Evoluția supapei cu bilă-cuprinzătoare

Designul compact, simplitatea de utilizare, ușurința de reparare și capacitatea largă de performanță au contribuit la transformarea supapei cu bilă într-un design dominant în aplicațiile industriale moderne.

Invenția supapei cu bilă s-a dovedit a fi o dezvoltare revoluționară pentru industria supapelor, furnizând numeroase soluții unice care îndeplinesc cerințele moderne de control al debitului. Dar aplicarea sa cu succes nu a fost imediat evidentă.

La începutul vieții supapei cu bilă, activele și valorile sale curente nu au fost realizate. Lipsa tehnologiei de prelucrare pentru a face o minge cu adevărat rotundă nu a existat. Iar materialele de etanșare ale vremii, asociate cu utilizarea cauciucului natural, erau foarte limitate și împiedicau aplicarea supapei cu bilă la orice utilizare industrială semnificativă.

În timpul celui de-al Doilea Război Mondial și în anii 1950, tehnologia de prelucrare dezvoltată pentru efortul de război a permis ca avantajele inerente ale supapei cu bilă să fie introduse în utilizarea militară. Dezvoltarea materialelor sintetice precum politetrafluoretilena (PTFE), adesea cunoscută sub numele de marcă Teflon, a deschis calea pentru aplicațiile din sectorul industrial.

Astăzi, supapa cu bilă este utilizată într-o gamă largă de aplicații pentru controlul debitului de lichide, gaze și chiar solide. Aceste aplicații sunt la temperaturi care variază de la -450 de grade F (-267 de grade) la mai mult de 1600 de grade F (871 de grade). Presiunile pot varia de la vid complet la peste 20.000 psi.

Design supapă cu bilă

Componentele majore ale supapei cu bilă sunt corpul, bila, scaunele și tija. Aceste componente pot fi realizate dintr-o mare varietate de materiale. Robinetele cu bilă sunt oferite în numeroase conexiuni de capăt, inclusiv cu flanșă, filetate, capăt de sudură și placă, precum și conexiuni de capăt specializate.

Bazele

Modelele de supape cu bilă se încadrează în categoria unui sfert-de tură a supapelor, inclusiv supapele cu dop și fluture. Această categorie de -sferturi de tură înseamnă că tija supapei este rotită cu 90 de grade pentru funcționare.

Cele mai comune dintre aceste modele sunt designul plutitor și designul montat pe-trunnion. De obicei, sunt bi-direcționale în etanșare și pot fi orientate în orice poziție sau direcție pentru deschidere și închidere.

Unele dintre avantajele de bază pe care aceste supape cu bilă le au față de alte modele includ:

port plin pentru{0}}eficiență ridicată a fluxului

cuplu mai mic

interval mai larg de presiune și temperatură

capacitate mare de ciclu

garnituri de tulpină superioare

la foc{0}

cost mai mic de automatizare.

Designul cu bilă plutitoare comprimă inițial bila între locurile moi atunci când supapa este asamblată. Acest lucru forțează materialul scaunului să curgă la rece-în porii mingii, creând o etanșare de vid și de joasă-presiune. În poziția închisă, presiunea liniei forțează mingea în scaunul din aval. Acest lucru asigură o închidere strânsă asupra designului de presiune și temperatură a scaunului.

Designul plutitor este cel mai comun într-un interval de dimensiuni de la 1/4 la 12 inchi, deși unii producători oferă dimensiuni de până la 18 inci. Dimensiunea supapei cu bilă plutitoare este limitată de dimensiunea și greutatea bilei și de cuplul necesar pentru rotirea acesteia pe măsură ce dimensiunea crește.

Modelele montate pe trunnion-funcționează exact opusul designului plutitor. În designul trunionului, bila nu poate pluti, dar este poziționată rigid de tijă în partea de sus și de un arbore sau de un trunion, utilizând rulmenți în partea de jos. Scaunele sunt comprimate împotriva mingii folosind un arc sau arcuri pentru a dezvolta etanșarea inițială de joasă presiune-.

Scaunele supapelor trunnion sunt proiectate cu garnituri pentru a fi alimentate-procesului, presiunea crescândă forțând scaunul din amonte mai tare în bilă. Acest lucru asigură o închidere strânsă asupra designului de presiune și temperatură a scaunului.

Modelele trunnion preiau de obicei locul acolo unde aplicația de design cu bile plutitoare încetează și pot fi găsite într-un interval de dimensiuni de la 3 la 72 de inci. Avantajul acestui design de supapă devine evident pe măsură ce dimensiunea supapei crește.

Greutatea bilei și cuplul de operare nu sunt factori, deoarece locurile dintr-o supapă cu trunion nu susțin bila. Aceasta înseamnă că scaunele supapelor trunnion se pot specializa în etanșarea bilei, permițând supape mult mai mari cu acționare mai mică decât se poate realiza în orice tip de proiectare plutitoare.

Corp

Corpul supapei cu bilă poate fi turnat, forjat sau prelucrat din aproape orice metal posibil. Acest lucru se datorează designului simplu și compact al supapei cu bilă. Metalele aplicabile includ:

Ne-feroase, cum ar fi alama, bronzul și aluminiul

Metale pe bază de fer-, inclusiv fier, oțeluri carbon și oțeluri inoxidabile

Metale pe bază de-nichel, care includ Hastelloy, Inconel și nichel

Metale reactive, inclusiv titan, tantal și zirconiu.

Supapele cu bilă sunt, de asemenea, fabricate dintr-o varietate de materiale plastice și polimeri, inclusiv PVC, polietilenă și polipropilenă. Supapele cu bilă pot fi, de asemenea, căptușite cu polimeri și materiale plastice și pot fi realizate din sau căptușite cu ceramică, cum ar fi alumina și zirconia.

Designul de bază al corpurilor de supape din Statele Unite îndeplinește standardul ASME (American Society of Mechanical Engineers) B16.34. Aceste standarde determină grosimile pereților, nivelurile de solicitare și alți parametri împreună cu relațiile de presiune-temperatură pentru majoritatea aliajelor feroase.

Liniile directoare B16.10 specifică, de asemenea, dimensiunile acceptabile ale multor clase de supape, cum ar fi standardele specifice-industriei, cum ar fi standardul API (American Petroleum Institute) 6D pentru supapele de conducte și API 608, „Supape cu bile metalice-Flanged, Fileted, and Welding Ends”. Aceste specificații controlează dimensiunile, materialele și aplicațiile pentru a se asigura că designul supapei rămâne consecvent de la producător la producător și este sigur pentru aplicația prevăzută.

Supapele cu bilă în serviciul de instalații de apă sunt acoperite de standardul AWWA (Asociația Americană de Apăsare), C507-18, „Supape cu bilă, 6 in. Prin 60 in. (150 mm până la 1500 mm).”

Multe alte țări au standarde naționale, iar mai multe organizații promovează și standarde internaționale. Producătorii de supape care doresc să intre pe piața globală trebuie să se conformeze standardelor ISO (Organizația Internațională pentru Standardizare), PED (Directiva privind echipamentele sub presiune a Comisiei Europene -), CE (PED) și ATEX (Bureau Veritas), printre multe altele care există, cum ar fi în China și Rusia. Îndeplinirea acestor standarde a devenit un mandat pentru comerțul cu Uniunea Europeană, precum și standardele JIS pentru Japonia și cerințe similare în alte părți.

Alte specificații comune pentru evaluarea supapelor cu bilă includ WOG (apă/ulei/gaz), CWP (presiunea de lucru la rece) și WSP (presiunea aburului de lucru). Aceste evaluări sunt mai limitate și sunt stabilite de obicei de către producătorul individual. Toate aceste specificații vor stabili o curbă presiune/temperatură pentru proiectarea supapei, care scade presiunea nominală pe măsură ce temperatura crește.

Modelele de caroserie sunt împărțite în patru configurații de bază:

Trei-piese se balansează. Corpul este proiectat în trei piese, având capacitatea de a balansa cu ușurință secțiunea centrală a corpului din linie pentru reparare, fără a fi nevoie să scoateți întreaga supapă. Acest lucru este util atunci când supapele sunt filetate sau sudate într-o conductă.

Încheierea intrării. Acest design folosește un design dintr-o-piesă sau unibody. Toate componentele interne sunt asamblate în supapă prin capăt, unde este instalat un dop de capăt pentru a reține piesele. Acest design elimină orice formă de etanșare a corpului sau a capotei, eliminând o potențială cale de scurgere.

Corpul împărțit. Acest design (Figura 5), ​​după cum sugerează și numele, împarte corpul în două jumătăți și permite o asamblare ușoară și o etanșare mai puțină a corpului decât designul din trei-piese.

Acest design cu corp divizat este deosebit de avantajos atunci când dimensiunea supapei este mare, facilitând asamblarea componentelor mari.

Intrarea de top. Designul intrării superioare folosește un corp dintr-o-piesă ca și intrarea de capăt, cu excepția faptului că partea superioară a corpului este expusă pentru a asambla părțile interne. O capotă este apoi înșurubat pe partea superioară a supapei, făcând acest design reparabil în-linie, similar cu designul din trei-piese. Cele mai obișnuite modele de intrare superioară sunt unice pentru modelele de supape cu bilă, deoarece bila și scaunele plutesc și funcționează la unison și pe o conicitate în interiorul corpului, spre deosebire de celelalte modele.

Balul

Elementul de control al debitului robinetului cu bilă este, desigur, bila. Bila acționează împotriva scaunului și poate opri sau controla fluxul prin supapă. Bilele sunt proiectate și fabricate la toleranțe exacte pentru finisarea suprafeței și sferozitate sau rotunjime. Atât bila, cât și scaunul sunt esențiale pentru funcționarea lină, cuplul redus și performanța bună de etanșare, mai ales atunci când sunt necesare scaune metalice și etanșare metal-la-metal. Configurația orificiului cu bilă poate varia de la un stil standard cu orificii drepte și traversante la un stil cu mai multe-porturi pentru supapele cu bilă care oferă modele de orificii cu trei- până la cinci-căi. În timp ce majoritatea modelelor de supape cu bilă folosesc o bilă sferică completă, există și modele care folosesc o jumătate de bilă (sector) și cele care folosesc acțiunea cu came pentru a forța mingea în scaun.

Bilele folosite la supape sunt prelucrate din multe materiale, inclusiv metal, ceramică sau plastic. Bilele metalice pot fi îmbunătățite cu o varietate de acoperiri sau tratamente de suprafață. Acestea sunt folosite pentru a oferi rezistență îmbunătățită la uzură, rezistență la coroziune sau duritate ridicată pentru a preveni uzura, care este locul în care metalul de bază nu rezistă.

Îmbunătățirile de suprafață pot include polimeri, spray cu flacără, nichel electroless, acoperiri PVD și procese de difuzie, cum ar fi aplicarea cu nitrură și boruri. Aceste îmbunătățiri sunt un motiv major pentru aplicarea cu succes a supapelor cu bilă în marea varietate de aplicații în care sunt utilizate în prezent.

Scaune

Îmbunătățirea designului și tehnologiei scaunului a permis supapei cu bilă să se extindă într-o gamă largă de aplicații. Aceste scaune pot asigura funcții multiple, în funcție de designul supapei și de materialul scaunului.

Ele trebuie să asigure o închidere strânsă în cazul materialelor elastice, precum și să susțină mingea în modelele cu bile plutitoare, să reziste la service și să ofere un ciclu de viață bun. Scaunele pot include, de asemenea, porturi caracterizate pentru controlul fluxului.

Modelele de scaune moi sunt denumite în mod obișnuit modele „blocare” care asigură contact complet-față atunci când sunt asamblate sau ca modele de buze flexibile care au contact redus cu fața pentru un cuplu mai mic și o durată de viață îmbunătățită.

Diferite modele de caroserie vor folosi acestea sau variații ale designului de bază al scaunului moale. Multe modele ale producătorilor oferă, de asemenea, o anumită formă de reducere a presiunii în cavitate, prevenind deteriorarea scaunului și a supapei în cazul presiunii în cavitate prinse din mediul prins într-o supapă închisă.

Materialele pentru scaune moi utilizate astăzi includ, dar nu se limitează la:

Cauciucuri, inclusiv neopren și Buna

Fluoropolimeri, inclusiv PTFE, TFM, PBI și PFA

UHMWPE (polietilenă cu greutate moleculară ultra-)

PEEK (polieter eter cetonă)

Delrin

Nailon

Modelele cu scaune metalice sunt utilizate în supapele cu bilă pentru a face față celor mai severe aplicații, inclusiv presiune înaltă, temperatură ridicată, abrazivitate și controlul debitului.

Există multe modele de scaune metalice în uz, dintre care cele mai comune încorporează scaune din metal solid, întărite la suprafață sau acoperite și lipite de o bilă care a fost întărită în mod similar. Aceasta se potrivește cu suprafețele mingii și ale scaunului pentru a afecta o etanșare bună.

Alte modele includ metal sinterizat impregnat cu grafit sau PTFE și chiar unele modele flexibile. Scaunele elastice trebuie să fie etanșe la bule-, totuși majoritatea supapelor cu scaune metalice au permisiunea unor scurgeri în funcție de ratele specificate de scurgere ale supapelor cu bilă cu scaun-metal. Cele mai comune dintre aceste specificații sunt MSS-SP{-61 și API 598. Alte specificații care sunt aplicate în mod obișnuit supapelor cu bilă cu scaun metalic includ standardele FCI 70.2 și API.

Majoritatea modelelor de bile cu așezare-metalică, plutitoare, folosesc arcuri și/sau garnituri pentru a comprima scaunele împotriva mingii și pentru a etanșa partea din spate a scaunului pentru presiuni scăzute. Mingea plutește pe scaunul din aval pe măsură ce presiunea crește, oferind oprire peste designul presiunii și temperaturii scaunului, similar cu acțiunea versiunii moale-așezată.

În modelele de trunnion, arcuri și adesea mai multe garnituri sunt folosite pentru a capta presiunea liniei, forțând scaunele mai tare împotriva mingii pe măsură ce presiunea crește. Unii producători chiar prelucrează suprafața de scaun în corpul supapei, eliminând arcurile și etanșările într-o singură direcție. Acest lucru, totuși, are ca rezultat o funcționare unidirecțională a supapei.

Tulpini

Tija este utilizată în supapa cu bilă pentru a roti bila într-o poziție deschisă sau închisă sau într-o poziție intermediară pentru controlul debitului. Materialele luate în considerare pentru tulpini trebuie să reziste mai mult decât doar presiunii corpului, mingii sau scaunelor. Acestea trebuie să reziste la coroziune și la temperatura procesului, păstrând în același timp suficientă rezistență pentru a rezista cuplului aplicat atunci când supapa este operată. Din acest motiv, materialele cu rezistență mai mare și rezistente la coroziune- sunt de obicei selectate pentru fabricarea tijei.

Deoarece tija este legătura cu mingea, aceasta trebuie să treacă prin corp pentru a putea fi acționată extern. Acest lucru necesită ca tija să aibă etanșări pentru a preveni scăparea mediului din supapă. Garniturile trebuie să etanșeze bule-, să reziste la coroziunea fluidului și la temperatură și să ofere un ciclu de viață bun.

Materialele tipice de etanșare a tijei includ polimeri precum PTFE și PEEK. Pentru temperaturi mai ridicate sau pentru siguranța la incendiu, se folosesc de obicei garnituri de tijă din grafit. Aceste materiale rămân flexibile pe intervale largi de temperatură și sunt rezistente chimic. În supapele etanșe-foc, garniturile trebuie să supraviețuiască unui incendiu fără scurgeri.

Modelele de supape rotative cu un sfert de -turnă, cum ar fi supapa cu bilă, au cele mai bune-etanșări ale tijei. Acest lucru se datorează mișcării tijei într-o mișcare de rotație, spre deosebire de mișcarea în creștere a tijei găsită în supapele cu poartă și cu glob. Având în vedere preocupările și reglementările actuale de mediu, performanța garniturii tijei este esențială pentru producătorii de supape și pentru utilizatorii-finali.

Modelele de garnituri de tijă se împart în două categorii de bază: garnituri de etanșare de tijă-energizate și de etanșări de corp-energizate. Aceste modele folosesc multe tipuri diferite de etanșări, cele mai comune fiind inelul plat, chevron, cupă și con și elemente monolitice.

Stem energizat.În acest design, există de obicei mai multe inele de etanșare. Unele dintre acestea se află în interiorul limitei de presiune a corpului supapei care devine etanșarea primară, iar altele sunt în afara limitei de presiune în ceea ce se numește cutia de „ambalaj” sau „de umplere”.

Aceste etanșări sunt comprimate sau energizate prin acțiunea de tragere în sus a tijei cu o piuliță de tijă, care comprimă simultan etanșările superioare cu un suport de etanșare. Cele mai multe dintre aceste modele încorporează arcuri Belleville pentru a încărca etanșările. Acest lucru face ca ansamblul etanșării tijei să se ajusteze automat și să compenseze temperatura, permițând o durată de viață mai lungă înainte de a fi necesară reajustarea.

Corpul energizat.În acest design, etanșarea este realizată deasupra limitei de presiune în cutia de presa, din nou folosind inele de etanșare simple sau multiple. Unii producători pot folosi un rulment axial pe tijă sub limita presiunii, dar nu se realizează nicio etanșare acolo.

Aceste etanșări sunt încărcate folosind un „jug” sau „placă de presă”, comprimând etanșările din cutia de presa cu șuruburi filetate în corp. Designul utilizează în mod obișnuit mai multe arcuri Belleville pe șuruburi pentru a „încărca” din nou placa presetupe, făcând etanșarea tijei să se ajusteze automat.

Avantajul acestui design este că tija este liberă să plutească în interiorul garniturilor, reducând cuplul și crescând durata de viață a tijei. Acest design permite, de asemenea, încorporarea modelelor de „emisii fugitive”, care utilizează mai multe seturi de etanșări, creând etanșări suplimentare sau redundante pentru aplicații toxice și cu ciclu înalt-.

Aplicații

Cu design-urile și materialele avansate oferite în supapele cu bilă moderne, acestea sunt utilizate în multe servicii și industrii. Succesul în aceste aplicații depinde de specificația corectă a tuturor acestor modele și componente, așa cum sa discutat.

Designul mingii nu se limitează la serviciul on/off. Ele pot fi folosite pentru a devia, controla sau amesteca fluxurile. Funcții diferite pot fi realizate având mai multe porturi pentru deviare și amestecare, sau având un port caracterizat, cum ar fi un port V-, pentru controlul fluxului.

Utilizarea supapelor cu bilă de control cu ​​un sfert de-turnare devine din ce în ce mai frecventă în aplicațiile de control al debitului de-cădere de presiune moderată. Acest lucru se datorează avantajelor procesului de costuri mai mici, închidere strânsă și precizie ridicată atunci când sunt cuplate cu comenzi digitale ale acționării electrice și pneumatice.

Există, de asemenea, modele de supape cu bilă specializate pentru aplicații unice. Acestea pot include supape pentru serviciul criogenic, care trebuie să suporte temperaturi extrem de scăzute și supape pentru abur de înaltă-presiune, care trebuie să suporte temperaturi și presiuni extrem de ridicate.

Alte aplicații ale supapelor cu bilă includ utilizarea lor în industrii precum farmaceutică, aerospațială, nucleară, biotehnologică și celulozei și hârtiei. Aplicațiile în care sunt utilizate includ acizi și substanțe chimice, șlamuri, fluide termice, abur și criogenie.

Concluzie

Designul compact, simplitatea de utilizare, ușurința de reparare și capacitatea largă de performanță au contribuit la transformarea supapei cu bilă într-un design dominant în aplicațiile industriale moderne. Iar supapele cu bilă continuă să evolueze pentru a răspunde cerințelor noi și mai dificile.

Sectorul industrial pune din ce în ce mai mult accent pe siguranță, mediu, eficiență îmbunătățită și reducerea costurilor. Astfel, atuurile robinetului cu bilă vor continua să facă din acesta un jucător important cu multe roluri viitoare.