Прохідний та шиберний клапани – всебічне порівняння

1. Вступ

Прохідний клапан проти засувки є одним із найпоширеніших порівнянь у промисловому контролі рідин, оскільки обидва типи клапанів широко застосовуються в трубопроводах для ізоляції та регулювання.

Хоча вони мають однакову широку мету — контролювати потік рідин, гази, або пара — їхня внутрішня геометрія, методи пломбування, і експлуатаційні характеристики істотно відрізняються.

Вибір між двома потребує ретельної оцінки таких факторів, як ефективність потоку, продуктивність герметизації, швидкість спрацьовування, вартість життєвого циклу, і галузеві вимоги.

Невдалий вибір може збільшити експлуатаційні витрати, знижують надійність, і поставити під загрозу безпеку.

2. Що таке прохідний клапан?

A глобусна клапан це тип клапана з лінійним рухом, призначений головним чином для регулювання і дроселювання потоку.

Його назва походить від сферичної форми корпусу в ранніх конструкціях, хоча сучасні запірні клапани також можуть використовувати прямі, кут, або Y-шаблон конфігурації.

На відміну від засувок, які призначені для повного відключення, прохідні клапани чудово забезпечують контрольований, змінний потік з відносно коротким ходом.

Прохідні клапани зазвичай використовуються в парові системи, Хімічна обробка, Генерація живлення, і очищення води—усюди, де потрібен точний контроль тиску або витрати.

Принцип роботи

Робота запірного клапана заснована на вертикальне переміщення диска (штепсель) проти нерухомого сидіння.

• Диск клапана з'єднаний зі штоком, який рухається лінійно під час обертання маховика або приводу.
• Коли диск опущений, вона тисне на сидіння, блокування потоку.
• Як диск піднятий, потік проходить через простір між диском і сідлом, що створює звивисту S-подібну траєкторію.
• Ступінь відкриття прямо корелює з величиною потоку, забезпечує гарну точність дроселювання прохідних клапанів.

Ця геометрія вводить вищий опір потоку (падіння тиску) порівняно з засувками, але забезпечує чудова точність керування.

Основні особливості

• Точність контролю потоку: Прохідні клапани забезпечують точне регулювання, з коефіцієнтами потоку (Cv) які дозволяють поступове коригування.
  Наприклад, 6-дюймовий прохідний клапан може досягти точності керування в межах ±5%.
• Опції ущільнення: Доступний з сидіння метал-метал для роботи при високій температурі (до 650 ° C) або конструкції з м’яким сидінням (PTFE, еластомери) для герметичного закриття в системах низького тиску.
• Універсальні конфігурації: Прямий візерунок (стандарт), візерунок під кутом (90° поворот потоку, зменшує фурнітуру), і Y-шаблон (менший перепад тиску).
• Діапазон розмірів & Рейтинги: Зазвичай виготовляється з ½ дюйма до 24 дюймів, з класами тиску від Клас ANSI 150 до класу 2500.
• Технічне обслуговування: Диск і сидіння відносно легко доступні для заміни, що робить прохідні клапани популярними на електростанціях, де часто зустрічається ерозія сідла.

3. Що таке засувка?

A засувка це запірний клапан із лінійним рухом, призначений для забезпечення включення/вимкнення контролю потоку рідини.

На відміну від запірних клапанів, які оптимізовані для дроселювання, призначені засувки повністю відкритий або повністю закритий.

Їх визначальною ознакою є плоскі або клиноподібні ворота (диск) який рухається перпендикулярно до шляху потоку, щоб зупинити рідину.

Шиберні засувки широко використовуються в нафта & газові трубопроводи, комунальне водопостачання, електростанції, і загальна переробна промисловість де необхідний повний потік і мінімальний перепад тиску.

Принцип роботи

Засувка працює, піднімаючи або опускаючи a клин або паралельний диск між двома кільцями сидіння:

• При обертанні штурвала або приводу, шток переміщує ворота вгору, повністю виводячи його з потоку.
  У повністю відкритому положенні, стовбур вільний, пропускання потоку з незначним опором.
• Коли закрито, ворота вдавлюються в посадочне місце, блокування проходу та забезпечення ізоляції.
• Засувки є не рекомендується для дроселювання, оскільки часткове відкриття піддає ворота та сидіння високошвидкісній рідині, викликають вібрацію, ерозія, і пошкодження ущільнення.

Існує дві основні конструкції дисків:

• Паралельний диск клапани воріт (плоскі ворота між паралельними сидіннями).
• Засувки клинові (твердий або гнучкий клин, що забезпечує кращу герметичність сидіння та стійкість до перекосів).

Основні особливості

• Мінімальний опір потоку: У повністю відкритому положенні, прямий отвір забезпечує перепад тиску, близький до нуля (коефіцієнт потоку Cv значно вищий, ніж у запірних клапанів такого ж розміру).
• Двостороння служба: Засувки, як правило, можуть герметизувати проти тиску з будь-якого напрямку, що робить їх придатними для ізоляції в складних трубопроводах.
• Діапазон розмірів & Рейтинги: Зазвичай доступний з 2 дюймів до 60 дюймів або більше, з показниками тиску від Клас ANSI 150 до класу 2500, роблячи їх кращим вибором для трубопроводи великого діаметру.
• Повільна робота: Для повного відкриття або закриття засувок потрібно кілька обертів штока, що робить їх менш придатними там, де потрібна швидка робота.
• Ефективність ущільнення: Зазвичай призначений для зустрічі API 598 критерії витоку, але зазвичай недоступні в класах з щільним закриттям (Пухирчасті клапани класу VI з м’якими сідлами, як кульові або кульові крани).
• Технічне обслуговування: Заміна сідла та клина може бути складною через великий розмір корпусу, у разі неправильного використання для дроселювання може виникнути ерозія або задирання.

4. Дизайн & Внутрішня геометрія прохідного клапана проти засувки

Найбільш принципова відмінність між Глобусна клапани і клапани воріт полягає в їхньому внутрішній шлях потоку та дизайн диска, що безпосередньо впливає на падіння тиску, пломбування, і експлуатаційна придатність.

Конструкція прохідного клапана & Геометрія

• Шлях потоку: У запірному клапані, рідина повинна змінити напрямок — спочатку вниз через сідло, а потім знову вгору, що призводить до більш звивистого шляху потоку.
• Форма диска/вилки: Елемент закриття зазвичай є a штепсель, диск, або конус що тисне на кільце сідла перпендикулярно потоку.
• Орієнтація сидіння: Сидіння розставляються горизонтально, створення прохідних клапанів, які добре підходять для дроселювання та частої роботи.
• Рух стебла: Стебло рухається лінійно, з відносно коротким ходом порівняно з засувками (приблизно 25–30% розміру отвору).
• Структурні наслідки: Компактна проточна камера створює більшу втрату тиску, але дозволяє точніше контролювати потік.

Конструкція засувки & Геометрія

• Шлях потоку: Прохід потоку в засувці є наскрізний. Коли повністю відкрито, ворота повністю поза потоком, забезпечуючи майже нульовий перепад тиску.
• Форма диска/клина: Закриваючим елементом є a клинові або плитні ворота що опускається між двома вертикальними сидіннями.
• Орієнтація сидіння: Сидіння є вертикальні і паралельні до шляху потоку.
• Рух стебла: Хід штока великий — дорівнює повному отвору клапана (100% розміру отвору)— уповільнення роботи, але забезпечення повного безперешкодного потоку.
• Структурні наслідки: Потрібні високе хомут і кришка через довгий хід ніжки; компактність приноситься в жертву низькому опору потоку.

5. Характеристики потоку & Гідравлічна продуктивність

З динаміка потоку клапана визначити, наскільки ефективно він може регулювати, дросель, або ізолювати технологічні рідини.

Внутрішня геометрія прохідних і шиберних клапанів створює відмінну гідравлічну поведінку.

Характеристики потоку прохідного клапана

• Лінійний / Рівновідсотковий контроль потоку: Прохідні клапани забезпечують майже лінійне або рівновідсоткове співвідношення між ходом штока та витратою, що робить їх добре придатними для служба модуляції та дроселювання.
• Падіння тиску: Через різку зміну напрямку потоку через сидіння, прохідні клапани створюють відносно високі втрати тиску.

• • 6-дюймовий клас 300 прохідний клапан може демонструвати a падіння тиску 2,5–3,5 psi at 100 GPM, порівняно з менш ніж 1 psi для засувки такого ж розміру.

• Cv (Коефіцієнт потоку): Менший Cv на розмір клапана (≈30–60% засувки) — обмеження максимального потоку, але підвищення точності в умовах часткового відкриття.

Характеристики потоку засувки

• Поведінка увімкнення–вимкнення: Засувки призначені для ізоляції, а не для дроселювання. Клиновий затвор забезпечує майже безперешкодний потік, коли він повністю відкритий.
• Мінімальний перепад тиску: З прямим отвором, гідравлічний опір майже еквівалентний шматку труби такого ж розміру.

• • Наприклад, повністю відкритий 6-дюймовий засув зазвичай має a падіння тиску <0.5 psi в 100 GPM.

• Погана придатність дроселювання: Робота частково відкритої засувки призводить до турбулентності, кавітація, та ерозія сідла/воріт.
• Значення Cv: Дуже високі значення Cv (≈90–100% від номінального розміру труби) роблять засувки ідеальними для систем, що вимагають мінімального обмеження потоку.

6. Ефективність ущільнення & Класи витоку

Здатність клапана підтримувати a щільне ущільнення має вирішальне значення для безпеки процесу, якість продукції, і ефективність.

Прохідний клапан проти засувки досягає ущільнення різними способами, що впливає на ефективність витоків і придатність для конкретних послуг.

Ущільнення прохідного клапана

• Контакт сидіння з диском:
  Запірні клапани використовують a притискання диска до кільця сидіння. Оскільки площа контакту невелика, а сила ущільнення зосереджена, запірні клапани можуть досягти якісне відключення.
• Класи витоку:

• • Здатний до зустрічі ANSI/FCI 70-2 IV або V клас (промисловий герметичний запір).
  • З м'якими посадочними або еластомерними вставками, деякі прохідні клапани можуть досягти Клас VI (герметичний запір).

• Двонаправлене ущільнення:
  Більшість конструкцій односпрямовані (оптимізовано для тиску на нижній стороні), але деякі конструкції з подвійним розташуванням сідла підтримують двонаправлене ущільнення.
• Дросель & Носити:
  Оскільки запірні клапани часто використовуються в послуга дроселювання, знос сидіння з часом може призвести до збільшення витоку.
  Тверді наплавлені матеріали, такі як стелліт або покриття з карбіду вольфраму, часто застосовуються для підвищення довговічності.

Ущільнення засувки

• Контакт клинового затвора:
  Ущільнення відбувається між ворота (клин/диск) і кільця сидіння. Щільне закриття залежить від правильного вирівнювання клина та посадкової сили.
• Класи витоку:

• • Зазвичай досягнення III або IV клас відключення у версіях з металевим сідлом.
  • Засувки з м’якими посадочними або пружними клиновими шиберами можуть досягати V або VI клас, але вони менш поширені в службах високого тиску.

• Двонаправлена ​​здатність:
  Більшість засувок є природними двонаправлений, здатний перешкоджати потоку в будь-якому напрямку.
• Обмеження:
  У частково відкритих позиціях, потік потрапляє безпосередньо на ущільнювальні поверхні, що призводить до ерозії та протікання сидіння з часом. З цієї причини, засувки непридатні для дроселювання.

Наслідки застосування

• Прохідні клапани надають перевагу де герметичність і модуляція потоку є важливими, наприклад пароізоляція, контроль конденсату, і системи хімічного живлення.
• Засувки надають перевагу в послуга ізоляції, особливо в трубопроводах, розподіл води, і масло & транспортування газу, де двонаправлене відключення з мінімальними витоками є достатнім.

7. Швидкість роботи, Приведення в дію & Автоматизація

8. Можливість тиску і температури & Матеріальні міркування

Необхідно враховувати вибір клапана робочий тиск, температура, і сумісність матеріалів, оскільки ці фактори безпосередньо впливають на безпеку, міцність, і службове життя.

Прохідні та засувки відрізняються конструктивними допусками та поведінкою матеріалу при екстремальних значеннях P–T.

Тиск & Температурні показники

Матеріальні міркування

• Глобусна клапан:

• • Вибір матеріалу залежить від корозія, ерозія, і носійне опір, особливо для дроселювання або високошвидкісного потоку.
  • Поширені сплави: Вуглецева сталь, нержавіюча сталь (304/316/316Л), дуплекс, нікелеві сплави (Хастеллой, Монель) для агресивних хімікатів.
  • Пломби & Сидіння: Сидіння метал-метал або м'які (PTFE, графіт, еластомери) для обробки широких діапазонів P–T.

• Клапан воріт:

• • Призначений в першу чергу для повнопрохідний, низький опір потоку.
  • Матеріали: Вуглецева сталь, нержавіюча сталь, бронза, сплави сталей.
  • Сидіння: Металеві сидіння домінують над високим тиском, високотемпературні послуги; м'які сидіння, що використовуються для низького тиску, щільне вимкнення.

9. Міцність & Технічне обслуговування

• Прохідні клапани: Через дроселювання відбувається зношення на інтерфейсі сідло/диск, і знос сальника на штоку. Легше підтримувати трим без зняття корпусу клапана.
• Засувки шиберні: Вразливий до заклинювання від твердих частинок, ерозія сидіння при дроселі, і корозія штока. Технічне обслуговування може вимагати розбирання капота, а іноді й зняття корпусу.

Термін служби

• Глобусна клапан: 10– 20 років середньої служби, коротше в ерозійних/дроселювальних застосуваннях без обслуговування.
• Клапан воріт: 15– 25 років ізолятора, але термін служби різко скорочується при частковому відкритті або в умовах високої швидкості рідини.

10. Типове промислове застосування прохідного клапана проти засувки

Вибір між засувками та засувками залежить від вимоги до контролю потоку, тиск, температура, і робоча частота.

Застосування прохідних клапанів

Прохідні клапани перевершують регулювання потоку, дросель, і часта експлуатація.

Їхня конструкція дозволяє точно контролювати потік рідини та перепад тиску, що робить їх придатними для систем, де потрібна модуляція.

Ключові програми:

• Системи керування парою: Точне регулювання потоку та тиску в системах живлення котла та опалення.
• Хімічні та нафтохімічні заводи: Точне дозування, дроселювання корозійних або високотемпературних рідин.
• ОВК та централізоване опалення: Модулювальні клапани для регулювання температури та тиску у великих мережах трубопроводів.
• Водоочисні споруди: Контроль потоку для фільтрації, хімічна ін'єкція, і застосування дозування.
• Енергетика та електростанції: Регулювання живильної води, потік охолоджуючої води, і турбінних байпасних систем.

Засувки

Засувки в основному використовуються для включення/вимикання ізоляції з мінімальним падінням тиску при повному відкритті.

Вони підходять для трубопроводів великого діаметру та застосувань, де не потрібна модуляція потоку.

Ключові програми:

• Нафта & Газопроводи: Ізоляція магістралі, насосні станції, і сирий транспорт.
• Розподіл води & Стічна вода: Запірна арматура для мереж і очисних споруд великого діаметра.
• Генерація живлення: Ізоляція охолоджуючої води, парові колектори, і паливопроводи.
• Промислові технологічні лінії: Бездроселювальна ізоляція хімічних речовин, стиснене повітря, або газопроводи.
• Морський & Суднобудування: Системи ізоляції баластної води та палива.

11. Порівняльна підсумкова таблиця – прохідний клапан проти засувки

12. Висновок

Обидва Глобусна клапани проти клапани воріт незамінні в промислових системах трубопроводів, але їхні ролі істотно відрізняються.

Прохідні клапани є ідеальним рішенням для точного регулювання потоку та надійного відключення при високому тиску, високотемпературний, і критичні для процесу середовища.

Засувки шиберні, навпаки, є більш економічними та енергоефективними для ізоляції великого діаметру, де важливий мінімальний перепад тиску.

Правильний вибір залежить від того, чи має програма пріоритет контроль точності або ефективність потоку.

Інженери та проектувальники заводів повинні зважити витрати протягом життєвого циклу, потреб процесу, і умови експлуатації для забезпечення оптимальної продуктивності та надійності.

 

Поширені запитання

Чи можна використовувати засувку для дроселювання?

Ні — частково відкриті засувки створюють турбулентність і кавітацію, скорочення терміну служби на 70% і спричиняє нестабільність потоку (±20–30% відхилення).

Нафтопереробний завод, який використовує засувки для дроселювання, мав у 3 рази більше несправностей сідла, ніж заводи, які використовують засувки.

Яка максимальна температура для прохідного клапана з м’яким сидінням?

М'яке сидіння (PTFE) прохідні клапани обмежені ≤260°C. Для більш високих температур (260–650°C), використовуйте прохідні клапани з металевим сидінням із Stellite 6 обрізати.

Вище 650°C, кращі засувки з металевим сидінням (PTFE деградує, і падіння тиску на запірних клапанах стає неефективним).

Яка арматура вигідніша для нафтопроводу?

Засувки — їхня 10-річна TCO ($29,000 для 12-дюймових) є 28% нижче, ніж запірні клапани ($40,000).

Низький перепад тиску засувок рятує $120,000 щорічно у витратах на енергію насоса, компенсація вищих початкових витрат на простої.

Засувки підходять для корозійних рідин, таких як морська вода?

Так, використовуйте дуплекс 2205 або засувки 316L з ущільненнями метал-метал.

Морська платформа з використанням дуплексу 2205 засувки мають 10-річний термін служби в морській воді, без корозії (швидкість корозії <0.001 мм/рік). Уникайте засувок з м’яким сидінням (тюлені розкладаються в солоній воді).