Типы клапанов, используемых в нефтегазовой промышленности

Клапаны представляют собой устройства, которые используются в трубопроводах для контроля, регулирования и открытия/закрытия потока и давления жидкости. В зависимости от диаметра трубопровода и давления, применяются различные типы клапанов.

Для малых диаметров трубопроводов или высокого давления чаще всего используются кованые клапаны. А для трубопроводов диаметром более 2 дюймов применяются литые клапаны.

В нефтехимической промышленности существует несколько типов клапанов, которые подходят для различных применений:

1. Задвижки, шаровые клапаны, задвижки "бабочки", шиберно-ножевые задвижки или пробковые краны используются для запуска/остановки потока жидкости по трубопроводу. Это может быть поток углеводородов, нефти, газа, пара, воды или кислоты.
2. Шаровые клапаны могут использоваться для изменения потока жидкости через трубопровод.
3. Регулирующие клапаны служат для контроля потока жидкости.
4. Трехходовые шаровые краны позволяют изменять направление потока.
5. Редукционные клапаны используются для регулирования давления процесса.
6. Предохранительные или сбросовые клапаны, а также обратные клапаны, предназначены для защиты трубопроводной системы или устройства (насоса, двигателя, бака) от избыточного давления или противодавления.
7. Для защиты оборудования от повреждений твердыми частицами используются корзинчатые фильтры, которые фильтруют мусор, протекающий по трубопроводу.

Также в промышленности используются изолирующие клапаны, которые играют важную роль в различных процессах.

Комплектующие для изготовления клапана включают в себя корпус, трим, шток, стакан и механизм действия. Корпус является основным элементом, представляющим собой внешнюю оболочку клапана. Для клапанов с небольшими отверстиями (2 дюйма) или тех, которые подвергаются высокому давлению и температуре, корпус изготавливается из кованой стали. В то же время, клапаны большего диаметра (более 2 дюймов), предназначенные для коммерческого использования, изготавливаются из литьевого материала.

Типы клапанов

В нефтегазовой промышленности и для трубопроводов широко применяются различные типы клапанов, которые могут быть классифицированы по нескольким основным критериям.

Одним из критериев классификации является тип диска клапана. Всего можно выделить несколько типов клапанов, отличающихся своей конструкцией и принципом работы.

• К числу клапанов с линейными колебаниями относятся затворные клапаны, где движение осуществляется путем поднятия или опускания затвора, а также клапаны с корпусом, мембраной, металлическим стержнем и запорным вентилем.
• Клапаны с вращательным типом диска включают в себя бабочковые, шаровые, проходные, эксцентриковые и поворотные обратные клапаны.
• Еще одной категорией клапанов являются те, которые требуют движения примерно на четверть оборота для открытия или закрытия, например, устройства с четвертью оборота.

Клапаны также могут быть классифицированы по материалу, из которого изготовлен корпус. Существует два основных типа - литой и кованый. Литые клапаны имеют корпус, который изготавливается путем литья стали, в то время как кованые клапаны имеют корпус, изготовленный из кованой стали.

Также можно классифицировать клапаны по типу приведения в действие. Некоторые клапаны могут быть управляемыми вручную, с помощью рычагов, колес и шестерен, в то время как другие могут быть приводимыми в действие с использованием электромеханических устройств, таких как исполнительные механизмы. Исполнительные механизмы могут быть электрическими, пневматическими, гидравлическими или работать на основе газа и масла.

Клапаны по конструктивному исполнению

Выпускные клапаны – это универсальные и экономичные клапаны, предназначенные для регулирования или закрытия/открытия потока жидкости. Преимуществом выпускных клапанов является их концентрическое или эксцентрическое исполнение (двойной/тройной), что делает их компактными и все более конкурентоспособными по сравнению с шаровыми клапанами благодаря их более простому и доступному варианту.

Шаровые клапаны применяются для контроля потока жидкости. Хотя они также могут закрыть поток, для этой цели предпочтительнее использовать задвижки. Шаровые клапаны создают падение давления в трубопроводе из-за нелинейного прохода, через который должна пройти жидкость.

Обратные клапаны применяются для предотвращения обратного потока в трубопроводной системе или трубе, что может нанести вред устройствам ниже по потоку, таким как насосы, компрессоры и другое оборудование. Когда жидкость достигает достаточного давления, клапан открывается. Когда давление снижается (обратный поток) до заданного значения, клапан закрывается, предотвращая нежелательные потоки.

Шаровые задвижки представляют собой четвертьоборотный клапан, который используется для полного перекрытия потока. Задвижка открывает и закрывает поток жидкости с помощью встроенного шара, который вращается внутри корпуса. Шаровые задвижки являются промышленным стандартом для двухпозиционных применений, а также более легкие и компактные по сравнению с аналогичными клапанами. Существуют две основные конструкции: плавающая и цапфа (боковой или верхний вход).

Клапаны-бабочки – это универсальные и экономичные клапаны, предназначенные для регулирования или закрытия/открытия потока жидкости. Клапаны-бабочки также доступны в концентрическом или эксцентрическом исполнении (двойной/тройной) и из-за их простой конструкции и доступной стоимости становятся все более популярными по сравнению с шаровыми клапанами.

Пережимные клапаны – это тип клапана с линейным перемещением, который может использоваться для регулирования и перекрытия потока в трубопроводах, работающих с твердыми материалами, жидкими растворами и плотными жидкостями. Пережимные клапаны оснащены пережимной трубкой для регулирования потока.

Пробковые клапаны классифицируются как четвертьоборотные клапаны, предназначенные для использования в блокирующих системах. Римляне первыми разработали пробковые клапаны для управления водопроводами.

Предохранительные клапаны используются для защиты трубопроводных систем от опасного избыточного давления, которое может представлять угрозу для жизни людей или имущества. В основном предохранительный клапан выпускает излишнее давление, если оно превышает установленное значение.

Регулирующие клапаны применяются для автоматизации сложных нефтехимических процессов.

Y-образные фильтры с сеткой: хотя сам по себе не является клапаном, Y-образные фильтры с сеткой выполняют важную функцию очистки от мусора и защищают расположенное ниже оборудование от повреждений.

Чтобы обеспечить взаимозаменяемость клапанов от разных производителей, важно, чтобы их размеры "от поверхности до поверхности" были стандартизированы. Это расстояние в миллиметрах или дюймах между входом и выходом клапана. Стандартизацией этих размеров занимается спецификация ASME B16.10. Таким образом, можно быть уверенным, что клапаны разных производителей имеют одинаковые размеры и могут быть использованы взаимозаменяемо. Это облегчает процесс обслуживания и ремонта, а также позволяет использовать клапаны разных производителей в единой системе без необходимости внесения изменений или модификаций. Стандартизация размеров клапанов является важной составляющей в области инженерии и обеспечивает надежность и совместимость различных компонентов системы.

Стандарт B16.34, разработанный ASME, широко используется в нефтегазовой промышленности для проектирования, изготовления и испытания клапанов. Его требования также включены в более общую спецификацию B31.1 ASME, посвященную проектированию силовых трубопроводов.

В 1988 году стандарт B16.34 был расширен, чтобы включить клапаны с резьбовыми и сварными соединениями, а также с фланцевыми присоединениями.

Для того чтобы клапан соответствовал требованиям ASME B16.34, необходимо выполнение следующих условий:

1. Материалы, используемые для изготовления корпуса клапанов, должны отвечать требованиям стандартов ASME и ASTM по химическому составу и прочности.
2. Для обеспечения нужной микроструктуры зерна, стойкости к коррозии и твердости, корпус клапана подвергается термической обработке.
3. Толщина стенок корпуса и других элементов, подвергающихся давлению, должна соответствовать минимальным значениям, указанным в стандарте B16.34 для каждого класса давления.
4. Концевые соединения NPT и SW должны соответствовать требованиям ASME B1.20.1 или ASME B16.11.
5. Внутренние стержни должны быть устойчивыми к выбросам и иметь внутреннюю нагрузку.
6. Болты должны соответствовать классу ASTM с максимальным удельным напряжением, контролируемым по стандарту B16.34.
7. Каждый клапан должен пройти испытания в корпусе под номинальным давлением, увеличенным в 1,5 раза, в течение заданного времени испытаний.
8. Каждый клапан должен быть проверен на герметичность седла в обоих направлениях в течение определенного периода времени.
9. Каждый клапан должен быть маркирован с указанием материалов конструкции, эксплуатационных ограничений и названия производителя.

Регулирующие клапаны

Регулирующие клапаны находят применение в нефтегазовой промышленности для точного управления потоком жидкости в трубопроводах и процессах. Они могут регулировать параметры, такие как давление, температура и уровень, сигналы для которых поступают от контроллера. Клапаны играют ключевую роль в сложных нефтехимических процессах, где множество петель должно находиться под строгим контролем, чтобы обеспечить желаемый результат в плане количества, качества и времени.

В последние годы использование регулирующих клапанов в процессах значительно возросло, оно связано с автоматизацией процессов во многих отраслях. Такие клапаны находят применение в ирригационных системах, водоочистных сооружениях, нефтегазовых установках, в производстве электроэнергии, противопожарных системах и пищевой промышленности. Их использование помогает оптимизировать реакцию на изменения в процессах и обеспечить безопасность персонала и оборудования.

Регулирующий клапан для нефтегазовой промышленности может быть выполнен в форме клапана бабочки или шарового клапана. Он доступен в разных марках и размерах материалов. Наиболее распространенным типом привода является пневматический, так как он требует меньше дополнительного оборудования, например, кабелей и распределительных устройств, по сравнению с другими типами приводов.

Открытие, закрытие и регулирование клапана осуществляется при помощи электронного контроллера, позиционера и исполнительного механизма клапана (который может быть электрическим, пневматическим или гидравлическим). Привод реагирует на изменения основных параметров процесса, таких как давление, уровень, температура и расход, и открывает или закрывает регулирующий клапан.

Компоненты для управления потоком в клапане

Ключевыми элементами в регулирующем клапане являются:

1. Корпус клапана: это место, где находится и функционирует модулирующий элемент.
2. Позиционер: это устройство, которое контролирует степень открытия клапана и устанавливается на корпусе клапана.
3. Привод: это механизм, используемый для перемещения модулирующего элемента клапана, такого как шарик (в случае шаровых кранов), диск (в случае клапана-бабочки) или шток (в случае шаровых кранов).
4. Контроллер

Выбор привода для управления потоком в клапане

Выбор приводов основывается на нескольких факторах, включая требуемую тягу штока и необходимое перемещение клапана.

Важно, чтобы инженеры осуществили анализ и определили, какая схема или поршневой привод является наиболее подходящим для конкретной ситуации. Приводы играют ключевую роль в обеспечении энергии для перемещения и позиционирования элемента управления потоком внутри корпуса клапана.

Существуют различные типы приводов, включая пневматические, электрические, гидравлические, электрогидравлические и ручные. Пневматические приводы широко используются для регулирования потока.

На данный момент есть три типа пневматических приводов: поршневые, пружинно-диафрагменные и вращательные лопасти. Первые два могут быть адаптированы для использования с поворотными или скользящими клапанами, а последний используется только для поворотных клапанов.

Комплектующие элементы для управления потоком в клапанах

При выборе комплектующих, таких как датчики позиционирования, усилители, электромагнитные клапаны, концевые выключатели, маховики и ограничители хода, демпферы, регуляторы, линии электропередачи, следует основываться на различные технические характеристики.

Один из ключевых факторов, влияющих на выбор, - это стоимость комплектующих.

Кроме долларовой стоимости материала за фунт, имеет значение также стоимость производства и проверки, которые вносят свой вклад в общую стоимость клапана. Причем, общая стоимость включает не только расходы на установку, но и потенциальные издержки от неправильной установки, а также расходы на проверку.

Последний включает ряд методов: анализ химического состава материалов, проведение рентгенографического и поверхностного контроля отливок и сварных швов, а также проверку правильности установленного клапана и его ориентации.

Определение наиболее подходящего или оптимального типа регулирующего клапана непосредственно зависит от специфических характеристик системы труб и условий, в которых функционирует рабочая жидкость. Однако при выборе размера регулирующего клапана следует учитывать то обстоятельство, что через него должно происходить снижение давления, а не в самой трубе. Регулирующий клапан по своей функциональности отвечает за контроль потока.

Все клапаны, включая паровые клапаны, разработаны с учетом предельно допустимого уровня внутренних утечек, определенного стандартами FCI / ANSI. Поскольку количество утечек возрастает, допустимая скорость внутренней утечки снижается.

Клапан первого класса обладает наивысшей степенью внутренней утечки и, как правило, отличается наименьшей стоимостью. Клапан класса VI, напротив, характеризуется наименьшей допустимой скоростью внутренней утечки. Паровые клапаны должны обладать утечкой, которая не ниже четвёртого класса. Клапан управления паром, относящийся к четвёртому классу, способен обеспечить длительный период эксплуатации.

Категории клапанов для управления потоком

В зависимости от конструкции клапанов, с одним седлом или двумя седлами, типы клапанов для управления потоком можно разделить на следующие категории.

• Первая категория – регулирующие клапаны с линейным движением или возвратно-поступательным движением штока. В эту категорию входят шаровые клапаны, которые бывают прямые, угловые и 3-ходовые. Шаровые клапаны имеют шар, который перемещается вперед и назад для регулирования потока. Еще один тип клапанов с линейным движением штока – мембрана. Мембранные клапаны имеют мембрану, которая поднимается и опускается для контроля потока. Третий тип клапанов с линейным движением – пережимные клапаны. Пережимные клапаны работают путем сжатия прокладок или уплотнителей для управления потоком.
• Вторая категория – регулирующие клапаны с поворотным штоком. Эти клапаны включают шаровые клапаны, дроссельные клапаны и пробковые клапаны. Шаровые клапаны с поворотным штоком имеют шар, который вращается для регулирования потока. Дроссельные клапаны также имеют поворотный шток, который используется для изменения размера проходного отверстия и, следовательно, потока. Пробковые клапаны, как следует из названия, используют пробку для регулирования потока.

Выбор клапана для управления потоком

Выбор подходящего клапана для управления потоком является важной задачей для инженеров-технологов. При выборе клапана необходимо учитывать множество факторов, чтобы обеспечить эффективное управление.

Существуют общие критерии, которые помогают в выборе подходящего клапана. Они включают тип контроля, степень контроля и степень отключения. Также необходимо учитывать расчетную температуру и расчетное давление, а также допустимое падение давления. Коррозионная активность жидкости, свойства эрозии жидкости и другие характеристики, такие как загрязнение или коксование, также имеют значение при выборе клапана. Дополнительные факторы, такие как степень опасности от утечки, сохранение тепла или холода, а также стоимость, также должны быть учтены при выборе клапана.

Когда критерии проектирования известны, инженеры-технологи могут начать процесс выбора оптимального типа регулирующего клапана и соответствующего оборудования, а также определения материала для самого клапана.

Далее, необходимо создать подробную спецификацию, которая обычно составляется специализированным инженером по трубопроводам. Эта спецификация должна содержать описание типа регулирующего клапана (поворотный или скользящий), размер отверстия и номинальное давление, а также информацию о концевых соединениях и типе соединения с корпусом. Также необходимо указать требования к материалам для компонентов кузова, отделки, прокладок и болтов, а также информацию о позиционировщике и контроллере. Важно также указать ссылку на стандарт промышленного дизайна для выбранного типа клапана.

Для определения наиболее подходящего регулирующего клапана и его характеристик на основе параметров процесса, инженеры могут использовать компьютеризированную систему, которая помогает в принятии решений. Это позволяет более точно определить наиболее подходящий клапан и обеспечить эффективное управление потоком.

Установка клапана для управления потоком

Установка клапана для контроля потока пара требует особых мероприятий, чтобы обеспечить его эффективное и безопасное функционирование. При проведении данной процедуры необходимо учитывать ряд важных моментов.

• Во-первых, при установке клапана следует увеличивать диаметр трубопровода нагнетательного паропровода как минимум на один диаметр. В некоторых случаях целесообразно увеличивать диаметр выпускного трубопровода на два или три диаметра. Это позволяет снизить скорость потока на выходе из клапана и повысить его срок службы. Для определения соответствующего размера трубы после регулирующего клапана следует обратиться к производителю. Кроме того, необходимо проверить совместимость размера трубы с впускным соединением теплопередачи.
• Во-вторых, важно обеспечить определенное расстояние после клапана управления паром. Рекомендуется, чтобы это расстояние составляло не менее десяти диаметров трубы перед входным соединением любого теплопередачи. В случаях, когда перед изменением направления потока необходимо снизить давление, следует оставить не менее 20 горизонтальных диаметров трубы.
• В-третьих, регулирующий клапан всегда должен быть установлен в горизонтальной линии подачи пара, а не в вертикальном положении. Это обеспечивает более эффективное функционирование клапана.
• В-четвертых, правильный выбор клапана особенно важен при работе с низким расходом, поскольку это может сильно повлиять на процесс. Поэтому рекомендуется уделить особое внимание выбору клапана в таких условиях.
• В-пятых, при установке регулирующего клапана рекомендуется использовать обходные клапаны. Перепускной клапан может быть использован в случае неисправности регулирующего клапана или для технического обслуживания, чтобы обеспечить возможность управления процессом без остановки его работы.
• Наконец, чтобы обеспечить надежную и безопасную работу клапана, рекомендуется установить манометры до и после клапана для контроля пара. Это позволяет в режиме реального времени диагностировать состояние линии. Важно осознавать, что правильная установка клапана играет решающую роль в предотвращении проблем при запуске установки. Поэтому рекомендуется привлечь опытных специалистов с навыками работы с контрольно-измерительными приборами для контроля и настройки регулирующих клапанов.

Инструкция по приобретению клапана

Для того чтобы правильно подобрать и заказать клапан, производители, работающие в нефтяной и газовой промышленности, должны учитывать следующие важные моменты:

1. Вид клапана: необходимо определить тип клапана, который будет соответствовать потребностям и требованиям вашего проекта.
2. Размер отверстия: необходимо знать размер отверстия клапана в единицах NPS (национальная система трубопроводной промышленности) или DN (диаметр номинальный), чтобы убедиться, что он соответствует требуемым параметрам.
3. Номинальное давление: диапазон классов давления клапана должен быть определен (обычно он варьируется от 150 до 4500 #), чтобы обеспечить безопасную и эффективную работу ваших систем.
4. Соответствие спецификациям: следующий важный шаг - определить требования к спецификациям клапана, таким как API 6D, API 600, API 602 и другие.
5. Материалы корпуса и отделка: выбрать подходящие материалы для изготовления корпуса клапана и его отделки - это крайне важно для обеспечения долговечности и надежности устройства.
6. Тип соединения: определить тип соединения клапана, какие варианты доступны - фланцевое, резьбовое, встыкное, муфтовое или другие.
7. Рабочая среда: учитывать вид и свойства жидкости, которая будет протекать через трубопровод, такие как нефть, газ, вода, пар или даже твердые вещества.
8. Рабочие условия: знать требуемые рабочие температуры и давления, чтобы выбрать соответствующие клапаны, которые справятся с этими условиями наилучшим образом.
9. Количество: определить необходимое количество клапанов, с учетом структуры вашей системы и потребностей вашего проекта.
10. Сроки поставки: обсудите и согласуйте сроки поставки с поставщиком, чтобы быть уверенным, что клапаны будут доставлены вовремя и не создадут задержек в вашем проекте.
11. Ограничения происхождения: учтите возможные ограничения в отношении происхождения клапанов, если у вас есть специфические требования - например, возможно, вы предпочтете избегать китайских или индийских производителей.

Соблюдение всех этих точек поможет вам выбрать и заказать идеальный клапан, который будет соответствовать вашим требованиям и обеспечит эффективность вашей системы.