаны остаются предпочтительными там, где требуется точный контроль расхода и принудительное закрытие. (контроль пара, питательная вода, химическая дозировка, выборка, и множество механизмов регулирующего клапана).

Они широко используются в электроэнергетике., нефтехимический, масло & газ, водоподготовка и промышленность HVAC.

2. Что такое шаровой клапан?

Обзор конструкции и принципа работы.
Типичный шаровой клапан состоит из корпуса и крышки. (жилье), шток, который перемещается в осевом направлении при приведении в действие, диск или заглушка, прикрепленная к штоку, и седло, закрепленное в корпусе.

Перемещение диска перпендикулярно седлу изменяет проходное сечение.; способность дросселирования обусловлена ​​постепенным изменением площади кольцевого потока между плунжером и седлом..

Типичное использование в системах контроля жидкости.

• Дроссельный расход с хорошей управляемостью (НАПРИМЕР., регулирующий пар, вода, поток газа).
• Частые включения/выключения, когда важна герметичность.
• Обслуживание, в котором кавитацию или мигание необходимо контролировать путем ступенчатого или специального триммирования..
• Применяются в качестве корпусов регулирующих клапанов при оснащении приводами и позиционерами..

3. Конструкция и компоненты шарового клапана

Важность расчета давления, устойчивость к температуре и коррозии.

Выбор материала корпуса клапана должен соответствовать расчетному давлению/температуре системы. (НАПРИМЕР., Класс ASME 150–2500) и жидкая химия (коррозия, эрозия, охррение).

Седла и накладки выбираются таким образом, чтобы сбалансировать срок службы уплотнений и. износ/эрозия; в паровом сервисе, твердая облицовка (Stellite) обычно противостоят эрозии и кавитации.

4. Типы шаровых клапанов

Шаровые краны не являются едиными, универсальный продукт: их геометрия, внутренняя регулировка и срабатывание адаптированы к потребностям применения (низкие потери по сравнению с точным регулированием, высокий ΔP по сравнению с криогенной работой, ручное и автоматическое управление).

По схеме потока (геометрия кузова)

Прямо скромно (Т-тип) шаровой клапан

Геометрия: впускные и выпускные порты выровнены по оси; поток проходит через седло и выходит в том же общем направлении.Характеристики & плюсы

• Простейшая геометрия глобуса, компактный корпус.
• Хороший контроль дросселирования с предсказуемыми характеристиками Cv.
  Ограничения
• Самая высокая потеря давления среди шаровых вариантов, поскольку поток должен изменить направление потока на пути седла..
• Более высокий рабочий крутящий момент и более крупные приводы для данного размера/Cv.
  Типичное использование
• Клапаны малого и среднего размера, где трубопроводы расположены прямо и требуется точное дросселирование..

Угловой вентиль

Геометрия: впускные и выпускные отверстия образуют внутри корпуса угол примерно 90°.; сиденье лежит в углу, поэтому поток поворачивается один раз.
Характеристики & плюсы

• Преимущества расположения трубопроводов: заменяет локоть, экономия одного фланца и сегмента трубы.
• Меньшая устойчивость к твердым частицам и взвешенным частицам, чем у прямого шара, поскольку поток не меняется в обратную сторону так резко..
• Подходит для непрерывного дренажа и систем, где слив должен быть направлен вниз..
  Ограничения
• Еще большее падение давления, чем у задвижек/шаровых кранов.; размер тела может быть большим для высокого Cv.
  Типичное использование
• суспензии, пароотводы, линии отбора/дренажа, услуги с увлеченными твердыми частицами.

Y-образный проходной клапан (косой стебель)

Геометрия: шток и заглушка расположены под углом (~30°–45°) к оси потока; путь потока более прямой, чем у прямоточных шаров.

Характеристики & плюсы

• Пониженное сопротивление потоку (нижний К) и меньший рабочий крутящий момент, чем у прямого шарового шарнира - часто на 20–60% меньше гидравлическое сопротивление в зависимости от дифферента..
• Лучше для более высокого расхода с необходимостью регулирования; часто выбирается там, где падение давления вызывает беспокойство, но все еще требуется шаровой контроль.
  Ограничения
• Немного более сложная геометрия крышки/набивки.; менее компактен, чем прямой глобус некоторых размеров.
  Типичное использование
• Регулирующие клапаны большего размера, услуги, где требуется компромисс между точностью регулирования и более низким ΔP.

По операции / Приведение

Руководство (маховик / коробка передач)

Плюс: простой, бюджетный, крепкий; немедленный местный контроль.
Минусы: ограниченный крутящий момент (не подходит для клапанов большого размера/высокого ΔP), ручное управление не подходит для автоматизированных процессов.
Приложения: изоляция, коммунальные услуги, небольшие дросселирующие пошлины.

Пневматические приводы

Плюс: быстрый ответ, высокая тяга для своего размера, искробезопасен во многих установках, легко закрывается или открывается при отказе с пружинным возвратом.
Минусы: требуется приборный воздух; позиционер необходим для пропорционального управления.
Приложения: контроль процессов в химической, нефтехимический, электростанции.

Электрические приводы

Плюс: точный контроль положения, легкая интеграция с цифровыми системами, не требуется сжатый воздух.
Минусы: медленнее, чем пневматический, могут понадобиться редукторы для большого крутящего момента, опасность поражения электрическим током в некоторых областях должна быть устранена.
Приложения: пульт дистанционного управления, где важна точность и диагностика.

Гидравлические приводы

Плюс: очень высокая тяга и быстрое срабатывание для очень больших клапанов или очень высокого ΔP.
Минусы: сложность, потенциал утечки, и потребность в гидравлической силовой установке.
Приложения: подводная подставка, большие запорные клапаны, мощные промышленные клапаны.

По отделке и внутреннему дизайну (функциональные подтипы)

Trim определяет поведение элемента управления, кавитационная стойкость и эрозионная жизнь.

• Плоский диск / плоская отделка сиденья: простой, крепкий; хорошо подходит для общего дросселирования, но ограничено сопротивление кавитации.
• Заглушка/закругленная накладка заглушки: более плавная характеристика потока и лучшее уплотнение для функций управления.
• Иголка / триммер с направляющей штока: точный контроль при малых расходах (инструментальные приложения).
• Многоступенчатый / отделка клетки: распределяет падение давления по ступеням, чтобы уменьшить кавитацию, шум и эрозия — важны для служб управления с высоким ΔP.
• Сбалансированные конструкции вилок: включать каналы для выравнивания давления для уменьшения результирующих осевых усилий и крутящего момента штока в клапанах с высоким перепадом давления..

Специальные конструкции шаровых клапанов

Криогенные вентили

Особенности конструкции: удлиненные капоты для хранения вещей выше холодной зоны, материалы, совместимые с низкими температурами (Остенитное нержавеющее, специальные уплотнения), контролируемые припуски на тепловое расширение.
Приложение: СПГ, криогенное хранение и транспортировка.
Ключевое примечание: Выбор набивки и привода имеет решающее значение из-за охрупчивания материала при низких температурах..

Высокое давление / высокотемпературные вентили

Особенности конструкции: кованые кузова или тяжелое литье, болтовые/сварные крышки, высокопрочные болтовые соединения, сиденья металл по металлу или наплавка (Stellite).
Приложение: паровые турбины, коллекторы высокого давления, сверхкритические котлы.
Ключевое примечание: термический рост и герметизация при высокой температуре требуют тщательного подбора материалов и конструкции крышки..

Корпуса регулирующих клапанов (модулирующий сервис)

Особенности конструкции: инженерная отделка (равнопроцентный, линейный), монтаж позиционера, антикавитационные планки, шумоподавление.
Приложение: контуры управления процессом для потока, давление, температура и уровень.
Метрика производительности: часто контролируйте диапазон регулирования 50:1 к 200:1 в зависимости от комплектации.

Антикавитационный / шумопоглощающие конструкции

Особенности конструкции: поэтапное падение давления, лабиринтные проходы, и энергорассеивающие тримы для уменьшения кавитационной эрозии и шума..
Приложение: обслуживание газа с высоким ΔP, дросселирование мигающих жидкостей.

Клапаны с металлическим и мягким седлом

• Металлическое седло: экстремальные температуры, эрозионные жидкости; прочный, но более высокий допуск на утечку.
• Мягкое сиденье (PTFE, РТФЭ, Заглядывать): герметичное уплотнение при низких температурах и давлениях; ограничено химической совместимостью и температурным диапазоном материала седла.

5. Рабочий принцип

Контроль потока посредством перпендикулярного движения диска.

Когда диск поднимается с сиденья, образуется кольцевой путь потока. Изменение проходного сечения нелинейно., обеспечивает точный контроль вблизи закрытых положений и более высокие скорости потока в более открытых положениях..

Падение давления и поведение дросселирования.

Проходные клапаны по своей природе создают более высокий перепад давления, чем прямоточные клапаны, поскольку поток должен изменить направление и пройти через дроссель..

Коэффициент потери напора (K) для шарового клапана обычно несколько раз больше, чем у задвижки или шарового крана того же размера — это делает их эффективными для дросселирования, но неэффективными для приложений с минимальными потерями давления..

Сравнение эффективности потока

Эффективность потока в клапанах обычно выражается через коэффициент потока (Резюме), определяется как объем воды в галлонах в минуту (GPM) который течет через клапан в 1 падение давления на квадратный дюйм (Δp).

Более высокий Cv соответствует меньшему сопротивлению и лучшей эффективности потока..

Глобусные клапаны, хотя отлично подходит для троттлинга, демонстрируют более высокий перепад давления в полностью открытых положениях по сравнению с другими типами клапанов.

6. Ключевые параметры производительности

Номинальное давление

Классический Классы давления ANSI/ASME: 150, 300, 600, 900, 1500, 2500. Толщина стенки клапана, Конструкция болтов и седел соответствует этим классам и допустимым напряжениям материала..

Коэффициент расхода & возможность изменения диапазона

• Резюме используется для определения размера; возможность изменения диапазона (отказываться) триммеров управления обычно 50:1–200:1 в зависимости от типа отделки (однопортовый, клетка, многоступенчатый).

Температура и коррозионная стойкость

Температура эксплуатации зависит от материалов и упаковки.. Примеры ограничений (примерно):

• Углеродистая сталь: до ~450 °C для непрерывной работы (зависит от сплава).
• Остенитное нержавеющее (304/316): до ~800–900 °C при прерывистом режиме работы, но упаковка и уплотнения ограничивают постоянную температуру.
  Для агрессивных химикатов используйте дуплекс., Супер Дуплекс, никелевые сплавы (Монель, Хастеллой), или специальные покрытия.

Класс утечки и испытания

• API 598 (Проверка и испытание) обычно используется для испытаний под давлением (корпус и сиденье).
• Утечка сидения: Для клапанов с мягким седлом (ПТФЭ/РТФЭ), может быть герметичным; для клапанов с металлическими седлами скорость утечки выше, но они рассчитаны на высокую температуру и устойчивость к эрозии..
  Для регулирующих клапанов, Стандарты IEC/ISA определяют показатели утечки и характеристик седла.. Всегда указывайте требуемую максимально допустимую утечку при закупке..

7. Процессы производства шаровых кранов

Производство шаровых кранов – это многоэтапный процесс, сочетающий в себе металлургию., точная обработка, и гарантия качества для обеспечения надежной работы под высоким давлением, высокотемпературная, или коррозионные условия.

Производственный процесс напрямую влияет на долговечность клапана., производительность утечки, и операционная эффективность.

Изготовление корпуса и крышки шарового клапана

1. Литье или ковка:

• Кастинг песка: Обычное для углеродистой стали, нержавеющая сталь, и клапаны из ковкого чугуна. Подходит для сложных форм тела и умеренных значений давления..
• Кастинг по выплавляемым моделям: Используется для меньших, высокоточные клапаны, требующие сложных внутренних каналов и жестких допусков.
• Ковкость: Применяется к клапанам высокого давления или высокой температуры. (Класс ANSI 900 и выше) для превосходной силы, плотность, и устойчивость к усталости.

2. Термическая обработка:

• Стресс снятие, нормализация, или отжиг для уменьшения остаточных напряжений и улучшения механических свойств..
• Критично для кованых деталей, поскольку предотвращает деформацию во время обработки и сохраняет стабильность размеров..

Обработка

Цель: Достижение точных допусков на уплотняющих поверхностях., стебля, Фланец лица, и внутренние отрывки потока.

Общие операции обработки:

• Токарная обработка и растачивание: Для отверстий в корпусе и капоте, направляющие штока, и дисковые интерфейсы.
• Фрезерование: Для фланцевых поверхностей, шаблоны болтов, и монтажные поверхности привода.
• Шлифование / Протирание: Поверхности седла и диска отшлифованы или притерты для обеспечения плотного прилегания и правильной геометрии контакта..
• Резьба: Внутренняя и внешняя резьба штока, упаковочные гайки, и крепежные.

Ключевое соображение: Допуски на размеры напрямую влияют на герметичность клапана и рабочий крутящий момент.. Типичные допуски на поверхность уплотнения составляют ±0,05 мм для седел «металл по металлу»..

Производство отделки

Компоненты: Диск/вилка, седло кольцо, корень, клетка (если многоступенчатая триммировка), и втулки.

Процессы:

• обработка с ЧПУ: Высокоточная обработка дисков, места, и отделка клетки.
• Хардфакция / Стеллитовое наложение: Наносится на поверхности диска или седла для повышения устойчивости к износу и кавитации..
• Балансировка / Бурение: Заглушки с разгруженным давлением могут иметь прецизионные отверстия для уменьшения осевых нагрузок на шток..

Проверки качества: Шероховатость поверхности, концентричность, и испытание на твердость имеют решающее значение для долгосрочной работы.

Сборка

Шаги:

1. Установка штока и диска: Вставьте шток в крышку и прикрепите диск/заглушку..
2. Упаковка и сальник в сборе: Установите уплотнительные кольца и фланец сальника, чтобы обеспечить герметичную работу вдоль штока..
3. Установка капота: Прикрутить крышку к корпусу с помощью прокладки или уплотнительного кольца..
4. Монтаж привода: Прикрепить инструкцию, электрический, пневматический, или гидравлический привод по мере необходимости.

Лучшие практики:

• Используйте инструменты для выравнивания, чтобы предотвратить изгиб штока или смещение диска..
• Затягивайте болты крест-накрест для обеспечения равномерного уплотнения..

Тестирование и контроль качества

Гидростатические испытания: Корпус и седло протестированы согласно API 598 для проверки целостности давления.

Тестирование на утечку:

• Клапаны с мягким седлом: Испытания на герметичность.
• Клапаны с металлическими седлами: Допустимая утечка определяется для каждого применения; часто <0.5% номинального расхода.

Неразрушающее тестирование (Непрерывный):

• Краситель пенетрант, магнитная частица, рентгенография, или ультразвуковой контроль дефектов литья или сварных швов.

Потоковое и функциональное тестирование:

• Некоторые клапаны проходят проверку Cv., инсультные тесты, и калибровка привода для подтверждения рабочих характеристик.

Обработка и отделка поверхности

• Рисование / Эпоксидное покрытие: Внешняя защита от коррозии клапанов из углеродистой стали.
• Пассивация: Клапаны из нержавеющей стали для удаления свободного железа и повышения коррозионной стойкости..
• Гальваника / ПТФЭ покрытие: Опционально для смачиваемых поверхностей для уменьшения трения и химического воздействия..

8. Преимущества шаровых клапанов

Проходные клапаны обладают уникальными преимуществами, которые делают их незаменимыми при точном регулировании расхода.:

• Точное регулирование: Точность расхода ±1–2 %, против. ±5–10 % для шаровых кранов. Критически важен для таких процессов, как поддержание 0.5% изменение нагрузки турбины на электростанциях.
• Двунаправленное уплотнение: Может изолировать поток в любом направлении (в отличие от задвижек, которые уплотняют в одном направлении). Уменьшает сложность и стоимость трубопроводов..
• Простое обслуживание: Внутренние компоненты (диск, сиденье, упаковка) заменяемы без снятия клапана с трубопровода. Сокращает время обслуживания на 50% против. сварные шаровые краны.
• Плотный отключение: Конструкции с мягким сиденьем соответствуют стандарту ISO. 5208 Утечка VI класса, подходит для токсичных или стерильных жидкостей.
• Широкий диапазон применения: Совместим со всеми жидкостями. (жидкости, газы, сногс) и условия эксплуатации (-269от °С до 1090 °С, 0–4200 фунтов на квадратный дюйм).

9. Ограничения шаровых клапанов

Несмотря на свои сильные стороны, Шаровые клапаны имеют недостатки, которые ограничивают их использование в определенных приложениях.:

• Более высокое падение давления: ΔP в 5–10 раз выше, чем у задвижек/шаровых кранов. (НАПРИМЕР., 18 пси против. <1 фунтов на квадратный дюйм для 2-дюймового клапана при 100 GPM). Увеличивает затраты на электроэнергию насосов на 10–15 % для систем с высоким расходом..
• Больший размер и вес: 2-дюймовый проходной клапан весит на 30–50% больше, чем шаровой кран того же размера. (НАПРИМЕР., 25 фунты против. 17 фунт). Увеличивает затраты на установку и требования к пространству..
• Медленное срабатывание: Для открытия/закрытия ручных шаровых клапанов требуется 30–60 секунд., против. 1–5 секунд для шаровых кранов. Непригоден для аварийных отключений. (Esds).
• Не идеально подходит для полного открытия/закрытия с высоким расходом: Cv в 5–10 раз ниже, чем у шаровых/задвижек., что делает их неэффективными для трубопроводов большого диаметра. (≥12 дюймов).

10. Промышленное применение шаровых клапанов

Производство электроэнергии (пар & вода). Шаровые клапаны контролируют питательную воду, байпасный и паровой тракты турбины.

Типичный сервис: пар при 10–160 бар и до 520 ° C. (материалы должны быть выбраны соответственно).

Нефтехимический & химический. Дросселирование агрессивных жидкостей, контроль дозирующих потоков, и изоляция проб. Распространены такие материалы, как Hastelloy или дуплексная нержавеющая сталь..

HVAC & Очистка воды. Балансировка, изоляция и контроль в системах охлажденной воды и централизованного теплоснабжения.

Масло & Газовые трубопроводы & переработка. Регулирование потока, системы контроля впрыска и системы безопасности с клапанным управлением (варианты регулирующего клапана с логикой ESD).

Другой: фармацевтический, мякоть & бумага, Морские системы, Криогеника (со специальным дизайном).

11. Сравнение с другими типами клапанов

12. Последние инновации и тенденции

Умные и автоматизированные шаровые клапаны

• IoT интеграция: Клапаны, оснащенные давлением, температура, и датчики вибрации (НАПРИМЕР., Эмерсон Розоунт 3051) передавать данные в реальном времени в SCADA Systems.
  Алгоритмы искусственного интеллекта прогнозируют износ сидений (3– за 6 месяцев вперед) и риск кавитации, сокращение незапланированного простоя на 30%.
• Беспроводное действие: Электрические приводы с аккумулятором (10-Годовая жизнь) обеспечить удаленную работу в морских или удаленных местах, Устранение затрат на проводку ($50,000+ за клапан).

Инновации в материалах

• Керамическая матричная композиты (CMCS - лучший): Корпуса из CMC выдерживают температуру 1200°C. (против. 815°C для Хастеллоя C276), подходит для ядерных реакторов нового поколения и топливных систем гиперзвуковых самолетов..
• Графеновые сиденья: PTFE Seats с 0.1% Графеновая добавка увеличивает износостойкость 50%, продление срока службы цикла от 10,000 к 15,000 цикл.

3D-печатные компоненты

• Аддитивное производство: 3Диски с сепараторными направляющими с D-печатью (SLM -процесс) со сложными проточными отверстиями (НАПРИМЕР., многоступенчатые каналы перепада давления) повысить точность регулирования за счет 20% против. обработанные диски.
• Быстрое прототипирование: 3D-печатные восковые модели для литья по выплавляемым моделям сокращают время выполнения заказа 4 недель до 2 дней для изготовления клапанов по индивидуальному заказу.

13. Будущие разработки

Промышленность 4.0 Интеграция

• Цифровые близнецы: Виртуальные копии шаровых кранов (Был E3D) имитировать производительность в условиях переменных (давление, температура), оптимизация графиков обслуживания и сокращение капитальных ремонтов 20%.
• Прогнозирующее обслуживание: Модели машинного обучения анализируют данные датчиков для прогнозирования сбоев с помощью 90% точность, возможность технического обслуживания по состоянию (против. основанный на времени).

Легкая и высокоэффективная конструкция

• Композитные тела: Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP) тела уменьшают вес за счет 40% против. металл, идеально подходит для аэрокосмических и автомобильных жидкостных систем.
• Y-образные клапаны с низким ΔP: Пути потока, оптимизированные с помощью CFD, снижают падение давления на 20% против. традиционные конструкции с Y-образным узором, сокращение затрат на электроэнергию для насосов за счет 15%.

Экологические и энергоэффективные решения

• Упаковка с низким уровнем выбросов: Гибридная набивка из графита и ПТФЭ снижает неорганизованные выбросы на 95%, соответствие последним правилам EPA по выбросам парниковых газов (40 CFR Part 63).
• Переработанные материалы: 90% Корпуса из переработанной нержавеющей стали сокращают выбросы углекислого газа за счет 40% против. девственная сталь, соответствие целям нулевого баланса.

14. Заключение

Проходные клапаны незаменимы там, где требуется точное регулирование расхода и надежное закрытие..

Их конструкция обеспечивает исключительные возможности управления, но за счет более высокого перепада давления и более крупных приводов..

Правильный выбор материала, Конфигурация трима и размер привода имеют решающее значение для длительного срока службы и низкой стоимости жизненного цикла..

Последние достижения в области интеллектуального управления, Проектирование трима и материаловедение продолжают расширять возможности использования шаровых клапанов в агрессивных и требовательных процессах..

Часто задаваемые вопросы

Как подобрать размер шарового клапана для технологической линии??

Определить требуемый расход, свойства жидкости и допустимый перепад давления.

Используйте уравнения определения размера Cv (Cv = Q √(SG/ΔP) в водном эквиваленте) и ознакомьтесь с кривыми производительности триммеров от производителей..

Подходят ли шаровые клапаны для работы в режиме включения/выключения??

Да, они обеспечивают хорошее отключение. Для быстрого включения/выключения больших диаметров., шаровые или дроссельные клапаны могут быть более экономичными..

Каковы типичные требования к крутящему моменту для шарового клапана??

Крутящий момент зависит от размера клапана, капля давления, тип сиденья и эффективность привода.

Например, может потребоваться небольшой глобус размером 1–2 дюйма. <50 N · m, в то время как клапаны диаметром 6–12 дюймов под высоким давлением могут потребовать от нескольких сотен до тысяч Н·м.. Всегда используйте кривые крутящего момента производителя..

Как шаровые клапаны справляются с кавитацией?

Стандартные тримы могут разрушаться в результате кавитации.. Используйте многоступенчатые или антикавитационные тримы., поэтапное регулирование, или уменьшите ΔP на клапане, чтобы уменьшить кавитацию..

Можно ли переоборудовать шаровой клапан в регулирующий клапан?

Да — многие шаровые клапаны спроектированы как корпуса регулирующих клапанов и оснащены приводами., позиционеры и триммеры управления.

Спецификация регулирующего клапана должна учитывать диапазон регулирования., Резюме, защита от шума и кавитации.