Waar kleppen worden gebruikt: overal!

08 november 2017 Geschreven door Greg Johnson

Afsluiters zijn tegenwoordig vrijwel overal te vinden: in onze huizen, onder de straat, in commerciële gebouwen en op duizenden plaatsen in energie- en watercentrales, papierfabrieken, raffinaderijen, chemische fabrieken en andere industriële en infrastructurele voorzieningen.
De kleppenindustrie heeft werkelijk een brede schouders, met segmenten die variëren van waterdistributie tot kernenergie en stroomopwaartse en stroomafwaartse olie en gas. Elk van deze eindgebruikersindustrieën gebruikt een aantal basistypen kleppen; de details van constructie en materialen zijn echter vaak heel verschillend. Hier is een voorbeeld:

WATERWERKEN
In de wereld van de waterdistributie is de druk bijna altijd relatief laag en de omgevingstemperatuur. Deze twee toepassingsfeiten maken een aantal klepontwerpelementen mogelijk die niet te vinden zijn op meer uitdagende apparatuur, zoals stoomkleppen voor hoge temperaturen. De omgevingstemperatuur van de watervoorziening maakt het gebruik van elastomeren en rubberen afdichtingen mogelijk die elders niet geschikt zijn. Met deze zachte materialen kunnen waterkleppen worden uitgerust om druppels goed af te sluiten.

Een andere overweging bij waterafsluiters is de keuze van de constructiematerialen. Gietijzeren en nodulair gietijzer worden veelvuldig gebruikt in watersystemen, vooral in leidingen met een grote buitendiameter. Zeer kleine leidingen kunnen heel goed worden verwerkt met bronzen ventielmaterialen.

De druk die de meeste waterleidingkleppen zien, ligt meestal ruim onder de 200 psi. Dit betekent dat ontwerpen met dikkere wanden en hogere druk niet nodig zijn. Dat gezegd hebbende, zijn er gevallen waarin waterkleppen zijn gebouwd om hogere drukken aan te kunnen, tot ongeveer 300 psi. Deze toepassingen vinden meestal plaats op lange aquaducten dichtbij de drukbron. Soms worden ook waterkleppen met een hogere druk aangetroffen op de punten met de hoogste druk in een hoge dam.

De American Water Works Association (AWWA) heeft specificaties uitgegeven voor veel verschillende soorten kleppen en actuatoren die in waterleidingtoepassingen worden gebruikt.

AFVALWATER
De keerzijde van vers drinkwater dat een faciliteit of structuur binnengaat, is de afvalwater- of rioolafvoer. Deze leidingen verzamelen alle afvalvloeistoffen en vaste stoffen en leiden deze naar een rioolwaterzuiveringsinstallatie. Deze zuiveringsinstallaties zijn voorzien van veel lagedrukleidingen en kleppen om hun ‘vuile werk’ uit te voeren. De eisen voor afvalwaterkleppen zijn in veel gevallen veel milder dan de eisen voor schoonwatervoorzieningen. IJzeren poort- en terugslagkleppen zijn de meest populaire keuzes voor dit soort service. Standaardkleppen in deze service zijn gebouwd volgens AWWA-specificaties.

ENERGIE INDUSTRIE
Het grootste deel van de in de Verenigde Staten opgewekte elektrische energie wordt opgewekt in stoomcentrales die gebruikmaken van fossiele brandstoffen en hogesnelheidsturbines. Als je de kap van een moderne elektriciteitscentrale eraf haalt, krijg je een beeld van hogedruk- en hogetemperatuurleidingsystemen. Deze hoofdlijnen zijn het meest kritisch in het proces van stoomkrachtopwekking.

Schuifafsluiters blijven een belangrijke keuze voor aan/uit-toepassingen in energiecentrales, hoewel er ook klepafsluiters met Y-patroon voor speciale doeleinden worden aangetroffen. Hoogwaardige kogelkranen voor kritische toepassingen winnen aan populariteit bij sommige ontwerpers van energiecentrales en winnen steeds meer terrein in deze ooit door lineaire kleppen gedomineerde wereld.

Metallurgie is van cruciaal belang voor kleppen in energietoepassingen, vooral die welke werken in het superkritische of ultra-superkritische werkbereik van druk en temperatuur. F91, F92, C12A worden, samen met verschillende Inconel- en roestvrijstalen legeringen, vaak gebruikt in de huidige energiecentrales. Drukklassen omvatten 1500, 2500 en in sommige gevallen 4500. Het modulerende karakter van piekenergiecentrales (die alleen werken als dat nodig is) legt ook een enorme druk op kleppen en leidingen, waardoor robuuste ontwerpen nodig zijn om de extreme combinatie van cycli, temperatuur en druk.
Naast de hoofdstoomkleppen zijn energiecentrales voorzien van aanvullende pijpleidingen, bevolkt door een groot aantal schuif-, bol-, terugslag-, vlinder- en kogelkranen.

Kerncentrales werken volgens hetzelfde stoom-/hogesnelheidsturbineprincipe. Het belangrijkste verschil is dat in een kerncentrale de stoom ontstaat door de warmte van het splijtingsproces. Kleppen van kerncentrales zijn vergelijkbaar met hun op fossiele brandstoffen werkende neven, afgezien van hun afkomst en de extra vereiste van absolute betrouwbaarheid. Nucleaire kleppen worden vervaardigd volgens extreem hoge normen, waarbij de kwalificatie- en inspectiedocumentatie honderden pagina's beslaat.

OLIE- EN GASPRODUCTIE
Olie- en gasbronnen en productiefaciliteiten zijn grote gebruikers van kleppen, waaronder veel zware kleppen. Hoewel het niet langer waarschijnlijk is dat oliestromen honderden meters de lucht in spuiten, illustreert de afbeelding de potentiële druk van ondergrondse olie en gas. Dit is de reden waarom putkoppen of kerstbomen bovenaan de lange pijpleiding van een put worden geplaatst. Deze assemblages, met hun combinatie van kleppen en speciale fittingen, zijn ontworpen om drukken tot 10.000 psi aan te kunnen. Hoewel deze tegenwoordig zelden worden aangetroffen in putten die op het land zijn gegraven, wordt de extreem hoge druk vaak aangetroffen in diepe offshore-putten.

Het ontwerp van bronapparatuur valt onder API-specificaties zoals 6A, Specificatie voor bron- en kerstboomapparatuur. De kleppen die onder 6A vallen, zijn ontworpen voor extreem hoge drukken maar bescheiden temperaturen. De meeste kerstbomen bevatten schuifafsluiters en speciale klepafsluiters, smoorspoelen genoemd. De smoorspoelen worden gebruikt om de stroom uit de put te regelen.

Naast de putmonden zelf bevolken veel ondersteunende faciliteiten een olie- of gasveld. Procesapparatuur om de olie of het gas voor te behandelen vereist een aantal kleppen. Deze kleppen zijn meestal van koolstofstaal en geschikt voor lagere klassen.

Af en toe is er een zeer corrosieve vloeistof – waterstofsulfide – aanwezig in de ruwe aardoliestroom. Dit materiaal, ook wel zuur gas genoemd, kan dodelijk zijn. Om de uitdagingen van zuur gas het hoofd te bieden, moeten speciale materialen of materiaalverwerkingstechnieken in overeenstemming met de NACE International-specificatie MR0175 worden gevolgd.

OFFSHORE-INDUSTRIE
De leidingsystemen voor offshore booreilanden en productiefaciliteiten bevatten een groot aantal kleppen die volgens veel verschillende specificaties zijn gebouwd om de grote verscheidenheid aan uitdagingen op het gebied van stroomregeling aan te kunnen. Deze faciliteiten bevatten ook verschillende regelsysteemlussen en drukontlastingsapparaten.

Voor olieproductiefaciliteiten is het arteriële hart het eigenlijke leidingsysteem voor de olie- of gaswinning. Hoewel niet altijd op het platform zelf, maken veel productiesystemen gebruik van kerstbomen en leidingsystemen die opereren in de onherbergzame diepten van 3.000 meter of meer. Deze productieapparatuur is gebouwd volgens vele veeleisende American Petroleum Institute (API)-normen en er wordt naar verwezen in verschillende API Rated Practices (RP's).

Op de meeste grote olieplatforms worden aanvullende processen toegepast op de ruwe vloeistof die uit de putmond komt. Deze omvatten het scheiden van water van de koolwaterstoffen en het scheiden van gas en aardgasvloeistoffen uit de vloeistofstroom. Deze post-kerstboomleidingsystemen zijn over het algemeen gebouwd volgens de B31.3-leidingcodes van de American Society of Mechanical Engineers, waarbij de kleppen zijn ontworpen in overeenstemming met API-klepspecificaties zoals API 594, API 600, API 602, API 608 en API 609.

Sommige van deze systemen kunnen ook API 6D-poort-, kogel- en terugslagkleppen bevatten. Aangezien eventuele pijpleidingen op het platform of boorschip zich binnen de faciliteit bevinden, zijn de strenge eisen voor het gebruik van API 6D-kleppen voor pijpleidingen niet van toepassing. Hoewel er in deze leidingsystemen meerdere kleptypen worden gebruikt, is het kleptype bij uitstek de kogelkraan.

PIJPLEIDINGEN
Hoewel de meeste pijpleidingen aan het zicht onttrokken zijn, is hun aanwezigheid meestal duidelijk zichtbaar. Kleine bordjes met de tekst ‘aardoliepijpleiding’ zijn een voor de hand liggende indicator voor de aanwezigheid van ondergrondse transportleidingen. Deze pijpleidingen zijn over de hele lengte uitgerust met veel belangrijke kleppen. Noodafsluiters voor pijpleidingen zijn te vinden met intervallen zoals gespecificeerd door normen, codes en wetten. Deze kleppen vervullen de essentiële functie van het isoleren van een deel van een pijpleiding in geval van een lek of wanneer onderhoud vereist is.

Ook verspreid langs een pijpleidingroute zijn voorzieningen waar de lijn uit de grond komt en lijntoegang beschikbaar is. Deze stations zijn de thuisbasis voor 'pig'-lanceerapparatuur, die bestaat uit apparaten die in de pijpleidingen worden geplaatst om de lijn te inspecteren of schoon te maken. Deze varkenslanceerstations bevatten meestal verschillende kleppen, zowel poort- als kogeltypes. Alle kleppen op een pijpleidingsysteem moeten een volledige poort (volledig openend) hebben om de doorgang van varkens mogelijk te maken.

Pijpleidingen hebben ook energie nodig om de wrijving van de pijpleiding te bestrijden en de druk en stroming van de lijn op peil te houden. Er worden compressor- of pompstations gebruikt die eruitzien als kleine versies van een procesinstallatie, zonder de hoge kraaktorens. Deze stations zijn de thuisbasis van tientallen schuif-, kogel- en terugslagkleppen.
De pijpleidingen zelf zijn ontworpen in overeenstemming met verschillende normen en codes, terwijl pijpleidingkleppen API 6D Pipeline Valves volgen.
Er zijn ook kleinere pijpleidingen die huizen en commerciële structuren voeden. Deze leidingen leveren water en gas en worden bewaakt door afsluiters.
Grote gemeenten, vooral in het noorden van de Verenigde Staten, leveren stoom voor de verwarmingsbehoeften van commerciële klanten. Deze stoomtoevoerleidingen zijn voorzien van diverse kleppen om de stoomtoevoer te controleren en te regelen. Hoewel de vloeistof stoom is, zijn de drukken en temperaturen lager dan die bij de stoomopwekking van elektriciteitscentrales. Bij deze service wordt een verscheidenheid aan kleptypen gebruikt, hoewel de eerbiedwaardige plugklep nog steeds een populaire keuze is.

RAFFINADERIJ EN PETROCHEMIE
Raffinaderijkleppen zijn verantwoordelijk voor meer industrieel klepgebruik dan enig ander klepsegment. Raffinaderijen zijn de thuisbasis van zowel corrosieve vloeistoffen als in sommige gevallen hoge temperaturen.
Deze factoren bepalen hoe kleppen worden gebouwd in overeenstemming met API-klepontwerpspecificaties zoals API 600 (schuifafsluiters), API 608 (kogelkranen) en API 594 (terugslagkleppen). Vanwege het zware onderhoud dat veel van deze kleppen ondergaan, is vaak extra corrosietoeslag nodig. Deze tolerantie komt tot uiting in grotere wanddiktes die zijn gespecificeerd in de API-ontwerpdocumenten.

Vrijwel elk belangrijk kleptype is in overvloed te vinden in een typische grote raffinaderij. De alomtegenwoordige schuifafsluiter is nog steeds de koning van de heuvel met het grootste aantal inwoners, maar kwartslagafsluiters nemen een steeds groter deel van hun marktaandeel in beslag. Tot de kwartslagproducten die een succesvolle opmars maken in deze sector (die ooit ook werd gedomineerd door lineaire producten) behoren onder meer hoogwaardige drievoudige offset vlinderkleppen en kogelkranen met metalen zittingen.

Standaard schuif-, bol- en terugslagkleppen worden nog steeds massaal aangetroffen en zullen vanwege het hartverwarmende ontwerp en de zuinigheid van de productie niet snel verdwijnen.
De drukwaarden voor raffinaderijkleppen variëren van klasse 150 tot klasse 1500, waarbij klasse 300 het populairst is.
Gewoon koolstofstaal, zoals WCB (gegoten) en A-105 (gesmeed) zijn de meest populaire materialen die worden gespecificeerd en gebruikt in kleppen voor raffinaderijdiensten. Veel raffinageprocestoepassingen verleggen de bovenste temperatuurgrenzen van gewoon koolstofstaal, en voor deze toepassingen worden legeringen voor hogere temperaturen gespecificeerd. De meest populaire hiervan zijn de chroom/moly-staalsoorten zoals 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr en 9% Cr. Roestvast staal en legeringen met een hoog nikkelgehalte worden ook gebruikt in een aantal bijzonder zware raffinageprocessen.

CHEMISCH
De chemische industrie is een grote gebruiker van kleppen van alle soorten en materialen. Van kleine batchfabrieken tot de enorme petrochemische complexen aan de Golfkust: kleppen vormen een groot onderdeel van leidingsystemen voor chemische processen.

Bij de meeste toepassingen in chemische processen is de druk lager dan bij veel raffinageprocessen en energieopwekking. De meest populaire drukklassen voor kleppen en leidingen in chemische fabrieken zijn klasse 150 en 300. Chemische fabrieken zijn ook de grootste aanjager geweest van de marktaandeelovername die kogelkranen de afgelopen 40 jaar van lineaire kleppen hebben afgedwongen. De kogelkraan met veerkrachtige zitting, met zijn lekvrije afsluiting, is perfect geschikt voor veel toepassingen in chemische fabrieken. Ook het compacte formaat van de kogelkraan is een populair kenmerk.
Er zijn nog steeds enkele chemische fabrieken en fabrieksprocessen waar lineaire kleppen de voorkeur hebben. In deze gevallen zijn de populaire, door API 603 ontworpen kleppen, met dunnere wanden en lichtere gewichten, meestal de schuif- of klepafsluiter bij uitstek. Controle van sommige chemicaliën wordt ook effectief bereikt met membraan- of knijpkleppen.
Vanwege de corrosieve aard van veel chemicaliën en chemische productieprocessen is materiaalkeuze van cruciaal belang. Het defacto materiaal is austenitisch roestvast staal 316/316L. Dit materiaal werkt goed om corrosie door een groot aantal soms vervelende vloeistoffen te bestrijden.

Voor sommige zwaardere corrosieve toepassingen is meer bescherming nodig. In deze situaties wordt vaak gekozen voor andere hoogwaardige soorten austenitisch roestvast staal, zoals 317, 347 en 321. Andere legeringen die van tijd tot tijd worden gebruikt om chemische vloeistoffen onder controle te houden, zijn onder meer Monel, Alloy 20, Inconel en 17-4 PH.

LNG- EN GASSCHEIDING
Zowel vloeibaar aardgas (LNG) als de processen die nodig zijn voor gasscheiding zijn afhankelijk van uitgebreide leidingen. Deze toepassingen vereisen kleppen die kunnen werken bij zeer lage cryogene temperaturen. De LNG-industrie, die snel groeit in de Verenigde Staten, is voortdurend op zoek naar manieren om het proces van het vloeibaar maken van gas te upgraden en te verbeteren. Daartoe zijn de leidingen en kleppen veel groter geworden en zijn de drukeisen verhoogd.

Deze situatie heeft klepfabrikanten ertoe gedwongen ontwerpen te ontwikkelen die aan strengere parameters voldoen. Kwartslagkogel- en vlinderkleppen zijn populair voor LNG-diensten, waarbij 316ss [roestvrij staal] het populairste materiaal is. ANSI-klasse 600 is het gebruikelijke drukplafond voor de meeste LNG-toepassingen. Hoewel kwartslagproducten de meest populaire kleptypen zijn, zijn er ook schuif-, bol- en terugslagkleppen in de fabrieken te vinden.

Gasscheidingsdienst houdt in dat gas wordt opgedeeld in de afzonderlijke basiselementen. Luchtscheidingsmethoden leveren bijvoorbeeld stikstof, zuurstof, helium en andere sporengassen op. Het zeer lage temperatuurkarakter van het proces betekent dat er veel cryogene kleppen nodig zijn.

Zowel LNG- als gasscheidingsinstallaties beschikken over lagetemperatuurkleppen die onder deze cryogene omstandigheden operationeel moeten blijven. Dit betekent dat het kleppakkingsysteem weg van de vloeistof met lage temperatuur moet worden verhoogd door het gebruik van een gas- of condensatiekolom. Deze gaskolom voorkomt dat de vloeistof een ijsbal rond het pakkinggebied vormt, waardoor de klepsteel niet zou kunnen draaien of stijgen.

COMMERCIËLE GEBOUWEN
Commerciële gebouwen omringen ons, maar tenzij we goed opletten terwijl ze worden gebouwd, hebben we weinig idee van de veelheid aan vloeibare slagaders die verborgen zijn binnen hun muren van metselwerk, glas en metaal.

Een gemeenschappelijke noemer in vrijwel elk gebouw is water. Al deze constructies bevatten een verscheidenheid aan leidingsystemen die vele combinaties van de waterstof/zuurstofverbinding vervoeren in de vorm van drinkwatervloeistoffen, afvalwater, warm water, grijs water en brandbeveiliging.

Vanuit het oogpunt van overleving van gebouwen zijn brandsystemen het meest kritisch. Brandbeveiliging in gebouwen wordt vrijwel universeel gevoed en gevuld met schoon water. Wil brandwatersystemen effectief zijn, dan moeten ze betrouwbaar zijn, voldoende druk hebben en op een handige plek in de hele constructie zijn geplaatst. Deze systemen zijn ontworpen om automatisch te worden geactiveerd in geval van brand.
Hoge gebouwen hebben op de bovenste verdiepingen dezelfde waterdruk nodig als op de onderste verdiepingen, dus er moeten hogedrukpompen en leidingen worden gebruikt om het water naar boven te krijgen. De leidingsystemen zijn doorgaans klasse 300 of 600, afhankelijk van de gebouwhoogte. In deze toepassingen worden alle soorten kleppen gebruikt; de klepontwerpen moeten echter worden goedgekeurd door Underwriters Laboratories of Factory Mutual voor brandbestrijding.

Dezelfde klassen en typen kleppen die worden gebruikt voor brandweerkleppen worden gebruikt voor de drinkwaterdistributie, hoewel het goedkeuringsproces niet zo streng is.
Commerciële airconditioningsystemen die in grote bedrijfsstructuren zoals kantoorgebouwen, hotels en ziekenhuizen worden aangetroffen, zijn meestal gecentraliseerd. Ze hebben een grote koeleenheid of boiler om vloeistof te koelen of te verwarmen die wordt gebruikt voor het overbrengen van koude of hoge temperaturen. Deze systemen moeten vaak omgaan met koelmiddelen zoals R-134a, een fluorkoolwaterstof, of, in het geval van grote verwarmingssystemen, stoom. Vanwege het compacte formaat van vlinder- en kogelkranen zijn deze typen populair geworden in HVAC-koelsystemen.

Aan de stoomzijde hebben sommige kwartslagkleppen hun intrede gedaan in het gebruik, maar toch vertrouwen veel loodgieters nog steeds op lineaire schuif- en klepafsluiters, vooral als de leidingen stompgelaste uiteinden vereisen. Voor deze gematigde stoomtoepassingen heeft staal de plaats ingenomen van gietijzer vanwege de lasbaarheid van staal.

Sommige verwarmingssystemen gebruiken heet water in plaats van stoom als overdrachtsvloeistof. Deze systemen worden goed bediend door bronzen of ijzeren kleppen. Kogel- en vlinderkleppen met kwartslag zijn erg populair, hoewel er nog steeds enkele lineaire ontwerpen worden gebruikt.

CONCLUSIE
Hoewel het bewijs van de in dit artikel genoemde kleptoepassingen misschien niet zichtbaar is tijdens een reis naar Starbucks of naar oma's huis, zijn er enkele zeer belangrijke kleppen altijd in de buurt. Er zijn zelfs kleppen in de motor van de auto die gebruikt worden om die plaatsen te bereiken, zoals die in de carburateur die de brandstofstroom naar de motor regelen en die in de motor die de benzinestroom naar de zuigers en weer naar buiten regelen. En als deze kleppen niet dicht genoeg bij ons dagelijks leven staan, denk dan eens aan de realiteit dat ons hart regelmatig klopt via vier vitale stroomcontroleapparaten.

Dit is nog maar een voorbeeld van de realiteit: kleppen zijn werkelijk overal. VM
Deel II van dit artikel behandelt aanvullende industrieën waar kleppen worden gebruikt. Ga naar www.valvemagazine.com om te lezen over pulp en papier, maritieme toepassingen, dammen en waterkracht, zonne-energie, ijzer en staal, ruimtevaart, geothermie en ambachtelijk brouwen en distilleren.

GREG JOHNSON is president van United Valve (www.unitedvalve.com) in Houston. Hij is redacteur van VALVE Magazine, voormalig voorzitter van de Valve Repair Council en huidig ​​VRC-bestuurslid. Hij is ook lid van de Onderwijs- en Trainingscommissie van VMA, is vice-voorzitter van de Communicatiecommissie van VMA en is voormalig voorzitter van de Manufacturers Standardization Society.