De evolutie van de allesomvattende kogelkraan.-

Het compacte ontwerp, de eenvoud van gebruik, het reparatiegemak en de brede prestatiemogelijkheden hebben ertoe bijgedragen dat de kogelkraan een dominant ontwerp is geworden in moderne industriële toepassingen.

De uitvinding van de kogelkraan is een revolutionaire ontwikkeling gebleken voor de afsluitersindustrie en levert talloze unieke oplossingen op die voldoen aan de moderne eisen op het gebied van debietregeling. Maar de succesvolle toepassing ervan was niet meteen duidelijk.

Al vroeg in de levensduur van de kogelkraan werden de huidige activa en waarden ervan niet gerealiseerd. Het gebrek aan bewerkingstechnologie om een ​​echt ronde bal te maken bestond niet. En de afdichtingsmaterialen van die tijd, geassocieerd met het gebruik van natuurlijke rubbers, waren zeer beperkt en verhinderden dat de kogelkraan voor enig industrieel gebruik werd toegepast.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog en het begin van de jaren vijftig zorgde de voor de oorlogsinspanningen ontwikkelde bewerkingstechnologie ervoor dat de inherente voordelen van de kogelkraan in militair gebruik konden worden geïntroduceerd. De ontwikkeling van synthetische materialen zoals polytetrafluorethyleen (PTFE), vaak bekend onder de merknaam Teflon, maakte de weg vrij voor toepassingen in de industriële sector.

Tegenwoordig wordt de kogelkraan gebruikt in een breed scala aan toepassingen voor debietregeling van vloeistoffen, gassen en zelfs vaste stoffen. Deze toepassingen vinden plaats bij temperaturen die variëren van -450 graden F (-267 graden) tot meer dan 1600 graden F (871 graden). De druk kan variëren van volledig vacuüm tot meer dan 20.000 psi.

Kogelkraanontwerp

De belangrijkste componenten van de kogelkraan zijn het lichaam, de kogel, de zittingen en de steel. Deze componenten kunnen van een grote verscheidenheid aan materialen worden gemaakt. Kogelkranen worden aangeboden in talrijke eindverbindingen, waaronder flens-, draad-, lasuiteinden en wafers, evenals gespecialiseerde eindverbindingen.

Basisprincipes

Kogelkraanontwerpen vallen in de kwartslag-categorie van kleppen, inclusief plug- en vlinderkleppen. Deze kwart--categorie betekent dat de klepsteel 90 graden wordt gedraaid voor bediening.

De meest voorkomende van deze ontwerpen zijn het zwevende ontwerp en het op een tap-tap gemonteerde ontwerp. Ze zijn doorgaans bi-directioneel qua afdichting en kunnen in elke positie of richting worden georiënteerd voor openen en sluiten.

Enkele van de basisvoordelen die deze kogelkranen hebben ten opzichte van andere ontwerpen zijn:

volledige poort voor hoge-stroomefficiëntie

lager koppel

breder druk- en temperatuurbereik

hoge cycluscapaciteit

superieure stemafdichtingen

brand-veilig

lagere kosten om te automatiseren.

Het zwevende kogelontwerp comprimeert de kogel aanvankelijk tussen zachte zittingen wanneer de klep wordt gemonteerd. Hierdoor wordt het materiaal van de zitting gedwongen om koud-in de poriën van de bal te stromen, waardoor een vacuüm- en lage-drukafdichting ontstaat. In de gesloten positie dwingt de lijndruk de bal in de stroomafwaartse zitting. Dit zorgt voor een strakke afsluiting van het druk- en temperatuurontwerp van de stoel.

Het zwevende ontwerp komt het meest voor in een maatbereik van 1/4 tot 12 inch, hoewel sommige fabrikanten maten tot 18 inch aanbieden. De grootte van de drijvende kogelkraan wordt beperkt door de grootte en het gewicht van de kogel, en door het koppel dat nodig is om deze te roteren naarmate de maat groter wordt.

Op tap-gemonteerde ontwerpen werken precies het tegenovergestelde van zwevende ontwerpen. Bij het tapontwerp kan de bal niet drijven, maar zit hij stevig vast bij de steel aan de bovenkant en een as of tap, waarbij gebruik wordt gemaakt van lagers aan de onderkant. De zittingen worden met behulp van een veer of veren tegen de bal gedrukt om de initiële lagedrukafdichting te ontwikkelen.

Tapklepzittingen zijn ontworpen met afdichtingen die door het proces-worden bekrachtigd, waarbij de toenemende druk de stroomopwaartse zitting harder in de bal dwingt. Dit zorgt voor een strakke afsluiting van het druk- en temperatuurontwerp van de stoel.

Trunnion-ontwerpen nemen doorgaans het over waar de toepassing van zwevende kogelontwerpen ophoudt en zijn te vinden in een groottebereik van 3-72 inch. Het voordeel van dit klepontwerp wordt duidelijk naarmate de klep groter wordt.

Het gewicht van de kogel en het bedieningskoppel spelen geen rol, aangezien de zittingen in een tapklep de kogel niet ondersteunen. Dit betekent dat de klepzittingen van de tap zich kunnen specialiseren in het afdichten van de kogel, waardoor veel grotere kleppen met een kleinere bediening mogelijk zijn dan bij elk type zwevend ontwerp mogelijk is.

Lichaam

Het kogelkraanlichaam kan uit vrijwel elk denkbaar metaal worden gegoten, gesmeed of machinaal bewerkt. Dit komt door het eenvoudige en compacte ontwerp van de kogelkraan. Toepasselijke metalen zijn onder meer:

Non-ferro, zoals messing, brons en aluminium

Metalen op ijzer-basis, waaronder ijzer, koolstofstaal en roestvrij staal

Metalen op nikkel-basis, waaronder Hastelloy, Inconel en nikkel

Reactieve metalen, waaronder titanium, tantaal en zirkonium.

Kogelkranen worden ook gemaakt van een verscheidenheid aan kunststoffen en polymeren, waaronder PVC, polyethyleen en polypropyleen. Kogelkranen kunnen ook worden bekleed met polymeren en kunststoffen, en kunnen worden gemaakt van of bekleed met keramiek zoals aluminiumoxide en zirkoniumoxide.

Het basisontwerp van kleplichamen in de Verenigde Staten voldoet aan de ASME-standaard B16.34-richtlijnen (American Society of Mechanical Engineers). Deze normen bepalen wanddiktes, spanningsniveaus en andere parameters in combinatie met druk-temperatuurrelaties voor de meeste ferrolegeringen.

De B16.10-richtlijnen specificeren ook de aanvaardbare afmetingen van vele klassen kleppen, zoals industrie-specifieke normen zoals de API (American Petroleum Institute) standaard 6D voor pijpleidingkleppen en API 608, "Metalen kogelkranen- met flens-, schroefdraad- en lasuiteinden." Deze specificaties bepalen de afmetingen, materialen en toepassingen om ervoor te zorgen dat het klepontwerp consistent blijft van fabrikant tot fabrikant en veilig is voor de beoogde toepassing.

Kogelkranen in waterleidingbedrijven vallen onder de AWWA-norm (American Waterworks Association), C507-18, "Kogelkranen, 6 inch tot en met 60 inch (150 mm tot en met 1500 mm)."

Veel andere landen hebben nationale normen, en verschillende organisaties bevorderen ook internationale normen. Klepfabrikanten die de wereldmarkt willen betreden, moeten voldoen aan de ISO (International Organization for Standardization), PED (Europese Commissie - Pressure Equipment Regulation), CE (PED) en ATEX (Bureau Veritas) normen, naast de vele andere die bestaan, zoals in China en Rusland. Het voldoen aan deze normen is een mandaat geworden voor de handel met de Europese Unie, evenals de JIS-normen voor Japan en soortgelijke vereisten elders.

Andere veel voorkomende specificaties voor de classificatie van kogelkranen zijn WOG (water/olie/gas), CWP (koude werkdruk) en WSP (werkstoomdruk). Deze beoordelingen zijn beperkter en worden doorgaans door de individuele fabrikant vastgesteld. Al deze specificaties bepalen een druk-/temperatuurcurve voor het klepontwerp, waardoor de drukwaarde wordt verlaagd naarmate de temperatuur stijgt.

Lichaamsontwerpen zijn onderverdeeld in vier basisconfiguraties:

Drie-delig uitzwaaibaar. De behuizing is ontworpen in drie delen met de mogelijkheid om het middelste lichaamsgedeelte gemakkelijk uit de lijn te zwaaien voor reparatie zonder dat de hele klep hoeft te worden verwijderd. Dit is handig wanneer kleppen in een pijpleiding worden geschroefd of gelast.

Einde invoer. Dit ontwerp maakt gebruik van een ontwerp uit één- stuk of uit één stuk. Alle interne componenten worden via het uiteinde in de klep gemonteerd, waar een eindplug is geïnstalleerd om de onderdelen vast te houden. Dit ontwerp elimineert elke vorm van carrosserie- of motorkapafdichting, waardoor een potentieel lekpad wordt geëlimineerd.

Gesplitst lichaam. Bij dit ontwerp (Afbeelding 5) wordt, zoals de naam al aangeeft, de behuizing in twee helften gesplitst en is de montage eenvoudig en is er één behuizingsafdichting minder dan bij het drie-delige ontwerp.

Dit ontwerp met een gesplitst lichaam is vooral voordelig als de klepgrootte groot is, waardoor de montage van grote componenten eenvoudiger wordt.

Topinvoer. Het ontwerp met ingang aan de bovenkant maakt gebruik van een behuizing uit één- stuk, net als de eindingang, behalve dat de bovenkant van de behuizing zichtbaar is om de interne onderdelen te kunnen monteren. Vervolgens wordt er een kap op de bovenkant van de klep vastgeschroefd, waardoor dit ontwerp in-lijn kan worden gerepareerd, vergelijkbaar met het drie- ontwerp. De meest voorkomende ontwerpen met boveningang zijn uniek voor kogelkraanontwerpen, aangezien de kogel en de zittingen drijven en samen en taps in het lichaam werken, in tegenstelling tot de andere ontwerpen.

De bal

Het stroomregelelement van de kogelkraan is uiteraard de kogel. De bal werkt tegen de zitting en kan de stroom door de klep stoppen of regelen. Ballen zijn ontworpen en vervaardigd volgens veeleisende toleranties voor oppervlakteafwerking en bolheid, of rondheid. Zowel de kogel als de zitting zijn van cruciaal belang voor een soepele werking, een lager koppel en goede afdichtingsprestaties, vooral wanneer metalen zittingen en metaal-op-metaalafdichting vereist zijn. De configuratie van de kogelpoort kan variëren van een standaard stijl met rechte en doorgaande- gaten tot een stijl met meerdere- poorten voor kogelkranen met drie- tot vijf- poortontwerpen. Hoewel de meeste ontwerpen van kogelkranen een volledig bolvormige kogel gebruiken, zijn er ook ontwerpen die een halve kogel (sector) gebruiken en ontwerpen die nokwerking gebruiken om de kogel in de zitting te duwen.

De kogels die in kleppen worden gebruikt, zijn vervaardigd uit vele materialen, waaronder metaal, keramiek of plastic. Metalen kogels kunnen worden verbeterd met een verscheidenheid aan coatings of oppervlaktebehandelingen. Deze worden gebruikt om verbeterde slijtvastheid, corrosieweerstand of hoge hardheid te bieden om vreten te voorkomen, waar het basismetaal niet standhoudt.

Oppervlakteverbeteringen kunnen polymeren, vlamsproeien, stroomloos nikkel, PVD-coatings en diffusieprocessen zoals het aanbrengen van nitride en boride omvatten. Deze verbeteringen zijn een belangrijke reden voor de succesvolle toepassing van kogelkranen in de grote verscheidenheid aan toepassingen waarin ze momenteel worden gebruikt.

Zitplaatsen

Dankzij de verbetering van het ontwerp en de technologie van de zitting heeft de kogelkraan zich kunnen uitbreiden naar een breed scala aan toepassingen. Deze zittingen kunnen meerdere functies vervullen, afhankelijk van het klepontwerp en het zittingmateriaal.

Ze moeten een goede afsluiting bieden in het geval van veerkrachtige materialen, de bal ondersteunen bij zwevende balontwerpen, bestand zijn tegen de service en een goede levensduur bieden. Stoelen kunnen ook gekarakteriseerde poorten bevatten voor stroomcontroledoeleinden.

Ontwerpen met zachte zittingen worden gewoonlijk "jam"-ontwerpen genoemd die volledig-vlakcontact bieden wanneer ze worden gemonteerd, of als flexibele lipontwerpen die minder vlakcontact hebben voor een lager koppel en een langere levensduur van de cyclus.

Verschillende carrosserieontwerpen zullen deze of variaties op het basisontwerp van de zachte stoel gebruiken. De ontwerpen van veel fabrikanten bieden ook een vorm van drukontlasting in de holte, waardoor schade aan de zitting en de klep wordt voorkomen in het geval van opgesloten holtedruk van de media die in een gesloten klep zijn opgesloten.

Zachte stoelmaterialen die tegenwoordig worden gebruikt, omvatten, maar zijn niet beperkt tot:

Rubbers, waaronder neopreen en Buna

Fluorpolymeren, waaronder PTFE, TFM, PBI en PFA

UHMWPE (polyethyleen met ultra-hoogmoleculair gewicht)

PEEK (polyetheretherketon)

Delrin

Nylon

Ontwerpen met metalen zittingen worden gebruikt in kogelkranen voor de zwaarste toepassingen, waaronder hoge druk, hoge temperaturen, abrasiviteit en stroomregeling.

Er zijn veel ontwerpen van metalen zittingen in gebruik, waarvan de meest voorkomende zittingen van massief metaal bevatten, waarvan het oppervlak is gehard of gecoat, en gelept tot een bal die op dezelfde manier is gehard. Dit komt overeen met de kogel- en zittingoppervlakken om een ​​goede afdichting te beïnvloeden.

Andere ontwerpen omvatten gesinterd metaal geïmpregneerd met grafiet of PTFE, en zelfs enkele flexibele ontwerpen. Veerkrachtige zittingen moeten luchtbellen-dicht zijn, maar bij de meeste kleppen met metalen zittingen is enige lekkage toegestaan ​​volgens de lekkagespecificaties van kogelkranen met metalen- zittingen. De meest voorkomende van deze specificaties zijn MSS-SP-61 en API 598. Andere specificaties die vaak worden toegepast op kogelkranen met metalen zitting zijn onder meer FCI 70.2 en API-normen.

De meeste met metaal-zittende, zwevende kogels maken gebruik van veren en/of afdichtingen om de zittingen tegen de bal te drukken, en om de achterkant van de zitting af te dichten voor lage druk. De bal zweeft tegen de stroomafwaartse zitting naarmate de druk toeneemt, waardoor het druk- en temperatuurontwerp van de zitting wordt uitgeschakeld, vergelijkbaar met de werking van de zacht- versie met zitting.

Bij tapontwerpen worden veren en vaak meerdere afdichtingen gebruikt om de lijndruk op te vangen, waardoor de zittingen harder tegen de bal worden gedrukt naarmate de druk toeneemt. Sommige fabrikanten bewerken het zittingoppervlak zelfs in het klephuis, waardoor veren en afdichtingen in één richting worden geëlimineerd. Dit resulteert echter typisch in een unidirectionele werking van de klep.

Stengels

De steel wordt in de kogelkraan gebruikt om de kogel naar een open of gesloten positie te draaien, of naar een tussenpositie voor stroomregeling. Materialen die voor stuurpennen in aanmerking komen, moeten meer kunnen weerstaan ​​dan alleen de druk van het lichaam, de bal of de zittingen. Ze moeten bestand zijn tegen de corrosie en de temperatuur van het proces en tegelijkertijd voldoende kracht behouden om bestand te zijn tegen het koppel dat erop wordt uitgeoefend wanneer de klep wordt bediend. Om deze reden worden gewoonlijk materialen met een hogere sterkte en corrosie- geselecteerd voor de productie van stuurpennen.

Omdat de steel de verbinding met de bal is, moet deze door het lichaam gaan zodat deze van buitenaf kan worden bediend. Dit vereist dat de steel afdichtingen heeft om te voorkomen dat de media in de klep ontsnappen. De afdichtingen moeten luchtdicht-dicht zijn, bestand zijn tegen vloeistofcorrosie en temperatuur, en een goede levensduur hebben.

Typische materialen voor spindelafdichtingen zijn polymeren zoals PTFE en PEEK. Voor hogere temperaturen of brandveiligheid worden doorgaans grafiet-steelafdichtingen gebruikt. Deze materialen blijven flexibel over een groot temperatuurbereik en zijn chemisch bestendig. Bij brand-afgedichte kleppen moeten de afdichtingen een brand overleven zonder te lekken.

Roterende kwart- klepontwerpen zoals de kogelkraan hebben de best- presterende spindelafdichtingen. Dit komt doordat de spindel in een roterende beweging beweegt, in tegenstelling tot een stijgende spindelbeweging die wordt aangetroffen bij schuif- en klepafsluiters. Met de hedendaagse zorgen en regelgeving op het gebied van het milieu zijn de prestaties van klepsteelafdichtingen van cruciaal belang voor klepfabrikanten en eindgebruikers-.

De ontwerpen van spindelafdichtingen vallen in twee basiscategorieën: spindel-bekrachtigde afdichtingen en behuizing-bekrachtigde afdichtingen. Deze ontwerpen maken gebruik van veel verschillende soorten afdichtingen, waarvan de meest voorkomende platte ring, chevron, cup en kegel en monolithische elementen zijn.

Stam bekrachtigd.In dit ontwerp zijn er meestal meerdere afdichtringen. Sommige hiervan bevinden zich binnen de drukgrens van het kleplichaam die de primaire afdichting wordt, en andere bevinden zich buiten de drukgrens in wat de "pakking" of "opvul" -doos wordt genoemd.

Deze afdichtingen worden samengedrukt of bekrachtigd door de werking van het omhoog trekken van de steel met een steelmoer, die tegelijkertijd de bovenste afdichtingen samendrukt met een pakkingvolger. De meeste van deze ontwerpen bevatten Belleville-veren om de afdichtingen onder spanning te zetten. Hierdoor is de klepsteelafdichting zelf-aanpassend en temperatuurcompenserend, waardoor een langere levensduur mogelijk is voordat opnieuw afstellen nodig is.

Lichaam energiek.Bij dit ontwerp wordt de afdichting tot boven de drukgrens in de pakkingbus gerealiseerd, wederom met behulp van enkele of meerdere afdichtingsringen. Sommige fabrikanten gebruiken weliswaar een druklager op de stuurpen onder de drukgrens, maar daar vindt feitelijk geen afdichting plaats.

Deze afdichtingen worden geladen met behulp van een "juk" of "wartelplaat", waarbij de afdichtingen in de pakkingbus worden samengedrukt met behulp van bouten die in het lichaam zijn geschroefd. Het ontwerp maakt doorgaans gebruik van meerdere Belleville-veren op de bouten om de pakkingplaat weer onder spanning te zetten, waardoor de spindelafdichting zelf-aanpast.

Het voordeel van dit ontwerp is dat de spindel vrij in de afdichtingen kan zweven, waardoor het koppel wordt verminderd en de levensduur van de spindelafdichting wordt verlengd. Dit ontwerp maakt ook de integratie mogelijk van ontwerpen voor 'vluchtige emissie', waarbij gebruik wordt gemaakt van meerdere sets afdichtingen, waardoor extra of overtollige afdichtingen worden gecreëerd voor toxische en hoogcyclische toepassingen.

Toepassingen

Dankzij de geavanceerde ontwerpen en materialen die moderne kogelkranen bieden, worden ze in veel diensten en industrieën gebruikt. Succes in deze toepassingen hangt af van de juiste specificatie van al deze ontwerpen en componenten, zoals besproken.

Balontwerpen zijn niet beperkt tot aan/uit-service. Ze kunnen worden gebruikt om stromen om te leiden, te controleren of te mengen. Verschillende functies kunnen worden bereikt door meerdere poorten te hebben voor omleiden en mengen, of door een gekarakteriseerde poort te hebben, zoals een V--poort, voor stroomregeling.

Het gebruik van kogelkranen met kwart-draairegeling komt steeds vaker voor bij toepassingen met matige- drukval en debietregeling. Dit is te danken aan de procesvoordelen van lagere kosten, strakke afsluiting en hoge nauwkeurigheid in combinatie met digitale bedieningselementen voor elektrische en pneumatische aandrijving.

Er zijn ook speciale kogelkraanontwerpen voor unieke toepassingen. Dit kunnen onder meer kleppen zijn voor cryogene toepassingen, die extreem lage temperaturen moeten kunnen verwerken, en kleppen voor hoge-stoomdruk, die extreem hoge temperaturen en drukken moeten kunnen verwerken.

Andere toepassingen voor kogelkranen zijn onder meer het gebruik ervan in industrieën zoals de farmaceutische industrie, de ruimtevaart, de kernenergie, de biotechnologie en de pulp- en papierindustrie. Toepassingen waar ze worden gebruikt zijn onder meer zuren en chemicaliën, slurries, thermische vloeistoffen, stoom en cryogene stoffen.

Conclusie

Het compacte ontwerp, de eenvoud van gebruik, het reparatiegemak en de brede prestatiemogelijkheden hebben ertoe bijgedragen dat de kogelkraan een dominant ontwerp is geworden in moderne industriële toepassingen. En kogelkranen blijven evolueren om aan nieuwe en moeilijkere eisen te voldoen.

De industriële sector legt steeds meer nadruk op veiligheid, milieu, efficiencyverbetering en kostenreductie. De troeven van de kogelkraan zullen er dus voor zorgen dat deze een belangrijke speler blijft met vele toekomstige rollen.