Еволюцията на-всеобхватния сферичен кран

Компактният дизайн, простотата на използване, лекотата на ремонт и възможностите за широка производителност помогнаха сферичният кран да стане доминиращ дизайн в съвременните индустриални приложения.

Изобретението на сферичния кран се доказа като революционно развитие за производството на вентили, предоставяйки множество уникални решения, които отговарят на съвременните изисквания за контрол на потока. Но успешното му прилагане не беше очевидно веднага.

В началото на живота на сферичния кран неговите текущи активи и стойности не бяха реализирани. Липсата на технология за обработка, за да се направи наистина кръгла топка, не съществуваше. А уплътнителните материали от онова време, свързани с използването на естествени каучуци, бяха много ограничени и не позволяваха на сферичния кран да бъде използван за значима промишлена употреба.

По време на Втората световна война и през 50-те години на миналия век технологията за обработка, разработена за военните усилия, позволява присъщите предимства на сферичния кран да бъдат въведени във военна употреба. Развитието на синтетични материали като политетрафлуороетилен (PTFE), често известен с марката Teflon, проправи пътя за приложения в индустриалния сектор.

Днес сферичният кран се използва в широк спектър от приложения за контрол на потока на течности, газове и дори твърди вещества. Тези приложения са при температури, които варират от -450 градуса F (-267 градуса) до повече от 1600 градуса F (871 градуса). Наляганията могат да варират от пълен вакуум до над 20 000 psi.

Дизайн на сферичен кран

Основните компоненти на сферичния кран са тялото, топката, седлата и стеблото. Тези компоненти могат да бъдат направени от голямо разнообразие от материали. Сферичните кранове се предлагат в многобройни крайни връзки, включително фланцови, резбови, заварени и вафлени, както и специализирани крайни връзки.

Основи

Дизайните на сферичните кранове попадат в категорията на четвърт{0}}оборотните вентили, включително щепселни и дроселови клапи. Тази четвърт{2}}категория на завъртане означава, че стеблото на клапана е завъртяно на 90 градуса за работа.

Най-често срещаните от тези дизайни са плаващият дизайн и -монтираният дизайн. Те обикновено са двупосочни при уплътняване и могат да бъдат ориентирани във всяка позиция или посока за отваряне и затваряне.

Някои от основните предимства, които тези сферични кранове имат пред други конструкции, включват:

пълен порт за висока{0}}ефективност на потока

по-нисък въртящ момент

по-широк диапазон на налягане и температура

възможност за висок цикъл

превъзходни уплътнения на стеблото

пожар{0}}безопасен

по-ниска цена за автоматизиране.

Дизайнът на плаващата топка първоначално притиска топката между меките седалки, когато вентилът е сглобен. Това принуждава материала на седалката да изстине-в порите на топката, създавайки вакуум и уплътнение при ниско-налягане. В затворено положение налягането в линията принуждава топката да влезе в долната седалка. Това осигурява плътно спиране на дизайна на налягането и температурата на седалката.

Плаващият дизайн е най-често срещан в размери от 1/4 до 12 инча, въпреки че някои производители предлагат размери до 18 инча. Размерът на плаващия сферичен кран е ограничен от размера и теглото на топката и от въртящия момент, необходим за завъртането й с увеличаване на размера.

Конструкциите, монтирани-на стойка, работят точно обратното на плаващата конструкция. При конструкцията на цапфа топката не може да плава, но е неподвижно разположена от стеблото отгоре и вал или цапфа, използвайки лагери отдолу. Седалките се притискат към топката с помощта на пружина или пружини, за да се развие първоначалното уплътнение при ниско-налягане.

Леглата на цапфата на клапана са проектирани с уплътнения, за да бъдат-задвижвани от процеса, като нарастващото налягане притиска седлото нагоре по веригата по-твърдо в топката. Това осигурява плътно спиране на дизайна на налягането и температурата на седалката.

Дизайнът на палеца обикновено заема мястото, където спира приложението за дизайн на плаваща топка и може да се намери в диапазон от размери от 3-72 инча. Предимството на този дизайн на клапана става очевидно с нарастването на размера на клапана.

Теглото на топката и работният въртящ момент не са фактори, тъй като гнездата на цапфата не поддържат топката. Това означава, че гнездата на цапфата на клапана могат да се специализират в уплътняването на топката, позволявайки много по-големи клапани с по-малко задействане, отколкото могат да бъдат направени във всеки тип плаващ дизайн.

Тяло

Тялото на сферичния кран може да бъде излято, изковано или машинно изработено от всеки възможен метал. Това се дължи на простия и компактен дизайн на сферичния кран. Приложимите метали включват:

Цветни метали, като месинг, бронз и алуминий

Метали-на основата на черни метали, включително желязо, въглеродни стомани и неръждаеми стомани

Метали-базирани на никел, които включват Hastelloy, Inconel и никел

Реактивни метали, включително титан, тантал и цирконий.

Сферичните кранове също се произвеждат от различни пластмаси и полимери, включително PVC, полиетилен и полипропилен. Сферичните кранове също могат да бъдат облицовани с полимери и пластмаси и могат да бъдат направени от или облицовани с керамика като алуминиев оксид и цирконий.

Основният дизайн на клапанните тела в Съединените щати отговаря на указанията на ASME (Американското дружество на машинните инженери) стандарт B16.34. Тези стандарти определят дебелините на стените, нивата на напрежение и други параметри във връзка със съотношението налягане-температура за повечето железни сплави.

Насоките B16.10 също така определят приемливите размери на много класове вентили, като например специфични за индустрията-стандарти, като стандарт 6D на API (Американския петролен институт) за тръбопроводни клапани и API 608, „Метални сферични кранове-с фланци, резба и заварени краища“. Тези спецификации контролират размерите, материалите и приложенията, за да се гарантира, че дизайнът на вентила остава последователен от производител до производител и е безопасен за предвиденото приложение.

Сферичните кранове във водоснабдителните съоръжения са обхванати от стандарта на AWWA (Американската асоциация по водоснабдяване), C507-18, „Сферични кранове, 6 инча до 60 инча (150 мм до 1500 мм).“

Много други държави имат национални стандарти, а няколко организации насърчават и международни стандарти. Производителите на вентили, които желаят да навлязат на световния пазар, трябва да отговарят на стандартите ISO (Международна организация за стандартизация), PED (Директива за оборудване под налягане - на Европейската комисия), CE (PED) и ATEX (Bureau Veritas), сред многото други, които съществуват, като например в Китай и Русия. Спазването на тези стандарти се превърна в мандат за търговия с Европейския съюз, както и стандартите JIS за Япония и подобни изисквания на други места.

Други често срещани спецификации за оценка на сферичните кранове включват WOG (вода/масло/газ), CWP (студено работно налягане) и WSP (работно налягане на пара). Тези оценки са по-ограничени и обикновено се определят от отделния производител. Всички тези спецификации ще създадат крива налягане/температура за конструкцията на вентила, която намалява номиналното налягане с повишаване на температурата.

Дизайните на каросерията са разделени на четири основни конфигурации:

Три{0}}завъртаща се люлка. Тялото е проектирано от три части с възможност за лесно завъртане на централната част на тялото извън линията за ремонт, без да се налага да премахвате целия клапан. Това е удобно, когато вентилите са резбовани или заварени в тръбопровод.

Край на записа. Този дизайн използва-дизайн от една част или цяло тяло. Всички вътрешни компоненти са монтирани във вентила през края, където е монтирана крайна тапа за задържане на частите. Този дизайн елиминира всякаква форма на уплътнение на тялото или капака, елиминирайки потенциалния път на изтичане.

Разделено тяло. Този дизайн (Фигура 5), както подсказва името, разделя тялото на две половини и позволява лесно сглобяване и едно уплътнение на тялото по-малко от три-дизайна.

Този дизайн на разделено тяло е особено полезен, когато размерът на вентила е голям, което улеснява сглобяването на големи компоненти.

Топ запис. Дизайнът на горния вход използва-тяло от една част като крайния вход, с изключение на това, че горната част на тялото е открита, за да се сглобят вътрешните части. След това в горната част на клапана се завинтва капак, което прави този дизайн ремонтируем в-линия, подобно на дизайна от три-части. Най-често срещаните дизайни на горния вход са уникални за дизайните на сферичните кранове, тъй като топката и седалките плават и работят в унисон и на конус в тялото, за разлика от другите дизайни.

Топката

Елементът за регулиране на потока на сферичния кран е, разбира се, топката. Топката действа срещу седалката и може да спре или контролира потока през клапана. Топките са проектирани и произведени с точни допуски за повърхностно покритие и сферичност или закръгленост. Както топката, така и седалката са критични за плавната работа, намаления въртящ момент и доброто уплътняване, особено когато се изискват метални седалки и уплътнение метал-към-метал. Конфигурацията на сферичния порт може да варира от стандартен прав и през-стил на дупка до много-стил на порт за сферични кранове, които предлагат три- до пет-дизайна на порта. Докато повечето конструкции на сферични кранове използват пълна сферична топка, има и конструкции, които използват половин топка (сектор) и такива, които използват действие на гърбица, за да притиснат топката в гнездото.

Топките, използвани във вентилите, са изработени от много материали, включително метал, керамика или пластмаса. Металните топки могат да бъдат подобрени с различни покрития или повърхностни обработки. Те се използват, за да осигурят подобрена устойчивост на износване, устойчивост на корозия или висока твърдост, за да се предотврати протриване, което е мястото, където основният метал не издържа.

Подобренията на повърхността могат да включват полимери, пламъчно пръскане, безелектрически никел, PVD покрития и дифузионни процеси като нанасяне на нитриди и бориди. Тези подобрения са основна причина за успешното приложение на сферичните кранове в голямото разнообразие от приложения, в които се използват в момента.

Седалки

Подобряването на конструкцията и технологията на седлото позволи на сферичния кран да се разшири в широк спектър от приложения. Тези седалки могат да осигурят множество функции в зависимост от конструкцията на клапана и материала на седлото.

Те трябва да осигурят плътно затваряне в случай на еластични материали, както и да поддържат топката в конструкции с плаваща топка, да издържат на обслужване и да осигурят добър живот на цикъла. Седалките могат също така да включват характерни портове за целите на контрола на потока.

Дизайните на меките седалки обикновено се наричат ​​дизайни на „засядане“, които осигуряват пълен-контакт с лицето, когато са сглобени, или като дизайни на гъвкави устни, които имат намален контакт с лицето за по-нисък въртящ момент и подобрен цикъл на живот.

Различните дизайни на каросерията ще използват тези или вариации на основния дизайн на меката седалка. Конструкциите на много производители също така осигуряват някаква форма на освобождаване на налягането в кухината, предотвратявайки повреда на седалката и клапана в случай на уловено налягане в кухината от средата, уловена в затворен клапан.

Използваните днес меки материали за седалки включват, но не се ограничават до:

Каучуци, включително неопрен и буна

Флуорополимери, включително PTFE, TFM, PBI и PFA

UHMWPE (ултра-полиетилен с високо молекулно тегло)

PEEK (полиетер етер кетон)

Делрин

Найлон

Конструкциите на метални седалки се използват в сферичните кранове за справяне с най-тежките приложения, включително високо налягане, висока температура, абразивност и контрол на потока.

Използват се много дизайни на метални седалки, най-често срещаните от които включват седалки от твърд метал, повърхностно закалени или с покритие, и припокрити към топка, която е закалена по подобен начин. Това съвпада с повърхностите на топката и седалката, за да се постигне добро уплътнение.

Други дизайни включват синтерован метал, импрегниран с графит или PTFE, и дори някои гъвкави дизайни. Изисква се еластичните седалки да са непропускливи, но повечето клапани с метални седла допускат известно изтичане според спецификацията на утечките на сферичните кранове с метално седло. Най-често срещаните от тези спецификации са MSS-SP-61 и API 598. Други спецификации, които обикновено се прилагат към сферичните кранове с метално гнездо, включват FCI 70.2 и стандартите API.

Повечето дизайни на плаваща топка с метални -седалки използват пружини и/или уплътнения за притискане на леглата към топката и за уплътняване на задната страна на седалката за ниско налягане. Топката плува срещу седалката надолу по течението, когато налягането се увеличава, осигурявайки спиране на дизайна на седалката за налягане и температура, подобно на действието на версията с меко-седло.

При дизайните на цапфи, пружини и често няколко уплътнения се използват за улавяне на налягането в тръбопровода, притискайки седалките по-силно към топката с увеличаване на налягането. Някои производители дори машинно обработват опорната повърхност в тялото на клапана, като елиминират пружините и уплътненията в една посока. Това обаче обикновено води до еднопосочна работа на клапана.

стъбла

Стеблото се използва в сферичния кран за завъртане на топката в отворено или затворено положение или в междинно положение за контрол на потока. Материалите, разглеждани за стъблата, трябва да издържат на повече от натиска на тялото, топката или седалките. Те трябва да издържат на корозията и температурата на процеса, като същевременно запазват достатъчно здравина, за да издържат на въртящия момент, приложен към тях, когато вентилът работи. Поради тази причина обикновено се избират материали с по-висока якост и устойчивост на-корозия за производство на стебла.

Тъй като стеблото е връзката с топката, то трябва да премине през тялото, за да може да се управлява отвън. Това изисква стеблото да има уплътнения, за да се предотврати изтичането на средата във вентила. Уплътненията трябва да уплътняват-непропускливо, да издържат на флуидна корозия и температура и да осигуряват добър жизнен цикъл.

Типичните материали за уплътнение на стеблото включват полимери като PTFE и PEEK. За по-високи температури или пожарна безопасност обикновено се използват графитни уплътнения на стеблото. Тези материали остават гъвкави в широк температурен диапазон и са химически устойчиви. При пожар-уплътнените вентили уплътненията трябва да издържат на пожар без течове.

Конструкциите на въртящи се четвърт{0}}завъртащи вентили като сферичния кран имат най-добрите-ефективни уплътнения на стеблото. Това се дължи на движението на стеблото във въртеливо движение, за разлика от издигащото се движение на стеблото, което се среща в шибърните и сферичните клапани. С днешните опасения за околната среда и разпоредби, ефективността на уплътнението на стеблото е от решаващо значение за производителите на клапани и крайните-потребители.

Конструкциите на уплътнение на стеблото попадат в две основни категории: уплътнения-захранени с енергия и уплътнения-захранени с тяло. Тези конструкции използват много различни видове уплътнения, като най-често срещаните са плосък пръстен, шеврон, чаша и конус и монолитни елементи.

Енергизирано стебло.В този дизайн обикновено има множество уплътнителни пръстени. Някои от тях са вътре в границата на налягането на корпуса на клапана, която се превръща в основното уплътнение, а други са извън границата на налягането в това, което се нарича „опаковъчна“ или „пълнежна“ кутия.

Тези уплътнения се компресират или захранват чрез действието на издърпване на стеблото с гайка на стеблото, което едновременно с това притиска горните уплътнения с уплътнителен последовател. Повечето от тези дизайни включват Belleville пружини за постоянно натоварване на уплътненията. Това прави уплътнителния модул на стеблото само-настройващ се и температурно компенсиращ, което позволява по-дълъг живот на цикъла, преди да е необходима повторна настройка.

Енергизирано тяло.При този дизайн уплътнението се осъществява над границата на налягането в салниковата кутия, като отново се използват единични или множество уплътнителни пръстени. Някои производители могат да използват аксиален лагер на стеблото под границата на налягането, но там всъщност не се извършва уплътнение.

Тези уплътнения се зареждат с помощта на "иго" или "плоча с жлеза", компресирайки уплътненията в салниковата кутия с помощта на болтове, резбовани в тялото. Конструкцията обикновено използва множество Belleville пружини на болтовете, за да „натовари отново“ уплътнителната плоча, правейки уплътнението на стеблото само-регулиращо се.

Предимството на този дизайн е, че стеблото може свободно да се движи в уплътненията, намалявайки въртящия момент и увеличавайки живота на уплътнението на стеблото. Този дизайн също така позволява включването на проекти за „неорганизирани емисии“, които използват множество комплекти уплътнения, създавайки допълнителни или излишни уплътнения за токсични и високо-циклични приложения.

Приложения

С усъвършенствания дизайн и материали, предлагани в модерните сферични кранове, те се използват в много услуги и индустрии. Успехът в тези приложения зависи от правилната спецификация на всички тези проекти и компоненти, както беше обсъдено.

Дизайнът на топката не се ограничава до услуга за включване/изключване. Те могат да се използват за отклоняване, управление или смесване на потоци. Различни функции могат да бъдат изпълнени чрез наличие на множество портове за отклоняване и смесване или чрез наличие на характерен порт, като например V-порт, за контрол на потока.

Използването на сферичен кран с четвърт{0}}завъртане става все по-често срещано в приложения за контрол на потока с умерен{1}}спад на налягането. Това се дължи на предимствата на процеса на по-ниска цена, плътно затваряне и висока точност, когато са съчетани с цифрови контроли за електрическо и пневматично задействане.

Има и специални дизайни на сферични кранове за уникални приложения. Те могат да включват клапани за криогенно обслужване, които трябва да издържат на изключително ниски температури, и клапани за пара с високо{1}}налягане, които трябва да издържат на изключително високи температури и налягания.

Други приложения на сферичните кранове включват използването им в индустрии като фармацевтична, космическа, ядрена, биотехнологична и целулозно-хартиена. Приложенията, в които се използват, включват киселини и химикали, суспензии, термични течности, пара и криогенни вещества.

Заключение

Компактният дизайн, простотата на използване, лекотата на ремонт и възможностите за широка производителност помогнаха сферичният кран да стане доминиращ дизайн в съвременните индустриални приложения. А сферичните кранове продължават да се развиват, за да отговорят на нови и по-трудни изисквания.

Индустриалният сектор поставя все по-голям акцент върху безопасността, околната среда, подобрената ефективност и намаляването на разходите. По този начин активите на сферичния кран ще продължат да го правят важен играч с много бъдещи роли.