ゲートバルブvsボールバルブ: どちらを選ぶか?

導入

ゲートバルブvsボールバルブ 流体制御エンジニアリングで最も頻繁に議論されるトピックの1つです, どちらも業界で最も広く使用されているシャットオフバルブの1つであるため.

彼らの目的は - 流体の流れを許可または止めている間 - は同じように見えるかもしれません, 彼らのデザイン, 動作原則, パフォーマンス, 経済的プロファイルは大きく異なります.

2つの間で選択することは、些細な決定ではありません.

右バルブはシステムの効率を向上させることができます, エネルギー損失を減らします, ダウンタイムを最小限に抑えます, 長期的な信頼性を確保します, 一方、間違った選択は漏れにつながる可能性があります, 費用のかかるメンテナンス, あるいは安全上のリスクさえも.

この記事では、ゲートバルブとボールバルブの詳細な比較を提供します, 彼らの構造を覆う, シーリングパフォーマンス, 動作速度, 圧力と温度能力, メンテナンスの需要, および実際のアプリケーションシナリオ.

1. ゲートバルブとは何ですか

あ ゲートバルブ は、円形ポートを通る流体の流れをブロックまたは解除するために、フラットまたはウェッジ型の「ゲート」に依存する線形モーションシャットオフバルブです.

ゲートはバルブ本体内を垂直に移動します, どちらかを達成します フルオープン または 完全に閉じた 位置.

グローブバルブやバタフライバルブとは異なります, ゲートバルブはそうです スロットリング用に設計されていません; それらを部分的に開いて操作すると、振動を引き起こす可能性があります, キャビテーション, および加速摩耗.

ゲートバルブの主な利点は、その配信能力です 低圧降下と高流量効率 完全に開いているとき.

フローパスがほぼまっすぐだからです, 流体抵抗が最小限に抑えられます, ゲートバルブを非常に効果的にします 大径および高圧パイプライン.

ゲートバルブの重要な機能

線形作動

ゲートは、垂直線形運動を介して動作します, 上に移動して開閉します. これは、ハンドホイールによって駆動されるねじれた茎を介して達成されます, ギアボックス, または線形アクチュエータ.

高流量効率

ボンネットに完全に格納されたとき, ゲートは、最小限の乱流でストレートスルーボアを離れます.
フロー係数 (cv) 超えることができます 10,000 12インチのバルブ用, 長いパイプラインでの非常に効率的な液体透過を可能にします.
この低抵抗は、ポンピングエネルギーの損失を減らします, ゲートバルブを有利にします 大容量, 大口径のネットワーク オイルなど, ガス, および水道本管.

柔軟なシーリングオプション

• 金属間の座席: 耐久性を提供します 高圧と高温 条件, までの評価で 600 ℃ (1,112 °F) そして クラス 2500 (≈ 2,500 psi) サービス.
• 回復力またはソフトシール (PTFE, EPDM, NBR): 低から中圧でバブルタイトシャットオフを提供します, WaterworksおよびGeneralユーティリティシステムで広く使用されています.
  これらのシールは、漏れ速度をほぼ減少させます ANSI漏れ基準の下では、1分あたりゼロドロップ.

広いサイズと圧力範囲

ゲートバルブは、直径で製造されています ½インチ (DN15) に 48 インチ (DN1200+), 小さな産業パイプラインと大規模な市営または石油化学ネットワークの両方をカバーする.

それらは最も経済的で効果的です 上の直径 12 インチ, 代替バルブのタイプが非現実的にかさばるまたは費用がかかる場合.

圧力評価はからです PN10 (150 psi) に PN250 (2,500 psi), 標準的なユーティリティサービスから高圧プロセスラインへの適用性を確保する.

2. ボールバルブとは何ですか

あ ボールバルブ 球状のプラグを使用してフローを制御する回転運動シャットオフバルブです (「ボール」) 中央の穴があります.

ボアがパイプラインと一致するとき, 液体は自由に流れます; 90°回転したとき, ボールは通路をブロックします, フローを停止します.

これ クォーターターン操作 ゲートバルブなどの線形モーションバルブと比較して、ボールバルブをより速く、作動させやすいものにします.

ボールバルブは広く使用されています 石油とガス, 化学処理, 空調設備, 水処理, 圧縮空気システム, 信頼できるシャットオフ, コンパクトなデザイン, 自動化の互換性が重要です.

それらは、要求するアプリケーションに特に好まれています 頻繁な操作 そして タイトなシーリングパフォーマンス.

主な特長

クォーターターン作動

ハンドルまたはアクチュエータを回転させて動作します 90°, ボールバルブにより、迅速な開閉が可能になります.

これにより、緊急シャットオフや自動システムに非常に適しています.

作動トルクは、ゲートバルブと比較して低いです, 空気圧または電気アクチュエーターは、リモートまたは自動操作のために一般的にインストールされます.

優れたフロー効率

フルボアボールバルブは、遮るもののないものを提供します, ストレートスルーフローパス, ゲートバルブとほぼ同じくらい低い圧力低下と乱流.
典型的な フロー係数 (cv) 値を超える可能性があります 12,000 12インチのバルブ用, 大規模なシステムでエネルギー効率の高いものにします.
コンパクトさが最大フローよりも重要である場合、削られたボアバージョンも利用できます.

優れたシーリングパフォーマンス

• ソフトシートボールバルブ (PTFE, ナイロン, ピーク) オファー バブルタイトシャットオフ ガスおよび液体パイプラインで広く使用されています.
  漏れのパフォーマンスはしばしば満たされます ANSI/FCI 70-2 クラスVI (ゼロリーク標準).
• 金属媒介ボールバルブ のために設計されています 高温 (まで 500 ℃ / 932 °F) および研磨サービス, 柔らかい座席が劣化する場所.

デザインの多様性

• フローティングボール: ボールが座席で所定の位置に保持される標準的なデザイン; 低い人に適しています- 中圧サービスへ (PN100まで / 1,000 psi).
• トルニオンに取り付けられたボール: ボールはトラニオンに固定されています, シートの摩耗を減らし、より大きなサイズとより高い圧力を可能にする (PN420まで / 6,000 psi).

サイズと圧力範囲

ボールバルブはから利用できます ¼インチ (DN8) に 36 インチ (DN900) 標準生産で.

ゲートバルブと比較してコンパクトです, 彼らは最も費用対効果が高い 小さいから中径 (≤12インチ).

圧力クラスは一般的にの範囲です PN10からPN420 (150 プサイに 6,000 psi) デザインと素材に応じて.

3. 構造的および機能的原則

間の基本的な区別 ゲートバルブ 対 ボールバルブ 彼らの中にあります モーションタイプとシーリングジオメトリ, 直接影響します 操作速度, フロー効率, 圧力能力, およびメンテナンス要件.

ゲートバルブ: ウェッジまたは平行シーリングを備えた線形運動

• 構造
  典型的なゲートバルブは、aで構成されています ゲート (ディスク), 幹, 席, ボンネット, とバルブ本体.

• • 体: 通常、炭素鋼を鋳造または鍛造します, ステンレス鋼, または延性鉄.
  • 幹: ねじ付き (上昇または上昇しない) ゲート作動用.
  • ボンネット: ボルトでボルト, 溶接された, または圧力封じ込めのための圧力封印.
  • ゲート: ウェッジ型または平行ディスク設計のいずれか.

• シーリングメカニズム

• • ウェッジゲート: 傾斜したボディシートに対する先細のディスクシート. それは システム圧力下での自己触たち, に最適です 高圧システム (ANSIクラス600〜2500, 〜100–420バー).
  • 平行ゲート: 広がり春のある2つの平らなプレートは、均一な接触を保証します. こんな方に最適 低圧, クリーンな流体サービス (例えば, 水, 洗練された製品).

• 関数
  操作には、ハンドホイールまたはアクチュエータを介してステムを回転させることが含まれます. この動き ゲートを線形に持ち上げたり下げたりします, 上げたときに流れを可能にし、下げられたときに密閉されます.
  フルオープン位置で, ゲートはボンネットに完全に格納されます, ほぼ遮るもののない穴を残します.
• 制限事項

• • ゆっくりとした作動 - DN300 (12-インチ) バルブが必要になる場合があります 30–60秒 完全に動作する.
  • 大きなフットプリント - 線形移動は、より長い対面とステムの高さの寸法を要求します (に従って ASME B16.10).
  • スロットリングには適していません - 部分的な開口部は振動を引き起こします, キャビテーション, およびシートダメージ.

ボールバルブ: 球面シーリングによる回転運動

• 構造
  ボールバルブはaで構成されています ポート付きの球状ボール, 席, 幹, と体.

• • 体: 通常、ワンピースで, ツーピース, または3ピース構成, さまざまなレベルの保守性を有効にします.
  • 座席: 柔らかい (PTFE, ピーク) または金属 (ステライト, インコネル) さまざまなサービス条件の場合.
  • 幹: ボールを巻き込みます, 4分の1回転で回転します.

• シーリングメカニズム

• • フローティングボール: ボールはライン圧力で下流の座席に押し付けられます. 単純, 費用対効果の高い, に共通 小さい- 中サイズのバルブに (≤DN150 / 6 で。).
  • トルニオンに取り付けられたボール: ボールは、上部と下のシャフトに固定されています, トルクとシート摩耗の削減.
    のために設計されています 大型ボア, 高圧サービス (DN200+ / 8 で。, ANSIクラスまで 2500 / 〜420バー).

• 関数
  あ クォーターターン (90°) 茎の ボールを回転させます.

• • で 0°, ボアは、フルフローのためにパイプラインと一致します.
  • で 90°, ボアは垂直です, タイトなシャットオフを提供します.
  • ソフトシート 達成するために変形します バブルタイトシーリング (ANSI/FCIあたりのクラスVI漏れ 70-2).
  • 金属シート 耐えられます 研磨剤, 腐食性, または高温サービス (まで 500 ℃ / 932 °F).

• 利点

• • コンパクトな寸法: 標準化された短い対面の長さ ASME B16.10.
  • 急速な作動: 必要なのは4分の1ターンのみです, 操作を許可します 下 5 秒 ほとんどのサイズの場合.
  • 自動化対応: 緊急シャットダウンに最適です (ESD) 空気圧によるリモートコントロール, 電気, または油圧アクチュエータ.

4. シーリングパフォーマンスとフロー特性

の シーリングの信頼性 そして フロー挙動 バルブはの重要な決定要因です 安全性, 効率, ライフサイクルコスト.

シーリングクラスまたはフロー係数のわずかな違いでさえ (cv) に翻訳できます 数百万ドルのエネルギー節約または排出罰 大規模な産業事業用.

以下は、ゲートバルブとボールバルブの詳細な比較です.

シーリングパフォーマンス

データポイント: 逃亡排出テストで (ISO 15848), ソフトシートボールバルブ 達成 99.9% リークフリーパフォーマンス, に比べ 95% ソフトシートゲートバルブ用 連続動作中.

この微分は表すことができます 毎年節約されています 化学プラントで.

フロー特性

• 流れ抵抗

• • ゲートバルブ: 中程度から低い.

• • • フルボアDN300 (12-インチ) ウェッジゲートバルブ: CV = 8,000〜10,000, 圧力降下で <2 のためのバー 100 原油パイプラインのm.
    • しかし, 部分的に開いたゲートは、乱流とキャビテーションを生成します.

• • ボールバルブ: フルボアデザインの場合は非常に低いです.

• • • 12-インチフルポートボールバルブ: CV = 6,000〜7,000, 通常 30% 同等のゲートバルブよりも低い圧力低下.
    • 削減されたデザイン: CV = 4,000〜5,000, コンパクトさのための効率を犠牲にします.

• 不純物とスラリーの取り扱い

• • ゲートバルブ: 汚いサービスに失敗する傾向があります. 懸濁した固体 (砂, 規模, スラッジ) ゲートとシートの間にロッジできます.
    研究が示しています マイニングおよびスラリーアプリケーションのゲートバルブ障害の〜20％ シートジャミングまたは侵食によって引き起こされます.
  • ボールバルブ: 汚染された液に適しています.

• • • フルボア, Trunnionに取り付けられたデザインにより、ポートを洗い流すことができます.
    • マイニングスラリーサービス, ボールバルブの故障率は〜10％です, ゲートバルブの半分.

• スロットリング適合性

• • ゲートバルブ: お勧めしません.

• • • 部分的な開口部は流れの乱流を引き起こします, キャビテーション, 振動, 加速シート侵食.
    • 制御精度が低い: ±20〜30％.

• • ボールバルブ: 設計されたときにスロットリングに適応できます v-notchまたはdecdarportトリム.

• • • 予測可能な渦流を提供します, 有効化 ±5％フロー制御精度, で広く適用されます 化学投与とガス分布.

5. 動作速度と制御

作動速度と自動化の互換性は、緊急対応とプロセス効率に重要です.

動作速度

• ゲートバルブ: 遅い - 10〜50個の茎の回転を要求します (サイズに応じて) 完全に開閉します. 12インチの電気ゲートバルブは、作動するのに30〜60秒かかります (対. 1 - ボールバルブの場合は2秒).

• • 制限: ESDシステムには適していません, 1秒の遅延により、事故のリスクが増加します 40% (API 521 データ).

• ボールバルブ: 高速-90°四半期ターンは、1〜2秒の作動を可能にします (空気圧) または5〜10秒 (電気).

• • アドバンテージ: ESDに最適です (例えば, 精製燃料ライン) 頻繁なサイクルシステム (例えば, 空調設備, 1,000+ 運用/年).

自動化とアクチュエータの互換性

• ゲートバルブ: 線形アクチュエータが必要です (油圧/空気圧) 回転運動を線形ステムの動きに変換します.
  これらはかさばりです, より高価な (2Xボールバルブアクチュエータのコスト), より多くのメンテナンスが必要です.
• ボールバルブ: クォーターターンアクチュエーターを使用します (空気圧/電気), コンパクトです, 低コスト (例えば, $1,500 6インチの電動アクチュエータ対. $3,000 ゲートバルブアクチュエータ用), スマートコントロールと互換性があります (ハート/財団フィールドバス).

6. 圧力と温度能力

の 圧力温度 (P-T) 評価 バルブの決定 材料の選択, ボディデザイン, シーリングタイプ, 業界標準.

適切なP-T選択が保証されます 安全な操作, 最小限の漏れ, そして、拡張されたサービス寿命, 特に発電や石油化学などの高圧および高温のアプリケーションで.

圧力評価

温度能力

• ゲートバルブ

• • 炭素鋼モデル: ≤815°C (1,500 °F).
  • 合金鋼 (例えば, ハステロイ, インコネル) 耐えることができます 1,000℃ (1,832 °F).
  • 理由: 金属間シールと堅牢なボンネット構造 熱膨張に抵抗します, クリープ, 圧力による変形, それらを〜に適したものにする 過熱蒸気および高温化学プロセス.

• ボールバルブ

• • ソフトシート (PTFE, fkm, ピーク): ≤260°C (500 °F).
  • メタルシート (ステライト, インコネル): ≤650°C (1,202 °F).
  • 制限: などの超高温サービスには適していません 発電所過熱蒸気 (>750℃), 加速されているため シートの劣化と漏れ.

7. 耐久性, メンテナンス, そしてサービス生活

ライフサイクルの耐久性 そして メンテナンス要件 に影響を与える重要な要因です 総所有コスト (TCO) 産業用バルブシステム用.

材料の選択, 動作条件, デザイン機能は、バルブが最小限の介入で確実に機能する時間を決定する.

メカニズムを着用します

• ゲートバルブ

• • 茎の腐食 (障害の約30％): 湿気や腐食性の環境では、ねじれた茎は錆の影響を受けやすい.
    緩和戦略には含まれます クロムメッキ, ステンレス鋼の茎, または腐食防止コーティング.
  • シートウェア (障害の約25％): 部分スロットリング, 堆積物, または、スラリーは金属または柔らかい座席を侵食する可能性があります.
    星に覆われた座席 研磨または高温サービスの寿命を大幅に延長します.
  • ゲートジャミング (障害の約20％): ゲートとシートの間に閉じ込められた固形物または破片は粘着性を引き起こす可能性があります. 列をなして ストレーナー, フィルター, または定期的なフラッシング このリスクを減らします.

• ボールバルブ

• • シートウェア (障害の約40％): 頻繁に操作すると、柔らかい座席を分解できます. PTFEシートを覗いたり強化したりします 提供する 3×長い寿命 標準のPTFEよりも.
  • ステムOリング漏れ (障害の約15％): 化学曝露または熱サイクリングは、エラストマーシールを分解する可能性があります.
    の使用 FKM/Viton Oリング 炭化水素または積極的な化学サービスでは、耐久性が向上します.
  • キャビテーションまたは摩耗: 原因によりゲートバルブよりも一般的ではありません フルボアデザイン および圧力バランスの取れたシートアレンジメント.

保守性

• ゲートバルブ: サービスが難しい - 完全な分解を要求します (ボンネットの取り外し) 座席/ゲートにアクセスします.
  メンテナンスには4〜8時間かかります (対. 1 - ボールバルブの2時間) 多くの場合、パイプラインのシャットダウンが必要です.
• ボールバルブ: 簡単に使用できます - 3ピースの設計では、パイプラインからバルブを取り外すことなくシート/ボールの交換を可能にします.
  ソフトシートが取る 30 交換する議事録 (対. 2 ゲートバルブシートの時間).

サービスライフとメンテナンスコスト

8. ゲートバルブとボールバルブのアプリケーションシナリオ

バルブの選択は非常に重要です アプリケーション固有, 運用要件があります, 圧力/温度条件, a ゲートバルブ または ボールバルブ 最適です.

ゲートバルブアプリケーション

ゲートバルブは優れています 高圧, 高温, および大径システム どこ 完全な分離 必要であり、頻繁な操作は最小限です.

• ボイラー給水と蒸気ライン:

• • サイズ: DN150 – DN1200
  • 条件: までの圧力 150 バー, までの気温 815℃ (メタルシート)
  • 理由: リニア, フルボアの設計により、圧力降下が最小限に抑えられ、サーマルサイクリングに耐えます.

• 高圧オイルおよび化学パイプライン:

• • ANSIクラス600〜4500
  • 大口径のパイプラインは、低流量の耐性と高圧分離のための堅牢なシーリングの恩恵を受けます.

• 地方自治体の給水および防火システム:

• • サイズ: DN100 – DN600
  • 低周波操作で信頼できるシャットオフを提供します; 低サイクルパイプラインの低メンテナンス.

重要な考慮事項: ゲートバルブはそれほど適していません 頻繁な作動 または 自動緊急システム 線形運動が遅いため.

ボールバルブアプリケーション

ボールバルブが推奨されます ハイサイクル, 自動化されています, またはプロセスクリティカルシステム, 特にどこで 急速な作動, タイトシーリング, コンパクトデザイン 必要です.

• 化学および石油化学処理:

• • 減少- またはv-notchボールバルブ 正確なスロットリング および化学投与.
  • プレッシャーを処理します 200 バー そしてまでの気温 260℃ (ソフトシート) または650°C (金属シート).

• 天然ガスと石油の分布:

• • フルポートとトルニオンに取り付けられたボールバルブが確実です タイトなシャットオフと最小限の圧力降下.
  • 媒体に最適です- 必要な高圧パイプラインへ リモート作動.

• 空調設備, 水処理, 圧縮空気システム:

• • 頻繁なサイクルシステムの恩恵を受けます クイッククォーターターン操作, ダウンタイムと人件費の削減.
  • 通常、サイズは標準的な産業用途向けのDN15 – DN300です.

• 緊急シャットダウン (ESD) および安全性の高いライン:

• • クォーターターン操作を有効にします 1–2秒の作動, 製油所の燃料ラインにとって重要です, ガスパイプライン, リスクの高い化学プロセス.

重要な考慮事項: 非常に用途が広いですが, ボールバルブはそうです 超高圧にはそれほど適していません (>PN420) または超高温 (>815℃) サービス.

9. 比較概要表

10. 一般的な誤解

それらの広範な使用にもかかわらず, ゲートとボールのバルブはしばしば誤解されています. 以下は重要な説明です:

「ゲートバルブはスロットリングに使用できます。」

間違い: 部分的に開いたゲートバルブは、ゲートエッジの周りに乱流の流れを作り出します, キャビテーションを引き起こします (座席への損傷) フロー不安定性 (±20〜30％の偏差). スロットリングにはV-Notchedボールバルブを使用します.

「ボールバルブは、低圧アプリケーション用のみです。」

間違い: 金属シートを備えたTrunnionボールバルブは、ANSIクラスを処理します 2500 (3,625 psi) - 高圧オイル/ガスおよび発電に適しています.

「ゲートバルブは、ボールバルブよりもTCOが低いです。」

コンテキスト依存: ゲートバルブは、低サイクルでTCOが低いです (≤100操作/年) システム (例えば, パイプライン).

ボールバルブは、ハイサイクルで30〜50％低いTCOを持っています (年間1,000以上の操作) システム (例えば, 空調設備).

「ソフトシートバルブは常に漏れがあります。」

間違い: ソフトシート (PTFE/EPDM) 高温で劣化します (>260℃) または攻撃的な化学物質で (例えば, 強酸), 漏れにつながる. 極端な条件には、金属製のバルブを使用してください (クラスIVシャットオフ).

11. 結論

ゲートバルブvsボールバルブは競合他社ではありません。彼らは補完的なツールです, それぞれが特定の運用ニーズに最適化されています:

• IFのゲートバルブを選択してください: 低圧降下が必要です, 超高温/圧力能力, または大口径のシャットオフ (例えば, オイルパイプライン, ボイラー給水).
  高圧のためにウェッジゲートバルブを優先し、きれいに平行ゲートバルブ, 低圧液.
• IFのボールバルブを選択してください: 迅速な作動が必要です, タイトなシャットオフ, 頻繁にサイクリング, またはスロットリング (例えば, 空調設備, 化学投与, ESDシステム).
  小さなサイズ/低圧のフローティングボールバルブを選択し、大きなサイズ/高圧用のトルーニオンボールバルブを選択します.

最も重要な選択基準はです 総所有コスト, 前価格ではありません.
ボールバルブは、高サイクルシステムで長期節約を提供します, ゲートバルブは低サイクルでより経済的ですが, 大口径のアプリケーション.
バルブ設計をプロセス要件で調整することにより、標準化されたP-T評価の使用, 障害データ, 業界のベストプラクティス - エンジニアは安全を確保することができます, 効率的, 費用対効果の高い流体システム操作.