Типы клапанов, используемых в нефтегазовой промышленности

Клапаны - это механические устройства, используемые в трубопроводах для контроля, регулирования и открытия / закрытия потока и давления жидкости. Кованые клапаны используются для трубопроводов малого диаметра или трубопроводов высокого давления, литые клапаны для трубопроводов выше 2 дюймов.

Что такое клапан?

Различные типы клапанов, используемых в нефтехимической промышленности, подходят для любого из следующих применений:

• Запуск / остановка потока жидкости (углеводородов, нефти и газа, пара, воды, кислот) по трубопроводу (например: задвижка, шаровой клапан, задвижка “бабочка”, шиберно-ножевая задвижка или пробковый кран)
• Изменение потока жидкости через трубопровод (пример: шаровой клапан)
• Контроль потока жидкости (регулирующий клапан)
• Изменение направления потока (например, трехходовой шаровой кран)
• Регулирование давления процесса (редукционный клапан)
• Защита трубопроводной системы или устройства (насос, двигатель, бак) от избыточного давления (предохранительный или сброс давления) или противодавления (обратный клапан)
• Фильтрация мусора, протекающего по трубопроводу, для защиты оборудования, которое может быть повреждено твердыми деталями (корзинчатый фильтр)
• Применение изолирующих типов клапанов

Тип клапана	Общее применение	Приведение в действие	Примечание
Шаровой клапан	Остановка/регулирование потока жидкости или газа. Применение при паре или конденсате.	Обычно ручной, но возможен: электрический ручной гидравлический пневматический	Обычно используется в крупных системах или при высоком давлении, в связи со стоимостью. Менее пригодны для вязких и загрязненных жидкостей.
Поршневой клапан	Обычно используется полностью открытым или закрытым для вкл/выкл регулирования воды, масла, газа, пара и других жидкостей. Обычно используется для жидкостей, которые вызывают износ.	Обычно ручной, но возможен: электрический ручной гидравлический	Обычно используется там где корпус задвижки устанавливается стационарно и ремонт и обслуживание сводится к минимуму.
Запорный клапан	Обычно используется полностью открытым или закрытым для вкл/выкл регулирования воды, масла, газа, пара и других жидкостей	Обычно ручной, но возможен: электрический ручной гидравлический пневматический	Не рекомендуется в качестве регулирующего вентиля. Сплошной клиновый затвор не болтается и не заедает. Задвижка с затвором из двух параллельных дисков используется в паровых системах.
Клапан "бабочка"	Остановка/регулирование потока в больших системах водоснабжения, обрабатывающая промышленность, HPI (высокой мощности), выработка электроэнергии	штурвал электродвигатель пневматический привод исполнительный гидромеханизм пневматический двигатель	Относительно простая конструкция. Может производится в очень большом размере. Внецентренная конструкция необходима для паровых систем. Обычно используется в жидкостных системах
Шаровой клапан	Широкий спектр применения всех размеров, включая HPI (высокой мощности). Применение при паре и конденсате.	штурвал электродвигатель пневматический привод исполнительный гидромеханизм	Может быть использован со всеми типами жидкости. Ограничено максимальное давление.

Клапан изготавливается путем сборки нескольких механических частей, ключевыми из которых являются корпус (внешняя оболочка), трим (комбинация сменных смачиваемых частей), шток, стакан и механизм действия (ручной рычаг, шестерня или привод).

Клапаны с небольшими размерами отверстий (обычно 2 дюйма) или требующие высокой устойчивости к давлению и температуре изготавливаются из кованых стальных корпусов; клапаны коммерческого использования диаметром более 2 дюймов выполнены из литого материала.

Рынок арматуры стоит около 40 млрд. долл. США в год в 2018 году, а основные производители находятся в США, Европе (Италия, Германия, Франция и Испания), Японии и Китае.

Типы клапанов

Клапаны, используемые в нефтегазовой промышленности и для трубопроводов, можно классифицировать несколькими способами:

Клапаны по типу диска

• линейные колебания: затвор, корпус, мемрана, металлический стержень и запорный вентиль
• вращение: бабочка, шаровой, проходной, эксцентриковый, поворотный обратный клапан
• четверть оборота: устройства, которые требуют движения примерно на четверть оборота, от 0 до 90° для перемещения стержня из полностью закрытого положения в полностью открытое или наоборот.

Типы нефтегазовых клапанов	Клапаны линейного движения	Клапаны поворотного движения	Четвертьоборотные клапаны
Выпускной клапан	х
Шаровой клапан	х
Редукционный (обратный) клапан		х
Обратный клапан подъёмного типа	х
Обратный клапан с наклонным седлом		х
Обратный стопорный клапан	х	х
Шаровая задвижка		х	х
Шланговый пережимной клапан	х
Клапан-бабочка		х	х
Конический клапан		х	х
Мембранный вентиль	х
Предохранительный клапан	х

Клапаны по материалу корпуса

• литой (корпус является отливкой из стали)
• кованый (корпус изготовлен из кованой стали)

Разница между стальным литьем и ковкой объясняется в этой статье.

Клапаны по типу приведения в действие

• ручной: клапан управляется вручную через рычаги, колеса и / или шестерни;
• приводимый в действие: клапан приводится в действие с помощью электромеханических устройств, называемых исполнительными механизмами, которые могут быть электрическими, пневматическими, гидравлическими и газ с маслом.

Клапаны по конструктивному исполнению

• выпускной клапан: это универсальный, экономичный клапан для регулирования или открытия / закрытия потока жидкости. Выпускные клапаны доступны в концентрической или эксцентричной конструкции (двойной / тройной), имеют компактную форму и становятся все более и более конкурентоспособными по сравнению с шаровыми клапанами благодаря их более простой конструкции и стоимости.
• шаровой клапан: этот тип клапана используется для регулирования потока жидкости. Шаровые клапаны также могут перекрывать поток, но для этой функции предпочтительны задвижки. Шаровой клапан создает падение давления в трубопроводе, поскольку жидкость должна проходить через нелинейный проход.
• обратный клапан: этот тип клапана используется для предотвращения обратного потока в трубопроводной системе или трубопроводе, который может повредить устройство ниже по потоку, например, насосы, компрессоры и т. д. Когда жидкость имеет достаточное давление, она открывает клапан; когда он возвращается (обратный поток) при расчетном давлении, он закрывает клапан, предотвращая нежелательные потоки.
• шаровая задвижка: шаровая задвижка - это четвертьоборотный клапан, используемый для отключения. Задвижка открывает и закрывает поток жидкости через встроенный шар, который вращается внутри корпуса. Шаровые задвижки являются промышленным стандартом для двухпозиционных применений, они легче и компактнее, чем клапаны, которые служат для аналогичных целей. Две основные конструкции - плавающая и цапфа (боковой или верхний вход)
• клапан-бабочка: это универсальный, экономичный клапан для регулирования или открытия / закрытия потока жидкости. Клапаны доступны в концентрической или эксцентричной конструкции (двойной / тройной), имеют компактную форму и становятся все более и более конкурентоспособными по сравнению с шаровыми клапанами благодаря их более простой конструкции и стоимости.
• пережимной клапан: это тип клапана с линейным перемещением, который можно использовать длярегулирования и отключения в трубопроводах, работающих с твердыми материалами, жидкими растворами и плотными жидкостями. Пережимной клапан оснащен пережимной трубкой для регулирования потока.
• пробковый клапан: пробковый клапан классифицируется как четвертьоборотный клапан для запорных применений. Первые пробковые клапаны были введены римлянами для управления водопроводами.
• предохранительный клапан: предохранительный клапан используется для защиты трубопроводной системы от опасного избыточного давления, которое может угрожать жизни людей или имуществу. По сути, предохранительный клапан сбрасывает давление при превышении заданного значения.
• регулирующий клапан: это клапаны для автоматизации сложных нефтехимических процессов.
• Y-образный сетчатый фильтр: не являясь должным образом клапаном, сетчатые фильтры Y выполняют важную функцию фильтрации мусора и защищают расположенное ниже оборудование, которое может быть повреждено.

Размеры клапана

Чтобы убедиться, что клапаны разных производителей взаимозаменяемы, размеры "от поверхности до поверхности" (то есть расстояние в мм или дюймах между входом и выходом клапана) основных типов клапанов были стандартизированы спецификацией ASME B16.10.

ASME B16.34: Соответствие клапана

Стандарт ASME для клапанов B16.34 является общепринятым стандартом для проектирования, изготовления и испытания клапанов, используемых в нефтегазовой промышленности. ASME B16.34 также упоминается в более общей спецификации ASME ASME B31.1, «Проектирование силовых трубопроводов».

Еще в 1988 году сфера применения этого стандарта была изменена и теперь включает клапаны с резьбой и со стороны сварки, а также клапаны с фланцами.

Клапан соответствует ASME B16.34 при соблюдении следующих условий:

• Материалы корпуса клапанов соответствуют стандартам ASME и ASTM по химическому составу и прочности.
• Материалы корпуса подвергаются термообработке для обеспечения надлежащей структуры зерна, коррозионной стойкости и твердости.
• Толщина стенок корпуса и других компонентов, содержащих давление, соответствует минимальным значениям, указанным в ASME B16.34 для каждого класса давления.
• Концевые соединения NPT и SW соответствуют ASME B1.20.1 или ASME B16.11.
• Стержни внутренне нагружены и устойчивы к выбросам.
• Все болты будут соответствовать классу ASTM с максимальным приложенным напряжением, контролируемым B16.34.
• Каждый клапан подвергается испытаниям в корпусе при 1,5-кратном номинальном давлении в течение определенного времени испытаний.
• Каждый клапан проверяется на герметичность седла в обоих направлениях в течение определенного периода времени.
• Каждый клапан помечается материалами конструкции, эксплуатационными пределами и названием производителя.

Регулирующий клапан

Регулирующий клапан используется в нефтегазовой промышленности для регулирования скорости потока жидкости в трубопроводе или процессе (и связанных с ним параметров процесса, таких как давление, температура и уровень) в соответствии с сигналами, управляемыми контроллером. Роль клапана управления потоком в сложном нефтехимическом процессе является ключевой, поскольку многочисленные петли, участвующие в процессе, должны находиться под строгим и динамичным контролем, чтобы гарантировать, что процесс в целом работает, как задумано, и дает желаемый результат. с точки зрения количества, качества и времени.

Применение клапанов регулирования потока увеличивается в последние годы, из-за растущей автоматизации процессов в большинстве отраслей.

Клапаны такого типа используются в ирригационных системах, водоочистных сооружениях, нефтегазовых установках, в производстве электроэнергии, противопожарных системах, в пищевой промышленности за счет оптимизации реакции на изменения в процессах и обеспечения большей безопасности персонала и оборудования.

Клапан управления потоком, используемый в нефтегазовой промышленности, может иметь форму бабочки или шара, и доступен в нескольких марках и ​​размерах материала. Наиболее часто используемый тип привода - пневматический, так как он требует меньше вспомогательного оборудования (например, кабелей, распределительных устройств) по сравнению с другими типами приводов.

Открытие и закрытие клапана и его регулирование осуществляются с помощью комбинированного воздействия электронного контроллера, позиционера и исполнительного механизма клапана (который может быть электрическим, пневматическим или гидравлическим).

Привод открывает и закрывает регулирующий клапан в ответ на изменения основных параметров процесса, таких как изменения давления, уровня, температуры и расхода.

Посредством такого действия параметры процесса поддерживаются в требуемом целевом диапазоне, чтобы гарантировать, что процесс в целом работает как задумано и производит конечный продукт в желаемом количестве и качестве.

Компоненты клапана для управления потоком 

Основными компонентами регулирующего клапана являются:

• корпус клапана: где находится и работает модулирующий элемент
• позиционер: элемент управления степенью открытия клапана, установленный на корпусе клапана
• привод: это устройство, которое используется для перемещения модулирующего элемента клапана, например, шарика (шаровые краны), диска (клапан-бабочка) или штока (шаровые краны)
• контроллер

Приводы клапана для управления потоком 

Выбор приводов основан на требуемой тяге штока и перемещении клапана.

Инженеры должны определить, является ли схема или поршневой привод наиболее подходящим типом. Приводы являются основным источником энергии, используемым для перемещения и позиционирования элемента управления потоком внутри корпуса клапана.

Доступны различные типы, в том числе пневматические, электрические, гидравлические, электрогидравлические и ручные. Пневматические приводы наиболее широко используются для дросселирования.

Считается стандартом автоматического управления для более чем столетия, доступны три типа пневматических приводов: поршневые, пружинно-диафрагменные и поворотные лопасти. Первые два могут быть адаптированы для использования на поворотных или скользящих клапанах; последний используется только на поворотных клапанах.

Комплектующее оборудование клапана для управления потоком

Обычно выбор комплектующих, таких как датчики позиционирования, усилители, электромагнитные клапаны, концевые выключатели, маховики и ограничители хода, демпферы, регуляторы, линии электропередачи, основывается на технических характеристиках.

Стоимость является основным фактором при выборе материала.

Не только стоимость материала в долларах за фунт, но также стоимость изготовления и проверки способствуют неустановленной стоимости клапана. Установленная стоимость включает в себя не только стоимость установки, но также стоимость любого ущерба от неправильной установки и расходы на осмотр.

Последний состоит из таких вещей, как анализ химического состава материалов, рентгенографический и поверхностный контроль отливок и сварных швов, и проверка того, что установленный клапан является правильным и правильно ориентирован.

Выбор подходящего или оптимального типа регулирующего клапана зависит от конкретного исследования системы труб и условий ее жидкости, но размер регулирующего клапана должен быть таким, чтобы через него падало давление, а не падение давления в трубе. это тот, который контролирует поток.

Все клапаны, включая клапаны управления паром, спроектированы с учетом допустимого стандарта внутренней утечки (FCI / ANSI). Чем выше число утечек, тем ниже допустимая скорость внутренней утечки.

Клапан класса I будет иметь самую высокую внутреннюю утечку и обычно самую низкую стоимость; В то время как у клапана Класса VI будет самая низкая допустимая внутренняя скорость утечки. Паровые клапаны должны иметь утечку не ниже класса IV. Клапан управления паром класса IV будет поддерживать длительный срок службы.

Типы клапанов для управления потоком

Регулирующие клапаны можно разделить на два основных типа в зависимости от движения штока:

Линейное движение / возвратно-поступательное движение: шар (прямой, угловой, 3-ходовой), мембрана и пережимные клапаны

Поворотный шток: шаровые, дроссельные и пробковые клапаны

Регулирующие клапаны могут быть с одним или двумя седлами.

Выбор клапана для управления потоком

Инженеры-технологи должны учитывать множество факторов, чтобы выбрать правильный клапан управления. Общие критерии для отбора приведены ниже:

• Тип контроля; степень контроля; степень отключения.
• Расчетная температура; расчетное давление; допустимое падение давления.
• Коррозионная активность жидкости; свойства эрозии жидкости; другие характеристики, такие как загрязнение или коксование.
• Присущие характеристики, такие как Cv клапана: степень опасности от утечки; сохранение тепла или холода, стоимость.

Поскольку критерии проектирования известны, инженеры-технологи могут приступить к выбору правильного типа регулирующего клапана и соответствующего оборудования, а также материала самого клапана.

Следующим шагом является создание подробной спецификации (обычно составляемой специализированным инженером по трубопроводам) и создание спецификации покупки, описывающей клапан для поставщиков.

Спецификация должна содержать, как минимум: описание типа регулирующего клапана (поворотный, скользящий); размер отверстия и номинальное давление; концевые соединения; тип соединения с корпусом; спецификация материалов для компонентов кузова, отделки, прокладок и болтов; требования к позиционеру и контроллеру; ссылка на стандарт промышленного дизайна для типа клапана.

Как правило, компьютеризированная система помогает инженерам определить наиболее подходящий регулирующий клапан и его характеристики на основе параметров процесса.

Установка клапана для управления потоком

• Всегда расширять трубопровод нагнетательного паропровода как минимум на один диаметр. Нередко расширяют выпускной трубопровод по крайней мере на два или три диаметра трубы. Следует отметить, что расширение трубы снижает скорости на выходе клапана, таким образом продлевая срок службы клапана. Производитель клапана предоставит соответствующий размер трубы после регулирующего клапана. Совместите размер трубы с впускным соединением теплопередачи.
• Расстояние после клапана управления паром должно составлять не менее десяти диаметров трубы перед входным соединением любого теплопередачи. В приложениях для снижения давления перед изменением направления потока необходимо оставить не менее 20 горизонтальных диаметров трубы.
• Регулирующий клапан всегда должен устанавливаться в горизонтальной линии подачи пара, а не в вертикальном положении.
• Более важно правильно выбрать клапан при условиях работы с низким расходом, чем при предполагаемых условиях работы с высоким расходом.
• Обходные клапаны должны использоваться в установке регулирующего клапана. Перепускной клапан используется для того, чтобы персонал промышленного предприятия мог управлять процессом без регулирующего клапана, если неисправность клапана или техническое обслуживание являются реактивными, предупреждающими и прогнозирующими.
• Установка манометров до и после клапана контроля пара позволяет проводить диагностику линии в режиме реального времени. Важность правильной установки невозможно переоценить. Во многих случаях источник проблемного запуска может быть прослежен до регулирующего клапана, который не установлен должным образом. Настоятельно рекомендуется использовать персонал, имеющий опыт работы с контрольно-измерительными приборами, по крайней мере, для контроля за установкой и настройкой регулирующих клапанов.

Как заказать клапан

Производители клапанов, используемых в нефтяной и газовой промышленности, должны знать следующую информацию, чтобы обеспечить правильное устройство:

• Тип клапана
• Размер отверстия в NPS или DN
• Номинальное давление клапана (диапазон классов от 150 до 4500 #)
• Спецификация (пример API 6D, API 600, API 602 и т. д.)
• Материалы корпуса и отделки (как минимум)
• Требуемое торцевое соединение (фланцевое, резьбовое, встык, муфтовое и др.)
• Жидкость в трубопроводе (нефть, газ, вода, пар, твердые вещества)
• Рабочая температура и давление
• Количество
• Срок поставки
• Ограничения происхождения (разрешено или нет китайское и индийское происхождение)

Пример как заказать газовые задвижки, шаровые клапаны и обратные клапаны:

GS – F – 6″ / 150 – 316 – B

  1     2     3         4        5

Тип клапана	Концевые соединения	Размер/класс	Материал корпуса	Дополнительное оборудование
C: Обратный клапан CL: подъемный обратный клапан CS: герметический клапан проверяющий давление CW: обратный клапан G: Задвижка GG: кованые задвижки GL: Задвижка легкого типа (API 603) GS: Задвижка запорная герметичная O: Шаровой клапан OB: Шаровый гофрированный герметичный клапан ОС: Шаровый герметизированный клапан Y: Y-фильтр	F: фланцевый конец T: резьбовой конец W: сварка встык S: сварное соединение враструб	Размер: NPS 1/2 - 80 ″ Стандарт ANSI: 150: 150 LB класс 300: 300 LB класс 600: 600 LB класс 1500: 1500 LB класс Стандарт DIN: PN16 PN25 PN40 Стандарт JIS: 10K: JIS 10K 20K: JIS 20K	GG: кованые задвижки 316: литая нержавеющая сталь CF8M 304: литая нержавеющая сталь CF8 F316: Кованая нержавеющая сталь F316 F304: Кованая нержавеющая сталь F304 WCB: Стальной WCB LCB: Сталь LCB HB: Хастеллой Б IN: Инконель	B: обводная труба G: ручной редукторный привод управления запорной арматурой D: дренажный канал