Udviklingen af ​​den altomfattende-kugleventil

Det kompakte design, brugervenligheden, lette reparationer og brede ydeevne har været med til at gøre kugleventilen til et dominerende design i moderne industrielle applikationer.

Opfindelsen af ​​kugleventilen har vist sig at være en revolutionerende udvikling for ventilindustrien, der leverer adskillige unikke løsninger, der opfylder moderne krav til flowregulering. Men dens vellykkede ansøgning var ikke umiddelbart indlysende.

Tidligt i kugleventilens levetid blev dens nuværende aktiver og værdier ikke realiseret. Manglen på bearbejdningsteknologi til at lave en virkelig rund kugle eksisterede ikke. Og datidens tætningsmaterialer, forbundet med brugen af ​​naturgummi, var meget begrænsede og forhindrede kugleventilen i at blive anvendt til nogen væsentlig industriel brug.

Under Anden Verdenskrig og ind i 1950'erne tillod bearbejdningsteknologi, der blev udviklet til krigsindsatsen, de iboende fordele ved kugleventilen at blive introduceret til militær brug. Udviklingen af ​​syntetiske materialer såsom polytetrafluorethylen (PTFE), ofte kendt under varemærket Teflon, banede vejen for industrielle anvendelser.

I dag bruges kugleventilen i en bred vifte af applikationer til flowkontrol af væsker, gasser og endda faste stoffer. Disse applikationer er i temperaturer, der spænder fra -450 grader F (-267 grader) til mere end 1600 grader F (871 grader). Trykket kan variere fra fuldt vakuum til over 20.000 psi.

Kugleventil design

De vigtigste komponenter i kugleventilen er krop, kugle, sæder og spindel. Disse komponenter kan fremstilles af en bred vifte af materialer. Kugleventiler tilbydes i adskillige endeforbindelser, herunder flange, gevind, svejseende og wafer, samt specialiserede endeforbindelser.

Grundlæggende

Kugleventildesign falder ind under kvart-omdrejningskategorien af ​​ventiler, inklusive prop- og butterflyventiler. Denne kvart-omdrejningskategori betyder, at ventilspindelen drejes 90 grader for drift.

De mest almindelige af disse designs er det flydende design og det -monterede design. De er typisk to-behandlede i tætning og kan orienteres i enhver position eller retning for åbning og lukning.

Nogle af de grundlæggende fordele, disse kugleventiler har i forhold til andre designs inkluderer:

fuld port for høj-floweffektivitet

lavere drejningsmoment

bredere tryk- og temperaturområde

høj cyklus kapacitet

overlegne stammetætninger

brandsikkert.-

lavere omkostninger at automatisere.

Det flydende kugledesign komprimerer først kuglen mellem bløde sæder, når ventilen er samlet. Dette tvinger sædematerialet til koldt- at flyde ind i kuglens porer, hvilket skaber et vakuum og lavt-tryksforsegling. I den lukkede position tvinger linetrykket bolden ind i nedstrømssædet. Dette giver en tæt afspærring over sædets tryk- og temperaturdesign.

Det flydende design er mest almindeligt i et størrelsesområde fra 1/4 til 12 tommer, selvom nogle producenter tilbyder størrelser op til 18 tommer. Den flydende kugleventils størrelse er begrænset af kuglens størrelse og vægt og af det drejningsmoment, der kræves for at rotere den, når størrelsen øges.

Trunnion-monterede designs fungerer lige det modsatte af det flydende design. I tappdesignet kan kuglen ikke flyde, men er stift placeret ved stammen på toppen og en aksel eller tapp, ved hjælp af lejer i bunden. Sæderne komprimeres mod kuglen ved hjælp af en fjeder eller fjedre for at udvikle den indledende lavtryks-forsegling.

Trunnion-ventilsæder er designet med tætninger, der skal proces-aktiveres, med stigende tryk tvinger opstrømssædet hårdere ind i bolden. Dette giver en tæt afspærring over sædets tryk- og temperaturdesign.

Trunnion-design tager typisk over, hvor designapplikationen med flydende kugle stopper, og kan findes i størrelsesområdet 3-72 tommer. Fordelen ved dette ventildesign bliver tydeligt efterhånden som ventilstørrelsen vokser.

Kuglens vægt og driftsmomentet er ikke faktorer, da sæderne i en tapventil ikke understøtter kuglen. Dette betyder, at ventilsæderne kan specialisere sig i at forsegle kuglen, hvilket tillader meget større ventiler med mindre aktivering, end der kan laves i nogen form for flydende design.

Legeme

Kugleventilhuset kan være støbt, smedet eller bearbejdet af omtrent alle tænkelige metal. Dette skyldes kugleventilens enkle og kompakte design. Gældende metaller omfatter:

Ikke-jernholdigt, såsom messing, bronze og aluminium

Jernholdige-baserede metaller, herunder jern, kulstofstål og rustfrit stål

Nikkel-baserede metaller, som omfatter Hastelloy, Inconel og nikkel

Reaktive metaller, herunder titanium, tantal og zirconium.

Kugleventiler er også lavet i en række plastik og polymerer, herunder PVC, polyethylen og polypropylen. Kugleventiler kan også være foret med polymerer og plast, og kan være lavet af eller foret med keramik såsom aluminiumoxid og zirconia.

Det grundlæggende design af ventilhuse i USA opfylder ASME (American Society of Mechanical Engineers) standard B16.34 retningslinjer. Disse standarder bestemmer vægtykkelser, spændingsniveauer og andre parametre i forbindelse med tryk-temperaturforhold for de fleste jernlegeringer.

B16.10-retningslinjer specificerer også de acceptable dimensioner af mange klasser af ventiler, såsom industri-specifikke standarder som API (American Petroleum Institute) standard 6D for rørledningsventiler og API 608, "Metal Ball Valves-Flanged, Threaded, and Welding Ends." Disse specifikationer kontrollerer dimensioner, materialer og anvendelser for at sikre, at ventildesignet forbliver konsistent fra producent til producent og er sikkert til den tilsigtede anvendelse.

Kugleventiler i vandværksservice er omfattet af AWWA (American Waterworks Association) standard, C507-18, "Ball Valves, 6 in. Through 60 in. (150mm through 1500 mm)."

Mange andre lande har nationale standarder, og flere organisationer fremmer også internationale standarder. Ventilproducenter, der ønsker at komme ind på det globale marked, skal overholde ISO (International Organization for Standardization), PED (European Commission - Pressure Equipment Directive), CE (PED) og ATEX (Bureau Veritas) standarder, blandt de mange andre, der findes, såsom i Kina og Rusland. At opfylde disse standarder er blevet et mandat for handel med EU, såvel som JIS-standarder for Japan og lignende krav andre steder.

Andre almindelige specifikationer for vurdering af kugleventiler omfatter WOG (vand/olie/gas), CWP (koldt arbejdstryk) og WSP (arbejdsdamptryk). Disse vurderinger er mere begrænsede og er typisk fastsat af den enkelte producent. Alle disse specifikationer vil etablere en tryk/temperatur-kurve for ventildesignet, som sænker trykket, når temperaturen stiger.

Kropsdesign er opdelt i fire grundlæggende konfigurationer:

Tre-sving ud. Kroppen er designet i tre stykker med mulighed for nemt at svinge den midterste kropssektion ud af linjen til reparation uden at skulle fjerne hele ventilen. Dette er praktisk, når ventiler skrues eller svejses ind i en rørledning.

Afslut indtastning. Dette design bruger et enkelt-- eller unibody-design. Alle de indvendige komponenter samles i ventilen gennem enden, hvor en endeprop er installeret for at fastholde delene. Dette design eliminerer enhver form for karrosseri- eller motorhjelmsforsegling, hvilket eliminerer en potentiel lækagevej.

Splittet krop. Dette design (figur 5), som navnet antyder, opdeler kroppen i to halvdele og giver mulighed for nem montering og en kropsforsegling mindre end tre-designet.

Denne opdelte kropskonstruktion er især fordelagtig, når ventilstørrelsen er stor, hvilket gør det lettere at samle store komponenter.

Topindgang. Topindgangens design bruger en- krop i ét stykke ligesom endeindgangen, bortset fra at toppen af ​​kroppen er blotlagt for at samle de indvendige dele. En motorhjelm boltes derefter på toppen af ​​ventilen, hvilket gør dette design kan repareres i-linje, svarende til tre-designet. De mest almindelige topindgangsdesign er unikke for kugleventildesign, da kuglen og sæderne flyder og fungerer i forening og på en tilspidsning i kroppen, i modsætning til de andre designs.

Bolden

Kugleventilens flowkontrolelement er naturligvis kuglen. Kuglen virker mod sædet og kan stoppe eller styre flowet gennem ventilen. Bolde er designet og fremstillet til krævende tolerancer for overfladefinish og sfærøsitet eller rundhed. Både kuglen og sædet er afgørende for jævn drift, reduceret drejningsmoment og god tætningsydelse, især når metalsæder og metal-til-metalforsegling er påkrævet. Kugleportkonfigurationen kan variere fra en standard lige og gennemgående-hulstil til en fler-portstil for kugleventiler, der tilbyder tre- til fem-vejsportsdesign. Mens de fleste kugleventildesigns bruger en fuld sfærisk kugle, er der også designs, der bruger en halvkugle (sektor), og dem, der bruger knasthandling til at tvinge bolden ind i sædet.

Kuglerne, der bruges i ventiler, er bearbejdet af mange materialer, herunder metal, keramik eller plast. Metalkugler kan forstærkes med en række forskellige belægninger eller overfladebehandlinger. Disse bruges til at give forbedret slidstyrke, korrosionsbestandighed eller høj hårdhed for at forhindre galning, hvilket er der, hvor uædle metallet ikke holder.

Overfladeforbedringer kan omfatte polymerer, flammespray, strømløs nikkel, PVD-belægninger og diffusionsprocesser såsom nitrid- og boridpåføring. Disse forbedringer er en væsentlig årsag til den vellykkede anvendelse af kugleventiler i de mange forskellige applikationer, hvor de i øjeblikket anvendes.

Sæder

Forbedringen af ​​sædedesign og teknologi har gjort det muligt for kugleventilen at udvide sig til en bred vifte af applikationer. Disse sæder kan give flere funktioner, afhængigt af ventildesignet og sædematerialet.

De skal give tæt afspærring i tilfælde af elastiske materialer, samt støtte bolden i flydende kugledesigns, modstå tjenesten og give en god cykluslevetid. Sæder kan også inkorporere karakteriserede porte til flowkontrolformål.

Bløde sædedesigns omtales almindeligvis som "jam"-design, der giver fuld-ansigtskontakt, når de er samlet, eller som fleksible læbedesigns, der har reduceret ansigtskontakt for lavere drejningsmoment og forbedret cykluslevetid.

Forskellige kropsdesigns vil bruge disse eller variationer af det grundlæggende bløde sædedesign. Mange producenters design giver også en form for hulrumstrykaflastning, hvilket forhindrer sæde- og ventilskader i tilfælde af fanget hulrumstryk fra mediet fanget i en lukket ventil.

Bløde sædematerialer, der bruges i dag, omfatter, men er ikke begrænset til:

Gummi, herunder neopren og Buna

Fluorpolymerer, herunder PTFE, TFM, PBI og PFA

UHMWPE (ultra-polyethylen med høj molekylvægt)

PEEK (polyether ether keton)

Delrin

Nylon

Metalsædedesign bruges i kugleventiler til at håndtere de mest alvorlige applikationer, herunder højt tryk, høj temperatur, slibeevne og flowkontrol.

Der er mange metalsædedesigns i brug, hvoraf de mest almindelige inkorporerer sæder af solidt metal, overfladehærdet eller belagt og overlappet til en kugle, der er blevet hærdet på samme måde. Dette matcher boldens og sædets overflader for at påvirke en god tætning.

Andre designs inkluderer sintret metal imprægneret med grafit eller PTFE, og endda nogle fleksible designs. Det kræves, at elastiske sæder er boble-tætte, men de fleste ventiler med metalsæder tillades en vis lækage pr. lækagespecifikation for metal-siddende kugleventiler. De mest almindelige af disse specifikationer er MSS-SP-61 og API 598. Andre specifikationer, der almindeligvis anvendes på kugleventiler med metalsæder, omfatter FCI 70.2 og API-standarder.

De fleste metal-siddende, flydende kugledesigns bruger fjedre og/eller tætninger til at komprimere sæderne mod kuglen og til at forsegle bagsiden af ​​sædet for lavt tryk. Kuglen flyder mod nedstrømssædet, når trykket stiger, hvilket giver afspærring over sædets tryk- og temperaturdesign, svarende til handlingen af ​​den bløde-siddende version.

I trunion designs bruges fjedre og ofte flere tætninger til at fange linjetrykket, hvilket tvinger sæderne hårdere mod bolden, når trykket stiger. Nogle producenter bearbejder endda sædefladen ind i ventilhuset, hvilket eliminerer fjedre og tætninger i én retning. Dette resulterer imidlertid typisk i en ensrettet ventildrift.

Stængler

Spindelen bruges i kugleventilen til at rotere kuglen til en åben eller lukket position, eller til en mellemposition for flowkontrol. Materialer, der overvejes til stilke, skal modstå mere end blot trykket fra kroppen, kuglen eller sæderne. De skal modstå processens korrosion og temperatur, samtidig med at de bevarer tilstrækkelig styrke til at modstå det drejningsmoment, der påføres dem, når ventilen betjenes. Af denne grund vælges der sædvanligvis højere styrke og korrosionsbestandige-materialer til fremstilling af stammer.

Da stilken er forbindelsen til bolden, skal den passere gennem kroppen, så den kan betjenes eksternt. Dette kræver, at spindlen har tætninger for at forhindre, at mediet i ventilen slipper ud. Forseglingerne skal forsegle boble-tæt, modstå væskekorrosion og temperatur og give en god cykluslevetid.

Typiske stammeforseglingsmaterialer omfatter polymerer såsom PTFE og PEEK. Til højere temperaturer eller brandsikkerhed anvendes typisk grafitstammetætninger. Disse materialer forbliver fleksible over brede temperaturområder og er kemisk resistente. I brand-lukkede ventiler skal tætningerne overleve en brand uden at lække.

Roterende kvart-omdrejningsventildesign som kugleventilen har de bedst-ydende spindeltætninger. Dette skyldes, at spindelen bevæger sig i en roterende bevægelse i modsætning til en stigende spindelbevægelse, der findes i port- og globeventiler. Med nutidens miljøhensyn og regler er spindelforseglingens ydeevne afgørende for ventilproducenter og slutbrugere.

Spindelforseglingsdesign falder i to grundlæggende kategorier: spindel-energiforseglinger og krops-energiforseglinger. Disse designs bruger mange forskellige typer tætninger, hvor de mest almindelige er flad ring, chevron, kop og kegle og monolitiske elementer.

Stængel energiiseret.I dette design er der normalt flere tætningsringe. Nogle af disse er inden for ventillegemets trykgrænse, der bliver den primære tætning, og andre er uden for trykgrænsen i det, der kaldes "pakning" eller "paknings"-boks.

Disse tætninger komprimeres eller aktiveres ved at trække op på stammen med en spindelmøtrik, som samtidig komprimerer de øvre tætninger med en pakningsfølger. De fleste af disse designs inkorporerer Belleville-fjedre til live-belastning af tætningerne. Dette gør spindeltætningsenheden selv-justerende og temperaturkompenserende, hvilket giver mulighed for længere cykluslevetid, før efterjustering er nødvendig.

Kroppen får energi.I dette design udføres tætning over trykgrænsen i pakdåsen, igen ved brug af enkelte eller flere tætningsringe. Nogle producenter kan bruge et trykleje på spindlen under trykgrænsen, men der udføres faktisk ingen tætning der.

Disse tætninger belastes ved hjælp af et "åg" eller "forskruningsplade", der komprimerer tætningerne i pakdåsen ved hjælp af bolte, der er gevind ind i kroppen. Designet bruger typisk flere Belleville-fjedre på boltene til igen at "spænde" pakdåsepladen, hvilket gør spindeltætningen selv-justerende.

Fordelen ved dette design er, at spindelen er fri til at flyde inden i tætningerne, hvilket reducerer drejningsmomentet og øger levetiden på spindeltætningen. Dette design tillader også inkorporering af "fugitive emission"-designs, som bruger flere sæt forseglinger, hvilket skaber yderligere eller overflødige forseglinger til giftige og høje-applikationer.

Ansøgninger

Med de avancerede designs og materialer, der tilbydes i moderne kugleventiler, bruges de i mange tjenester og industrier. Succes i disse applikationer afhænger af den korrekte specifikation af alle disse designs og komponenter som diskuteret.

Boldedesign er ikke begrænset til on/off service. De kan bruges til at omdirigere, kontrollere eller blande flows. Forskellige funktioner kan opnås ved at have flere porte til omledning og blanding, eller ved at have en karakteriseret port, såsom en V-port, til flowkontrol.

Brug af kugleventil med kvarts-omdrejning bliver mere almindeligt i applikationer til moderat-trykfalds-flowkontrol. Dette skyldes procesfordelene med lavere omkostninger, tæt afspærring og høj nøjagtighed, når det kombineres med digitale kontroller på elektrisk og pneumatisk aktivering.

Der er også specialdesignede kugleventiler til unikke applikationer. Disse kan omfatte ventiler til kryogen service, som skal håndtere ekstremt lave temperaturer, og ventiler til højtryksdamp, som skal håndtere ekstremt høje temperaturer og tryk.

Andre kugleventilapplikationer omfatter deres anvendelse i industrier som farmaceutisk, rumfart, nuklear, bioteknologi og papirmasse og papir. Anvendelser, hvor de anvendes, omfatter syrer og kemikalier, opslæmninger, termiske væsker, damp og kryogener.

Konklusion

Det kompakte design, brugervenligheden, lette reparationer og brede ydeevne har været med til at gøre kugleventilen til et dominerende design i moderne industrielle applikationer. Og kugleventiler fortsætter med at udvikle sig for at imødekomme nye og sværere krav.

Industrisektoren lægger større og større vægt på sikkerhed, miljø, forbedret effektivitet og omkostningsreduktion. Kugleventilens aktiver vil således fortsat gøre den til en vigtig spiller med mange fremtidige roller.