Zawór kulowy posiada sferyczny dysk do otwierania i zamykania przepływu cieczy. Są one standardem przemysłowym dla aplikacji odcinających rurociągi, ponieważ ich konstrukcja gwarantuje bardzo szczelne i wolne od przecieków uszczelnienie nawet po latach eksploatacji. Dwa kluczowe typy zaworów kulowych to konstrukcje pływające i czopowe (z wejściem bocznym lub górnym). Korpus może być odlewany lub kuty, monolityczny lub dzielony (na 2 lub 3 części). API 6D i ASME B16.34 są kluczowymi specyfikacjami.
Czym JEST ZAWÓR KULOWY?
Zawory kulowe są kluczowymi urządzeniami do odcinania i regulacji przepływu cieczy (oleju, gazu, pary itp.) w przemyśle petrochemicznym.
ZALETY I WADY ZAWORÓW KULOWYCH
Ten typ zaworów ma następujące zalety:
- mogą być szybko otwierane i zamykane za pomocą ruchu ćwierć obrotu
- zapewniają bardzo szczelne uszczelnienie bez konieczności stosowania dużych sił momentu obrotowego
- mają zwartą konstrukcję (jest to główna różnica między zaworem kulowym a zasuwą – które są urządzeniami typu włącz/wyłącz)
Wadami są:
- zawór ma słabe możliwości regulacyjne i dławiące, ponieważ został zaprojektowany do odcinania rurociągu zamiast modulacji przepływu (jest to idealna funkcja dla zaworów kulowych): dławienie powoduje erozję częściowo odsłoniętego gniazda z powodu przepływu z dużą prędkością i ciśnienia doświadczanego przez zawór. Zużycie może stopniowo prowadzić do nieszczelności zaworu.
- zawór nie może być stosowany do zawiesin, ponieważ nagromadzenie zawieszonych cząstek i zanieczyszczeń spowodowałoby nieszczelność zaworu. Cząstki te mogą zestalać się w pustych przestrzeniach w pobliżu kuli i gniazd. Zawory kulowe są o wiele bardziej efektywne w przypadku gazów i innych płynów (nawet tak trudnych substancji jak suchy chlor, kwas fluorowodorowy lub kwas solny i tlen).
- mogą być trudne do czyszczenia (z wyjątkiem konstrukcji z górnym wejściem)
Położenie otwarte, zamknięte lub częściowo otwarte zaworu można wykryć, patrząc na położenie dźwigni:
- gdy dźwignia jest ustawiona równolegle do rury, zawór jest otwarty; gdy jest prostopadła do rury, zawór jest zamknięty;
- gdy jest w jakimkolwiek innym położeniu, zawór jest częściowo otwarty (lub częściowo zamknięty) i moduluje przepływ.
Zawory te należą do rodziny zaworów „ćwierćobrotowych” lub „1/4 obrotu” (razem z zaworami motylkowymi i grzybkowymi), ponieważ operacje otwierania i zamykania są wykonywane przez obrót dźwigni połączonej z dyskiem o 90 stopni.
Kluczowe specyfikacje zaworów kulowych to API 6D, BS 5351 (kute) i ASME B16.34 (wartości znamionowe ciśnienia i temperatury), ASME B16.5/B16.47 (końce kołnierzowe) i ASME B16.25 (końce do spawania doczołowego).
JAK TO DZIAŁA?
Kula wewnątrz zaworu ma otwór, przez który przepływ przechodzi swobodnie, gdy jest w pełni wyrównany z dwoma końcami zaworu. Gdy otwór jest całkowicie prostopadły do końców urządzenia, zawór jest doskonale uszczelniony.
W przeciwnym razie, gdy otwór znajduje się w innej pozycji (na przykład prostopadłej do końców zaworu), przepływ jest całkowicie lub częściowo przerwany.
Zawór kulowy a zasuwa
Zawór ten spełnia taką samą funkcję jak zasuwa (odcinająca). Różnica między zaworem kulowym a zasuwą polega na tym, że pierwszy zawór wykorzystuje kulę sferyczną do otwierania/zamykania przepływu, a drugi wykorzystuje dysk osadzony na gnieździe. Różnica między tymi dwoma zaworami jest zatem w konstrukcji i zwartości.
Zawór kulowy vs zawór kulowy
Zawory te nie są tak precyzyjne jak zawory kulowe do dławienia przepływu płynu, ponieważ zazwyczaj mają dodatnie (pod kątem 0, 45 i 90 stopni), a nie przyrostowe pozycje. Ponadto, zawór uległby uszkodzeniu w wyniku częściowego otwarcia (lub powtarzających się operacji otwarcia/zamknięcia) w dłuższym okresie czasu (nie jest to problemem w przypadku zaworów kulistych).
RODZaje zaworów kulowych
Zawory kulowe można klasyfikować według wielu kryteriów:
- Konstrukcja: pływające, montowane na czopie oraz z podwójnym odpowietrzeniem i blokadą
- Liczba portów: standardowy typ jest z 2 portami (1 wlot, 1 wylot), ale dostępne są również 3 porty (1 wlot i 2 wyloty lub odwrotnie)
- Rozmiar otworu: pełny lub zredukowany (FB vs. RB), oraz V-notch
- Zespół korpusu: unibody (korpus kuli jest wykonany z jednego kawałka stali odlewanej lub kutej), 2 części lub 3 części (korpus jest wynikiem złożenia dwóch lub trzech różnych części)
- Dostęp do kuli: wejście boczne lub wejście górne (w zależności od tego, czy dostęp do kuli, w celu konserwacji, można uzyskać z boku zaworu czy od jego góry)
- Typ gniazda: metalowe lub miękkie (teflonowe)
PŁYWAJĄCY ZAWÓR KULOWY
W pływającym zaworze kulowym kula jest zawieszona w przepływającej cieczy i jest utrzymywana w położeniu przez dociskanie do niej dwóch elastomerowych gniazd.
Wał jest połączony na górze kuli i umożliwia przejście z położenia otwartego do zamkniętego przy ruchu o ćwierć obrotu (90 stopni).
Gdy wał jest przesuwany, na kulę działa obciążenie, które zostaje dociśnięte do jej gniazd.
Ta konstrukcja, która jest lekka i ekonomiczna, pasuje do otworów o średnicy do 10 cali: powyżej tej wielkości otworu, gniazda zaworu nie byłyby w stanie wytrzymać coraz cięższych kul i zawór nie działałby bezpiecznie i efektywnie.
Zawory pływające pozwalają na dwukierunkowe odcięcie przepływu (jak typ trunnion).
(Źródło: Walworth Valves Youtube Channel)
TRUNNION BALL VALVE
Zawory trunnion zostały wprowadzone, aby poradzić sobie z ograniczeniami rozmiarowymi standardowych zaworów pływających opisanych powyżej. Rzeczywiście, w tego typu zaworach wał, kula i podpierający ją pałąk działają jako pojedynczy solidny zespół zdolny wytrzymać duże obciążenia generowane przez kule o dużych wymiarach.
Poza zaletą elastyczności wymiarowej, zawór trójnikowy charakteryzuje się niższym momentem roboczym w porównaniu z zaworem pływającym (co może być korzystne, gdy zawór musi być uruchamiany, ponieważ do jego obsługi można zamontować mniejsze i bardziej ekonomiczne siłowniki).
Zawór kulowy ze stali nierdzewnej, typ trunnion mounted
(Źródło: Robert Cort – Wartsila Valves Youtube Channel)
SIDE ENTRY VS. TOP ENTRY
Jaka jest różnica między zaworem kulowym z wejściem bocznym a zaworem kulowym z wejściem górnym?
Pojęcia te odnoszą się do sposobu dostępu do kuli zaworu i jego części wewnętrznych, z boku (wejście boczne) lub od góry (wejście górne).
Pływające i montowane na czopach zawory kulowe są dostępne w wersji z wejściem bocznym i górnym.
Wynika to z faktu, że zawory kulowe z górnym wejściem umożliwiają łatwiejszy i szybszy dostęp do kuli i elementów wykończenia zaworu w porównaniu z zaworami z wejściem bocznym (które wymagają więcej czasu i miejsca na konserwację w celu wykonania tych samych czynności).
Główne różnice między tymi dwoma konstrukcjami zaworów kulowych to:
- Zawory kulowe z górnym wejściem są produkowane, generalnie, z korpusami ze stali odlewanej; zawory kulowe z bocznym wejściem są produkowane z (solidnymi) korpusami ze stali kutej
- Zawory kulowe z górnym wejściem mają konstrukcję monolityczną (są wykonane przez jeden pojedynczy element); zawory kulowe z bocznym wejściem mają zespół dwu- lub trzyczęściowy
- Zawory kulowe z górnym wejściem wymagają większej liczby testów nieniszczących niż zawory z bocznym wejściem ze względu na ich odlewane korpusy;
- Zawory kulowe z wejściem bocznym są łatwiejsze w montażu i produkcji niż zawory z wejściem górnym, które wymagają długiego doświadczenia i kunsztu, aby działały prawidłowo
- Zawory kulowe z wejściem górnym są ogólnie droższe niż zawory z wejściem bocznym i mają dłuższe czasy realizacji ze względu na operacje odlewania wymagane do wytworzenia korpusu
3-WAYS
Zazwyczaj zawór kulowy ma dwa wejścia (lub „dwie drogi”).
Jednakże w niektórych zastosowaniach może być określony zawór kulowy trójdrożny. Trójdrożny zawór kulowy ma 3 porty (wejścia), a nie tylko dwa.
Ta wieloportowa konstrukcja jest potrzebna do zmiany kierunku przepływu płynu przychodzącego z wlotu głównego zaworu w dwóch różnych kierunkach (zamiast tylko jednego), z których każdy jest obsługiwany przez dwa oddzielne wyloty zaworu. Innym typowym zastosowaniem zaworu kulowego 3-drogowego jest posiadanie głównej linii przepływu obsługiwanej przez dwa oddzielne i alternatywne wloty.
Kula zaworu kulowego 3-drogowego może mieć kształt litery L lub T, jak pokazano na poniższym rysunku. Ponadto ten specjalny typ zaworu kulowego jest dostępny w wersji pływającej lub obrotowej, z dowolnym typem zakończenia zaworu (połączenie kołnierzowe, gniazdo lub gwintowane) oraz z różnych materiałów, od tworzyw sztucznych po stal węglową, stopową i nierdzewną.
FULL PORT VS REDUCED PORT
Pojęcia te odnoszą się do relacji pomiędzy średnicą otworu zaworu a podłączonym systemem rurociągów. Bardziej szczegółowo:
- Typ „Full port” (FB) charakteryzuje się rozmiarem otworu (otworu w kuli) odpowiadającym rozmiarowi otworu podłączonego rurociągu. Zawory kulowe z pełnym portem minimalizują spadek ciśnienia, który jest generowany przez zawory z portem zredukowanym, ale są oczywiście bardziej nieporęczne, cięższe i droższe. Zawory kulowe FB są lepiej przystosowane, niż zawory kulowe RB, do zastosowań dławiących.
- Zawór kulowy typu „port zredukowany” (RB) ma otwór o rozmiarze mniejszym niż otwór podłączonego rurociągu (na przykład rury). Medium przepływające przez zawór jest w tym przypadku ograniczone do pewnego procentu (zazwyczaj między 70 a 80%) pełnego przepływu w rurociągu. Zawór kulowy ze zredukowanym portem powoduje spadek ciśnienia w rurociągu.
MATERIAŁY
Ten typ zaworu jest dostępny z korpusem odlewanym lub kutym (monoblokowym lub dzielonym).
Generalnie, zawory o średnicy poniżej 2 cali mają dwuczęściowe lub trzyczęściowe kute korpusy (najczęściej ASTM A105 dla usług wysokotemperaturowych, ASTM A350 LF2 i LF3 dla usług niskotemperaturowych i ASTM A182 F304, F316 dla zaworów ze stali nierdzewnej lub wyższych gatunków, takich jak zawory dupleksowe ASTM A182 F51 i super dupleksowe ASTM A182 F53/F55).
Kute korpusy są również stosowane do zaworów wysokociśnieniowych o wyższych rozmiarach otworu (z 2 lub 3 częściową dzieloną konstrukcją korpusu).
Przykłady kutych zaworów kulowych (mały rozmiar i zawór ze stali nierdzewnej z kutym korpusem, montowany na czopie).
Zawory o rozmiarach powyżej 2 cali mają korpus odlewany (najczęściej spotykane gatunki to ASTM A216 WCB do pracy w wysokich temperaturach, ASTM A352 do pracy w niskich temperaturach i ASTM A351 CF8, CF8M dla zaworów odlewanych ze stali nierdzewnej).
Symbol dla tego typu zaworu na schematach P&ID jest przedstawiony poniżej
.