Waar kleppen worden gebruikt: Overal!

08 nov. 2017 Geschreven door Greg Johnson

Tegenwoordig zijn kleppen bijna overal te vinden: in onze huizen, onder de straat, in commerciële gebouwen en op duizenden plaatsen in energiecentrales, waterkrachtcentrales, papierfabrieken, raffinaderijen, chemische fabrieken en andere industriële en infrastructurele voorzieningen.
De kleppenindustrie is een zeer brede sector, met segmenten variërend van waterdistributie en kernenergie tot upstream en downstream olie en gas. Elk van deze eindgebruikersindustrieën gebruikt een aantal basistypen kleppen; de constructiedetails en materialen zijn echter vaak zeer verschillend. Hier is een voorbeeld:

WATERWERKEN
In de wereld van de waterdistributie zijn de drukken bijna altijd relatief laag en de temperaturen omgevingstemperatuur. Deze twee toepassingsfactoren maken een aantal klepontwerpelementen mogelijk die niet te vinden zijn in meer veeleisende apparatuur, zoals stoomkleppen met hoge temperatuur. De omgevingstemperatuur van de waterleiding maakt het gebruik van elastomeren en rubberen afdichtingen mogelijk die elders niet geschikt zijn. Deze zachte materialen maken het mogelijk om waterkleppen te voorzien van een lekdichte afdichting.

Een andere overweging bij waterleidingafsluiters is de keuze van de constructiematerialen. Gietijzer en nodulair gietijzer worden veel gebruikt in watersystemen, met name in leidingen met een grote buitendiameter. Zeer kleine leidingen kunnen prima met bronzen klepmaterialen worden verwerkt.

De druk die de meeste waterleidingafsluiters ondervinden, ligt meestal ruim onder de 200 psi. Dit betekent dat dikkerwandige, hogeredrukontwerpen niet nodig zijn. Er zijn echter gevallen waarin waterafsluiters zijn gebouwd om hogere drukken aan te kunnen, tot ongeveer 300 psi. Deze toepassingen vinden meestal plaats op lange aquaducten dicht bij de drukbron. Soms worden waterafsluiters met hogere druk ook aangetroffen op de punten met de hoogste druk in een hoge dam.

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

AFVALWATER
De keerzijde van vers drinkwater dat een installatie of gebouw binnenkomt, is de afvoer van afvalwater of riolering. Deze leidingen verzamelen alle afvalwater 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 die voor schoonwatervoorziening. IJzeren schuif- en terugslagkleppen zijn de meest populaire keuzes voor dit type service. Standaardkleppen voor dit type service worden gebouwd volgens de AWWA-specificaties.

ENERGIE-INDUSTRIE
Het grootste deel van de elektriciteit die in de Verenigde Staten wordt opgewekt, wordt opgewekt in stoomcentrales met behulp van fossiele brandstoffen en hogesnelheidsturbines. Als je de buitenkant van een moderne elektriciteitscentrale openhaalt, zie je de hogedruk- en hogetemperatuurleidingen. Deze hoofdleidingen zijn het meest kritisch in het stoomopwekkingsproces.

Schuifafsluiters blijven een populaire keuze voor aan/uit-toepassingen in energiecentrales, hoewel er ook speciale Y-vormige klepafsluiters worden gebruikt. Hoogwaardige kogelkranen voor kritische toepassingen winnen aan populariteit bij sommige ontwerpers van energiecentrales en maken steeds meer opmars in deze ooit door lineaire kleppen gedomineerde wereld.

Metallurgie is cruciaal voor kleppen in energiecentrales, met name voor kleppen die werken in het superkritische of ultra-superkritische werkbereik van druk en temperatuur. F91, F92, C12A, samen met diverse Inconel- en roestvaststalen legeringen, worden veel gebruikt in moderne energiecentrales. Drukklassen zijn onder andere 1500, 2500 en in sommige gevallen 4500. De modulerende aard van piekcentrales (centrales die alleen werken wanneer nodig) legt ook een enorme druk op kleppen en leidingen, wat robuuste ontwerpen vereist die bestand zijn tegen de extreme combinatie van cycli, temperatuur en druk.
Naast de hoofdstoomkleppen beschikken elektriciteitscentrales over een groot aantal hulpleidingen met een groot aantal schuif-, bol-, terugslag-, vlinder- en kogelkleppen.

Kerncentrales werken volgens hetzelfde principe van stoom/hogesnelheidsturbine. Het belangrijkste verschil is dat in een kerncentrale de stoom wordt opgewekt door de warmte van het splijtingsproces. Kleppen van kerncentrales lijken op die van fossiele brandstoffen, afgezien van hun afkomst en de extra eis van absolute betrouwbaarheid. Kerncentralekleppen worden vervaardigd volgens extreem hoge normen, waarbij de documentatie voor kwalificatie en inspectie honderden pagina's beslaat.

OLIE- EN GASPRODUCTIE
Olie- en gasputten en productiefaciliteiten maken intensief gebruik van kleppen, waaronder veel zware kleppen. Hoewel olie die honderden meters de lucht in spuit niet meer waarschijnlijk is, illustreert de afbeelding de potentiële druk van ondergrondse olie en gas. Daarom worden putkoppen of kerstbomen bovenaan de lange pijpleiding van een put geplaatst. Deze constructies, met hun combinatie van kleppen en speciale fittingen, zijn ontworpen om drukken tot 10.000 psi aan te kunnen. Hoewel ze tegenwoordig zelden worden aangetroffen bij putten die op het land worden gegraven, worden de extreem hoge drukken vaak aangetroffen bij diepe offshore putten.

Het ontwerp van putkopapparatuur valt onder API-specificaties zoals 6A, de specificatie voor putkop- en kerstboomapparatuur. De kleppen die in 6A worden behandeld, zijn ontworpen voor extreem hoge drukken en gematigde temperaturen. De meeste kerstboomapparatuur bevat schuifafsluiters en speciale bolkleppen, zogenaamde chokes. De chokes worden gebruikt om de waterstroom vanuit de put te regelen.

Naast de boorgaten zelf bevinden zich in een olie- of gasveld ook veel bijbehorende faciliteiten. Procesapparatuur voor de voorbehandeling van olie of gas vereist een aantal kleppen. Deze kleppen zijn meestal gemaakt van koolstofstaal, geschikt voor lagere klassen.

Soms is er een zeer corrosieve vloeistof – waterstofsulfide – aanwezig in de ruwe aardoliestroom. Deze stof, ook wel zuur gas genoemd, kan dodelijk zijn. Om de uitdagingen van zuur gas het hoofd te bieden, moeten speciale materialen of materiaalverwerkingstechnieken worden gebruikt conform NACE International-specificatie MR0175.

OFFSHORE INDUSTRIE
De leidingsystemen voor offshore olieplatforms en productiefaciliteiten bevatten een veelvoud aan kleppen die volgens diverse specificaties zijn gebouwd om de grote verscheidenheid aan uitdagingen op het gebied van debietregeling aan te kunnen. Deze faciliteiten bevatten ook diverse regelkringen en drukontlastingsinrichtingen.

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 op onherbergzame diepten van 3000 meter of meer. Deze productieapparatuur is gebouwd volgens de strenge normen van het American Petroleum Institute (API) en wordt vermeld in diverse aanbevolen werkwijzen (Recommended Practices, RP's) van het API.

Op de meeste grote olieplatforms worden aanvullende processen toegepast op de ruwe vloeistof die uit de boorkop komt. Deze omvatten het scheiden van water van de koolwaterstoffen en het scheiden van gas en vloeibaar aardgas uit de vloeistofstroom. Deze post-Christmas tree-leidingsystemen zijn over het algemeen gebouwd volgens de B31.3-richtlijnen van de American Society of Mechanical Engineers, waarbij de kleppen zijn ontworpen volgens API-klepspecificaties zoals API 594, API 600, API 602, API 608 en API 609.

Sommige van deze systemen kunnen ook API 6D schuif-, kogel- en terugslagkleppen bevatten. Aangezien alle 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 de kogelkraan het kleptype van keuze.

PIJPLEIDING
Hoewel de meeste pijpleidingen aan het zicht onttrokken zijn, is hun aanwezigheid meestal duidelijk zichtbaar. Kleine bordjes met de tekst "aardoliepijpleiding" zijn een duidelijke indicator voor de aanwezigheid van ondergrondse transportleidingen. Deze pijpleidingen zijn over de gehele lengte uitgerust met vele belangrijke kleppen. Noodafsluiters voor pijpleidingen bevinden zich op de door normen, codes en wetten voorgeschreven afstanden. Deze kleppen hebben de essentiële functie om een deel van een pijpleiding te isoleren in geval van lekkage of wanneer onderhoud nodig is.

Ook verspreid langs een pijpleidingroute bevinden zich faciliteiten waar de leiding uit de grond komt en waar toegang tot de leiding mogelijk is. Deze stations vormen de thuisbasis van 'pig'-lanceerapparatuur, bestaande uit apparaten die in de pijpleidingen worden geplaatst om de leiding te inspecteren of te reinigen. Deze pig-lanceerstations bevatten meestal meerdere kleppen, van het type schuifafsluiter of kogelafsluiter. Alle kleppen in een pijpleidingsysteem moeten volledig open zijn om de doorgang van pigs mogelijk te maken.

Pijpleidingen hebben ook energie nodig om de wrijving in de pijpleiding te bestrijden en de druk en de doorstroming in de leiding te handhaven. Er worden compressor- of pompstations gebruikt die eruitzien als kleine versies van een procesinstallatie zonder de hoge kraaktorens. Deze stations bevatten tientallen schuif-, kogel- en terugslagkleppen.
De pijpleidingen zelf zijn ontworpen volgens verschillende normen en codes, terwijl pijpleidingkleppen voldoen aan de API 6D-pijpleidingkleppen.
Er zijn ook kleinere pijpleidingen die huizen en bedrijfspanden van water voorzien. Deze leidingen leveren water en gas en worden beveiligd door afsluitkleppen.
Grote gemeenten, met name in het noorden van de Verenigde Staten, leveren stoom voor de verwarmingsbehoeften van commerciële klanten. Deze stoomtoevoerleidingen zijn uitgerust met diverse kleppen om de stoomtoevoer te regelen. Hoewel de vloeistof stoom is, zijn de drukken en temperaturen lager dan bij stoomopwekking in elektriciteitscentrales. Er worden verschillende kleptypen gebruikt voor deze toepassing, hoewel de vertrouwde plugklep nog steeds een populaire keuze is.

RAFFINADERIJ EN PETROCHEMIE
Raffinaderijkleppen zijn verantwoordelijk voor het grootste industriële klepgebruik van alle klepsegmenten. Raffinaderijen zijn de thuisbasis van zowel corrosieve vloeistoffen als, in sommige gevallen, hoge temperaturen.
Deze factoren bepalen hoe kleppen worden gebouwd volgens API-ontwerpspecificaties voor kleppen, zoals API 600 (schuifafsluiters), API 608 (kogelkranen) en API 594 (terugslagkleppen). Vanwege de zware omstandigheden waaraan veel van deze kleppen worden blootgesteld, is vaak een extra corrosiemarge nodig. Deze marge komt tot uiting in grotere wanddiktes die zijn gespecificeerd in de API-ontwerpdocumenten.

Vrijwel elk belangrijk kleptype is in overvloed aanwezig in een typische grote raffinaderij. De alomtegenwoordige schuifafsluiter is nog steeds de koning van de markt met de grootste populatie, maar kwartslagkleppen nemen een steeds groter deel van hun marktaandeel in. De kwartslagproducten die succesvol hun intrede doen in deze sector (die ooit ook gedomineerd werd door lineaire producten) zijn onder andere hoogwaardige drievoudig offset vlinderkleppen en kogelkranen met metalen zitting.

Standaard schuif-, bol- en terugslagkleppen worden nog steeds massaal aangetroffen en zullen vanwege hun degelijke ontwerp en economische productie niet snel verdwijnen.
De drukclassificaties voor raffinaderijkleppen variëren van klasse 150 tot klasse 1500, waarbij klasse 300 de populairste is.
Koolstofstaalsoorten, zoals WCB (gegoten) en A-105 (gesmeed), zijn de meest populaire materialen die worden gespecificeerd en gebruikt in kleppen voor raffinaderijen. Veel raffinageprocessen verleggen de bovengrens van koolstofstaalsoorten, en voor deze toepassingen worden legeringen voor hogere temperaturen gespecificeerd. De meest populaire hiervan zijn chroom/molybdeenstaalsoorten met 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 sommige bijzonder zware raffinageprocessen.

CHEMISCHE
De chemische industrie is een grootgebruiker van kleppen van alle soorten en materialen. Van kleine batchfabrieken tot de enorme petrochemische complexen aan de Golfkust: kleppen vormen een belangrijk onderdeel van leidingsystemen in chemische processen.

De meeste toepassingen in chemische processen hebben een lagere druk dan 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 hebben verdrongen van lineaire kleppen. De kogelkraan met veerkrachtige zitting en lekvrije afsluiting is perfect geschikt voor veel toepassingen in chemische fabrieken. Het compacte formaat van de kogelkraan is eveneens een populair kenmerk.
Er zijn nog steeds chemische fabrieken en fabrieksprocessen waar lineaire kleppen de voorkeur genieten. In deze gevallen zijn de populaire API 603-kleppen, met dunnere wanden en een lager gewicht, meestal de schuif- of bolafsluiter van keuze. De regeling van sommige chemicaliën wordt ook effectief bereikt met membraan- of knijpkleppen.
Vanwege de corrosieve aard van veel chemicaliën en chemische productieprocessen is de materiaalkeuze cruciaal. Het standaardmateriaal is austenitisch roestvast staal van de klasse 316/316L. Dit materiaal is zeer effectief in het bestrijden van corrosie door een groot aantal, soms agressieve, vloeistoffen.

Voor sommige zwaardere corrosieve toepassingen is meer bescherming nodig. Andere hoogwaardige soorten austenitisch roestvast staal, zoals 317, 347 en 321, worden in deze situaties vaak gekozen. Andere legeringen die van tijd tot tijd worden gebruikt om chemische vloeistoffen te beheersen, zijn onder andere 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 bij zeer lage cryogene temperaturen kunnen werken. De LNG-industrie, die snel groeit in de Verenigde Staten, is voortdurend op zoek naar verbeteringen in het proces van gasliquefactie. Om dit te bereiken, zijn leidingen en kleppen veel groter geworden en zijn de drukvereisten verhoogd.

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

Gasscheiding omvat het scheiden van gas in de afzonderlijke basiselementen. Luchtscheidingsmethoden leveren bijvoorbeeld stikstof, zuurstof, helium en andere sporengassen op. De zeer lage temperatuur van het proces betekent dat er veel cryogene kleppen nodig zijn.

Zowel LNG- als gasscheidingsinstallaties hebben lagetemperatuurkleppen die onder deze cryogene omstandigheden operationeel moeten blijven. Dit betekent dat het kleppakkingsysteem van de lagetemperatuurvloeistof moet worden verwijderd door middel van een gas- of condensatiekolom. Deze gaskolom voorkomt dat de vloeistof een ijsbal vormt rond de pakking, waardoor de klepsteel niet zou kunnen draaien of opstijgen.

COMMERCIËLE GEBOUWEN
Om ons heen staan veel commerciële gebouwen, maar als we niet goed opletten terwijl ze gebouwd worden, hebben we weinig idee van de hoeveelheid vloeistofaders die verborgen zitten in de muren van metselwerk, glas en metaal.

Een gemeenschappelijke deler in vrijwel elk gebouw is water. Al deze gebouwen bevatten diverse leidingsystemen die vele combinaties van de waterstof/zuurstofverbinding transporteren in de vorm van drinkwater, afvalwater, warm water, grijs water en brandbeveiliging.

Vanuit het oogpunt van de overleving van gebouwen zijn brandbeveiligingssystemen het meest cruciaal. Brandbeveiliging in gebouwen wordt vrijwel universeel gevoed en gevuld met schoon water. Om effectief te zijn, moeten bluswatersystemen betrouwbaar zijn, voldoende druk hebben en handig verspreid over het gebouw zijn geplaatst. Deze systemen zijn ontworpen om automatisch te worden geactiveerd in geval van brand.
Hoogbouw vereist dezelfde waterdruk op de bovenste verdiepingen als op de onderste verdiepingen, dus moeten hogedrukpompen en leidingen worden gebruikt om het water omhoog te brengen. De leidingsystemen zijn meestal klasse 300 of 600, afhankelijk van de gebouwhoogte. Alle soorten kleppen worden in deze toepassingen gebruikt; de klepontwerpen moeten echter wel door Underwriters Laboratories of Factory Mutual zijn goedgekeurd voor brandleiding.

Voor de distributie van drinkwater worden dezelfde klassen en typen kleppen gebruikt als voor brandweerkleppen. Het goedkeuringsproces is echter niet zo streng.
Commerciële airconditioningsystemen in grote bedrijfsgebouwen zoals kantoorgebouwen, hotels en ziekenhuizen zijn meestal gecentraliseerd. Ze hebben een grote koelunit of boiler om de vloeistof te koelen of te verwarmen die wordt gebruikt voor het transport van koude of hoge temperaturen. Deze systemen moeten vaak koelmiddelen verwerken 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.

Op het gebied van stoom hebben enkele kwartslagkleppen hun intrede gedaan, maar veel loodgieters vertrouwen 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 werken goed met bronzen of ijzeren kleppen. Kwartslag-kogelkleppen en vlinderkleppen met veerkrachtige zitting zijn erg populair, hoewel er ook nog steeds lineaire ontwerpen worden gebruikt.

CONCLUSIE
Hoewel bewijs van de in dit artikel genoemde toepassingen van kleppen misschien niet zichtbaar is tijdens een bezoek aan Starbucks of oma, zijn sommige zeer belangrijke kleppen altijd dichtbij. Er zijn zelfs kleppen in de motor van een auto die gebruikt worden om die plekken 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 die kleppen niet dicht genoeg bij ons dagelijks leven liggen, bedenk dan eens dat ons hart regelmatig door vier essentiële stroomregelmechanismen klopt.

Dit is slechts een ander voorbeeld van de realiteit dat kleppen werkelijk overal zijn. VM
Deel II van dit artikel behandelt andere sectoren waar kleppen worden gebruikt. Ga naar www.valvemagazine.com voor meer informatie over pulp en papier, maritieme toepassingen, dammen en waterkracht, zonne-energie, ijzer en staal, lucht- en ruimtevaart, geothermische energie en ambachtelijke brouwerijen en distilleerderijen.

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 bestuurslid van de VRC. Hij is tevens lid van de Education & Training Committee van de VMA, vicevoorzitter van de Communications Committee van de VMA en voormalig voorzitter van de Manufacturers Standardization Society.