Utviklingen av den altomfattende-kuleventilen

Den kompakte designen, enkelheten i bruk, enkel reparasjon og brede ytelsesevne har bidratt til å gjøre kuleventilen til en dominerende design i moderne industrielle applikasjoner.

Oppfinnelsen av kuleventilen har vist seg å være en revolusjonerende utvikling for ventilindustrien, og leverer en rekke unike løsninger som oppfyller moderne strømningskontrollkrav. Men den vellykkede søknaden var ikke umiddelbart tydelig.

Tidlig i kuleventilens levetid ble dens nåværende eiendeler og verdier ikke realisert. Mangelen på maskineringsteknologi for å lage en virkelig rund ball eksisterte ikke. Og datidens tetningsmaterialer, knyttet til bruken av naturgummi, var svært begrenset og hindret kuleventilen i å bli brukt til noen betydelig industriell bruk.

Under andre verdenskrig og inn på 1950-tallet, tillot maskineringsteknologi utviklet for krigsinnsatsen at de iboende fordelene med kuleventilen ble introdusert i militær bruk. Utviklingen av syntetiske materialer som polytetrafluoretylen (PTFE), ofte kjent under merkenavnet Teflon, banet vei for industriapplikasjoner.

I dag brukes kuleventilen i et bredt spekter av applikasjoner for strømningskontroll av væsker, gasser og til og med faste stoffer. Disse applikasjonene er i temperaturer som varierer fra -450 grader F (-267 grader) til mer enn 1600 grader F (871 grader). Trykkene kan variere fra fullt vakuum til over 20 000 psi.

Kuleventildesign

Hovedkomponentene i kuleventilen er kroppen, kulen, setene og stammen. Disse komponentene kan lages av en rekke materialer. Kuleventiler tilbys i en rekke endeforbindelser, inkludert flens, gjenget, sveiseende og wafer, samt spesialiserte endeforbindelser.

Grunnleggende

Kuleventildesign faller inn under kvarts-svingkategorien av ventiler, inkludert plugg- og spjeldventiler. Denne kvarts-omdreiningskategorien betyr at ventilstammen dreies 90 grader for drift.

De vanligste av disse designene er den flytende designen og den -monterte designen. De er typisk toveis- i forseglingen og kan orienteres i hvilken som helst posisjon eller retning for åpning og lukking.

Noen av de grunnleggende fordelene disse kuleventilene har fremfor andre design inkluderer:

full port for høy-flyteffektivitet

lavere dreiemoment

bredere trykk- og temperaturområde

høy sykluskapasitet

overlegne stammeforseglinger

brannsikkert-

lavere kostnad for å automatisere.

Den flytende kuledesignen komprimerer i utgangspunktet ballen mellom myke seter når ventilen er montert. Dette tvinger setematerialet til kald-flyt inn i porene på ballen, og skaper et vakuum og lav-forsegling. I lukket stilling tvinger linjetrykk ballen inn i nedstrømssetet. Dette sørger for en tett avstengning over trykk- og temperaturdesignet til setet.

Den flytende designen er mest vanlig i et størrelsesområde fra 1/4 til 12 tommer, selv om noen produsenter tilbyr størrelser opp til 18 tommer. Størrelsen på flytende kuleventil er begrenset av størrelsen og vekten på kulen, og av momentet som kreves for å rotere den når størrelsen øker.

Trunnion-monterte design fungerer akkurat det motsatte av den flytende designen. I tappdesignen kan ikke ballen flyte, men er stivt plassert ved stammen på toppen og en aksel eller tapp, ved å bruke lagre på bunnen. Setene komprimeres mot kulen ved hjelp av en fjær eller fjærer for å utvikle den første lavtrykkstetningen.

Trunnion-ventilseter er designet med tetninger som skal prosess-aktiveres, med økende trykk som tvinger oppstrømssetet hardere inn i ballen. Dette sørger for en tett avstengning over trykk- og temperaturdesignet til setet.

Trunnion-design tar vanligvis over der bruken av flytende balldesign slutter og kan finnes i størrelsesområdet 3-72 tommer. Fordelen med denne ventildesignen blir tydelig når ventilstørrelsen vokser.

Vekten av kulen og driftsmomentet er ikke faktorer, da setene i en tappventil ikke støtter kulen. Dette betyr at ventilsetene kan spesialisere seg på å forsegle kulen, og tillater mye større ventiler med mindre aktivering enn det som kan lages i noen type flytende design.

Kropp

Kuleventilhuset kan støpes, smides eller maskineres av omtrent alle tenkelige metaller. Dette på grunn av kuleventilens enkle og kompakte design. Gjeldende metaller inkluderer:

Ikke-jernholdig, som messing, bronse og aluminium

Jernholdige-baserte metaller, inkludert jern, karbonstål og rustfritt stål

Nikkel-baserte metaller, som inkluderer Hastelloy, Inconel og nikkel

Reaktive metaller, inkludert titan, tantal og zirkonium.

Kuleventiler er også laget i en rekke plaster og polymerer, inkludert PVC, polyetylen og polypropylen. Kuleventiler kan også være foret med polymerer og plast, og kan være laget av eller foret med keramikk som alumina og zirconia.

Den grunnleggende utformingen av ventilhus i USA oppfyller ASME (American Society of Mechanical Engineers) standard B16.34 retningslinjer. Disse standardene bestemmer veggtykkelser, spenningsnivåer og andre parametere i forbindelse med trykk-temperaturforhold for de fleste jernlegeringer.

B16.10-retningslinjene spesifiserer også akseptable dimensjoner for mange klasser av ventiler, for eksempel industri-spesifikke standarder som API (American Petroleum Institute) standard 6D for rørledningsventiler og API 608, "Metal Ball Valves-Flanged, Threaded, and Welding Ends." Disse spesifikasjonene kontrollerer dimensjonene, materialene og bruksområdene for å sikre at ventildesignet forblir konsistent fra produsent til produsent og er trygt for den tiltenkte bruken.

Kuleventiler i vannverksservice er dekket i AWWA (American Waterworks Association) standard, C507-18, "Ball Valves, 6 in. Through 60 in. (150mm through 1500 mm)."

Mange andre land har nasjonale standarder, og flere organisasjoner fremmer også internasjonale standarder. Ventilprodusenter som ønsker å gå inn på det globale markedet må overholde ISO (International Organization for Standardization), PED (European Commission - Pressure Equipment Directive), CE (PED) og ATEX (Bureau Veritas) standarder, blant de mange andre som finnes, for eksempel i Kina og Russland. Å oppfylle disse standardene har blitt et mandat for handel med EU, så vel som JIS-standarder for Japan og lignende krav andre steder.

Andre vanlige spesifikasjoner for vurdering av kuleventiler inkluderer WOG (vann/olje/gass), CWP (kaldt arbeidstrykk) og WSP (arbeidsdamptrykk). Disse vurderingene er mer begrensede og er vanligvis fastsatt av den enkelte produsenten. Alle disse spesifikasjonene vil etablere en trykk-/temperaturkurve for ventildesignet, som senker trykkklassifiseringen når temperaturen stiger.

Kroppsdesign er delt inn i fire grunnleggende konfigurasjoner:

Tre-sving ut. Kroppen er utformet i tre deler med muligheten til å enkelt svinge den midtre kroppsdelen ut av linjen for reparasjon uten å måtte fjerne hele ventilen. Dette er nyttig når ventiler er gjenget eller sveiset inn i en rørledning.

Avslutt oppføring. Denne designen bruker et-stykke eller unibody-design. Alle de interne komponentene er satt sammen i ventilen gjennom enden, hvor en endeplugg er installert for å holde delene. Denne utformingen eliminerer enhver form for karosseri- eller pansertetning, og eliminerer en potensiell lekkasjebane.

Delt kropp. Denne designen (figur 5), som navnet tilsier, deler kroppen i to halvdeler og muliggjør enkel montering og én mindre kroppsforsegling enn tre-designet.

Denne delte kroppsdesignen er spesielt fordelaktig når ventilstørrelsen er stor, noe som gjør det lettere for montering av store komponenter.

Toppinnlegg. Toppinngangens design bruker en-del kropp som endeinngangen, bortsett fra at toppen av kroppen er eksponert for å sette sammen de indre delene. Et panser blir deretter boltet på toppen av ventilen, noe som gjør denne designen reparerbar i-linje, lik designen i tre-deler. De vanligste designene med toppinngang er unike for kuleventildesign, ettersom kulen og setene flyter og opererer unisont og på en avsmalning i kroppen, i motsetning til de andre designene.

Ballen

Strømningskontrollelementet til kuleventilen er selvfølgelig kulen. Kulen virker mot setet og kan stoppe eller kontrollere strømmen gjennom ventilen. Baller er designet og produsert med strenge toleranser for overflatefinish og sfærøsitet, eller rundhet. Både kulen og setet er avgjørende for jevn drift, redusert dreiemoment og god tetningsytelse, spesielt når metallseter og metall-til-metalltetting er nødvendig. Kuleportkonfigurasjonen kan variere fra en standard rett og gjennomgående-hullstil til en fler-portstil for kuleventiler som tilbyr tre- til fem-veis portdesign. Mens de fleste kuleventildesigner bruker en hel sfærisk kule, er det også design som bruker en halvkule (sektor) og de som bruker kambevegelse for å tvinge ballen inn i setet.

Kulene som brukes i ventiler er maskinert fra mange materialer, inkludert metall, keramikk eller plast. Metallkuler kan forbedres med en rekke belegg eller overflatebehandlinger. Disse brukes for å gi forbedret slitestyrke, korrosjonsmotstand eller høy hardhet for å forhindre gnaging, som er der grunnmetallet ikke holder stand.

Overflateforbedringer kan inkludere polymerer, flammespray, strømløst nikkel, PVD-belegg og diffusjonsprosesser som nitrid og boridpåføring. Disse forbedringene er en viktig årsak til den vellykkede bruken av kuleventiler i det store utvalget av bruksområder de brukes i dag.

Seter

Forbedringen av setedesign og teknologi har gjort det mulig for kuleventilen å utvide seg til et bredt spekter av bruksområder. Disse setene kan gi flere funksjoner, avhengig av ventildesign og setemateriale.

De må gi tett avstengning i tilfelle av elastiske materialer, samt støtte ballen i flytende balldesign, motstå tjenesten og gi god sykluslevetid. Seter kan også inkludere karakteriserte porter for flytkontrollformål.

Myke setedesign blir ofte referert til som "jam"-design som gir full-ansiktskontakt når de er montert, eller som fleksible leppedesigner som har redusert ansiktskontakt for lavere dreiemoment og forbedret sykluslevetid.

Ulike kroppsdesign vil bruke disse eller varianter av den grunnleggende myke setedesignen. Mange produsenters design gir også en form for trykkavlastning i hulrommet, og forhindrer skade på sete og ventil i tilfelle av innestengt hulromstrykk fra mediet som er fanget i en lukket ventil.

Myke setematerialer som brukes i dag inkluderer, men er ikke begrenset til:

Gummi, inkludert neopren og Buna

Fluorpolymerer, inkludert PTFE, TFM, PBI og PFA

UHMWPE (ultra-polyetylen med høy molekylvekt)

PEEK (polyeter eter keton)

Delrin

Nylon

Metallsetedesign brukes i kuleventiler for å håndtere de mest alvorlige bruksområdene, inkludert høyt trykk, høy temperatur, abrasivitet og strømningskontroll.

Det er mange metallsetedesign i bruk, de vanligste av disse inkluderer seter av solid metall, overflateherdet eller belagt, og lappet til en kule som har blitt herdet på samme måte. Dette matcher ballen og seteoverflaten for å påvirke en god tetning.

Andre design inkluderer sintret metall impregnert med grafitt eller PTFE, og til og med noen fleksible design. Fjærende seter må være boble-tette, men de fleste ventiler med metallseter tillates en viss lekkasje per lekkasjespesifikasjonsrater for metall-kuleventiler. De vanligste av disse spesifikasjonene er MSS-SP-61 og API 598. Andre spesifikasjoner som vanligvis brukes på kuleventiler med metallseter inkluderer FCI 70.2 og API-standarder.

De fleste metall-sittende, flytende kuler bruker fjærer og/eller tetninger for å komprimere setene mot ballen, og for å forsegle baksiden av setet for lavt trykk. Kulen flyter mot nedstrømssetet når trykket øker, og gir avstengning over trykket og temperaturdesignen til setet, lik handlingen til den myke-sittende versjonen.

I tappdesign brukes fjærer og ofte flere tetninger for å fange opp linjetrykket, og tvinger setene hardere mot ballen når trykket øker. Noen produsenter maskinerer til og med seteflaten inn i ventilhuset, og eliminerer fjærer og tetninger i én retning. Dette resulterer imidlertid typisk i en enveis ventiloperasjon.

Stengler

Stammen brukes i kuleventilen for å rotere kulen til en åpen eller lukket posisjon, eller til en mellomposisjon for strømningskontroll. Materialer som vurderes for stengler må tåle mer enn bare trykket fra kroppen, ballen eller setene. De må motstå korrosjonen og temperaturen i prosessen samtidig som de beholder nok styrke til å motstå dreiemomentet som påføres dem når ventilen betjenes. Av denne grunn velges vanligvis høyere styrke og korrosjonsbestandige-materialer for stammeproduksjon.

Siden stammen er forbindelsen til kulen, må den passere gjennom kroppen slik at den kan betjenes eksternt. Dette krever at stammen har tetninger for å hindre at media i ventilen slipper ut. Tetningene må forsegle boble-tett, tåle væskekorrosjon og temperatur, og gi god sykluslevetid.

Typiske stammeforseglingsmaterialer inkluderer polymerer som PTFE og PEEK. For høyere temperaturer eller brannsikkerhet brukes typisk grafittstammetetninger. Disse materialene forblir fleksible over brede temperaturområder og er kjemisk motstandsdyktige. I brann-tette ventiler må tetningene overleve en brann uten å lekke.

Roterende kvarts-omdreiningsventildesign som kuleventilen har de beste-stammetetningene. Dette skyldes at stammen beveger seg i en roterende bevegelse i motsetning til en stigende stammebevegelse som finnes i port- og globeventiler. Med dagens miljøhensyn og forskrifter, er ytelsen til stammeforseglingen avgjørende for ventilprodusenter og-sluttbrukere.

Utforminger av stammeforseglinger faller inn i to grunnleggende kategorier: stamme-energiserte forseglinger og kropps-energiserte forseglinger. Disse designene bruker mange forskjellige typer tetninger, med de vanligste er flat ring, chevron, kopp og kjegle og monolittiske elementer.

Stammen energisert.I denne utformingen er det vanligvis flere tetningsringer. Noen av disse er innenfor ventilhusets trykkgrense som blir den primære tetningen, og andre er utenfor trykkgrensen i det som kalles "packing" eller "stuffing"-boksen.

Disse tetningene komprimeres eller aktiveres ved å trekke opp stammen med en stammemutter, som samtidig komprimerer de øvre tetningene med en pakningsfølger. De fleste av disse designene har Belleville-fjærer for å belaste tetningene. Dette gjør spindeltetningsenheten selv-justerende og temperaturkompenserende, noe som gir lengre sykluslevetid før omjustering er nødvendig.

Kroppsenergi.I denne utformingen utføres tetting over trykkgrensen i pakkboksen, igjen ved bruk av enkle eller flere tetningsringer. Noen produsenter kan bruke et trykklager på stammen under trykkgrensen, men det utføres faktisk ingen tetning der.

Disse tetningene lastes ved hjelp av et "åk" eller "glandplate", som komprimerer tetningene i pakkboksen ved hjelp av bolter gjenget inn i kroppen. Designet bruker vanligvis flere Belleville-fjærer på boltene for å "spenne" igjen pakkboksplaten, noe som gjør at stammetningen selv-justeres.

Fordelen med denne utformingen er at stammen er fri til å flyte innenfor tetningene, noe som reduserer dreiemomentet og øker levetiden på stammeforseglingen. Denne utformingen tillater også inkorporering av "flyktige utslipp"-design, som bruker flere sett med forseglinger, og skaper ekstra eller overflødige forseglinger for giftige og høye-applikasjoner.

Søknader

Med de avanserte designene og materialene som tilbys i moderne kuleventiler, brukes de i mange tjenester og bransjer. Suksess i disse applikasjonene avhenger av riktig spesifikasjon av alle disse designene og komponentene som diskutert.

Balldesign er ikke begrenset til av/på-tjeneste. De kan brukes til å avlede, kontrollere eller blande strømmer. Ulike funksjoner kan oppnås ved å ha flere porter for avledning og blanding, eller ved å ha en karakterisert port, for eksempel en V-port, for flytkontroll.

Bruk av kuleventiler med kvarts-omdreining blir mer vanlig i bruksområder for moderat-trykkfall. Dette skyldes prosessfordelene med lavere kostnader, tett avstengning og høy nøyaktighet i kombinasjon med digitale kontroller på elektrisk og pneumatisk aktivering.

Det finnes også spesialkuleventildesign for unike bruksområder. Disse kan inkludere ventiler for kryogen drift, som må håndtere ekstremt lave temperaturer, og ventiler for høy-damp, som må håndtere ekstremt høye temperaturer og trykk.

Andre kuleventilapplikasjoner inkluderer bruk i industrier som farmasøytisk, romfart, kjernekraft, bioteknologi og papirmasse og papir. Bruksområder der de brukes inkluderer syrer og kjemikalier, slam, termiske væsker, damp og kryogener.

Konklusjon

Den kompakte designen, enkelheten i bruk, enkel reparasjon og brede ytelsesevne har bidratt til å gjøre kuleventilen til en dominerende design i moderne industrielle applikasjoner. Og kuleventiler fortsetter å utvikle seg for å møte nye og vanskeligere krav.

Industrisektoren legger stadig større vekt på sikkerhet, miljø, økt effektivitet og kostnadsreduksjon. Dermed vil eiendelene til kuleventilen fortsette å gjøre den til en viktig aktør med mange fremtidige roller.