Waar worden kleppen gebruikt? Overal!

8 november 2017 Geschreven door Greg Johnson

Kleppen zijn tegenwoordig vrijwel 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 zeer divers, met segmenten die variëren van waterdistributie tot kernenergie en van de winning en verwerking van olie en gas. Elk van deze eindgebruikerssectoren gebruikt een aantal basistypen kleppen; de details van de constructie en de gebruikte materialen verschillen echter vaak aanzienlijk. Hier volgt een greep uit de mogelijkheden:

WATERWERKEN
In de wereld van waterdistributie zijn de drukken vrijwel altijd relatief laag en de temperaturen omgevingstemperatuur. Deze twee feiten maken een aantal ontwerpelementen voor kleppen mogelijk die niet te vinden zouden zijn bij apparatuur die aan hogere eisen voldoet, zoals stoomkleppen voor hoge temperaturen. De omgevingstemperatuur van water maakt het gebruik van elastomeren en rubberen afdichtingen mogelijk die elders niet geschikt zijn. Deze zachte materialen zorgen ervoor dat waterkleppen lekvrij kunnen worden afgesloten.

Een andere belangrijke overweging bij waterafsluiters is de materiaalkeuze. Gietijzer en nodulair gietijzer worden veel gebruikt in watersystemen, met name in leidingen met een grote buitendiameter. Zeer kleine leidingen kunnen prima worden afgewerkt met bronzen afsluiters.

De druk waaraan de meeste waterleidingafsluiters worden blootgesteld, ligt doorgaans ruim onder de 200 psi. Dit betekent dat dikkere wanden en hogere drukbestendigheid niet nodig zijn. Er zijn echter gevallen waarin waterafsluiters worden gebouwd om hogere drukken aan te kunnen, tot ongeveer 300 psi. Deze toepassingen worden meestal gebruikt in lange waterleidingen dicht bij de drukbron. Soms worden waterafsluiters voor hogere drukken ook aangetroffen op de drukpunten in een hoge dam.

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

AFVALWATER
De keerzijde van de aanvoer van vers drinkwater naar een gebouw of installatie is de afvoer van afvalwater of rioolwater. Deze leidingen verzamelen al het afvalwater, zowel vloeibaar als vast, en leiden het naar een rioolwaterzuiveringsinstallatie. Deze zuiveringsinstallaties beschikken over een groot netwerk van lagedrukleidingen en afsluiters om het "vuile werk" te verrichten. De eisen voor afvalwaterafsluiters zijn in veel gevallen veel minder streng dan de eisen voor drinkwaterleidingen. Schuifafsluiters en terugslagkleppen van ijzer zijn de meest populaire keuze voor dit type toepassing. Standaardafsluiters voor deze toepassing worden vervaardigd volgens de AWWA-specificaties.

ENERGIE-INDUSTRIE
Het grootste deel van de elektriciteit die in de Verenigde Staten wordt opgewekt, is afkomstig van stoomcentrales die gebruikmaken van fossiele brandstoffen en hogesnelheidsturbines. Achter de kap van een moderne energiecentrale zie je hogedruk- en hogetemperatuurleidingen. Deze hoofdleidingen zijn cruciaal voor het opwekken van stoomenergie.

Schuifafsluiters blijven een belangrijke keuze voor aan/uit-toepassingen in energiecentrales, hoewel er ook speciale Y-vormige kogelafsluiters verkrijgbaar zijn. Hoogwaardige kogelafsluiters voor kritische toepassingen winnen aan populariteit bij sommige ontwerpers van energiecentrales en veroveren terrein in deze wereld die ooit gedomineerd werd door lineaire afsluiters.

Metallurgie is cruciaal voor kleppen in energiecentrales, met name voor toepassingen in het superkritische of ultra-superkritische druk- en temperatuurbereik. F91, F92, C12A, samen met diverse Inconel- en roestvrijstalen legeringen, worden veelvuldig gebruikt in moderne energiecentrales. Drukklassen omvatten 1500, 2500 en in sommige gevallen 4500. Het modulerende karakter van piekcentrales (die alleen werken wanneer nodig) legt ook een enorme druk op kleppen en leidingen, waardoor robuuste ontwerpen nodig zijn om de extreme combinatie van cyclische belasting, temperatuur en druk te weerstaan.
Naast de hoofdstoomkleppen zijn energiecentrales uitgerust met talloze hulpleidingen, vol met schuifafsluiters, kogelkranen, terugslagkleppen, vlinderkleppen en kogelafsluiters.

Kerncentrales werken volgens hetzelfde principe van stoom/hogesnelheidsturbine. Het belangrijkste verschil is dat in een kerncentrale de stoom wordt opgewekt door de warmte die vrijkomt bij het splijtingsproces. De kleppen in kerncentrales lijken op die in fossiele centrales, met uitzondering van hun oorsprong en de extra eis van absolute betrouwbaarheid. Kernkleppen worden geproduceerd volgens extreem hoge normen, waarbij de kwalificatie- en inspectiedocumentatie honderden pagina's beslaat.

OLIE- EN GASPRODUCTIE
Olie- en gasputten en productie-installaties maken intensief gebruik van kleppen, waaronder veel zware kleppen. Hoewel het niet meer waarschijnlijk is dat er tegenwoordig olie honderden meters de lucht in spuit, illustreert de afbeelding de potentiële druk van ondergrondse olie en gas. Daarom worden er bovenaan de lange pijpleiding van een put zogenaamde well heads of christmas trees geplaatst. Deze constructies, met hun combinatie van kleppen en speciale fittingen, zijn ontworpen om drukken van meer dan 10.000 psi te weerstaan. Hoewel ze tegenwoordig zelden voorkomen bij putten op land, worden deze extreem hoge drukken vaak aangetroffen bij diepzeeputten op zee.

Het ontwerp van apparatuur voor de boorputkop valt onder API-specificaties zoals 6A, Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment. De kleppen die onder 6A vallen, zijn ontworpen voor extreem hoge drukken, maar relatief lage temperaturen. De meeste Christmas trees bevatten schuifafsluiters en speciale kogelafsluiters, ook wel chokes genoemd. De chokes worden gebruikt om de stroom uit de boorput te regelen.

Naast de boorputten zelf, bevinden zich op een olie- of gasveld ook veel bijbehorende installaties. Procesapparatuur voor de voorbehandeling van de olie of het gas vereist een aantal kleppen. Deze kleppen zijn meestal gemaakt van koolstofstaal met een lagere classificatie.

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 problemen met zuur gas het hoofd te bieden, moeten speciale materialen of materiaalverwerkingstechnieken worden toegepast in overeenstemming met de NACE International-specificatie MR0175.

OFFSHORE-INDUSTRIE
De leidingsystemen van offshore olieplatforms en productie-installaties bevatten een groot aantal kleppen die volgens uiteenlopende specificaties zijn gebouwd om de grote verscheidenheid aan stroomregelingsuitdagingen aan te kunnen. Deze installaties bevatten ook diverse regelcircuits en overdrukbeveiligingen.

Voor olieproductie-installaties is het eigenlijke pijpleidingsysteem voor de winning van olie of gas het kloppende hart van het systeem. Hoewel niet altijd op het platform zelf, maken veel productiesystemen gebruik van zogenaamde 'Christmas trees' en pijpleidingsystemen die functioneren op onherbergzame diepten van 3000 meter of meer. Deze productieapparatuur is gebouwd volgens vele strenge normen van het American Petroleum Institute (API) en wordt beschreven in verschillende API Recommended Practices (RP's).

Op de meeste grote olieplatforms worden aanvullende processen toegepast op de ruwe vloeistof die uit de boorput komt. Deze processen omvatten het scheiden van water van de koolwaterstoffen en het scheiden van gas en vloeibaar aardgas van de vloeistofstroom. Deze leidingsystemen, die na de boorput worden aangelegd, worden over het algemeen gebouwd volgens de B31.3-leidingnormen 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 schuifafsluiters, kogelafsluiters en terugslagkleppen bevatten. Aangezien alle pijpleidingen op het platform of boorschip zich binnen de installatie bevinden, gelden de strenge eisen voor het gebruik van API 6D-afsluiters voor pijpleidingen niet. Hoewel er meerdere soorten afsluiters in deze leidingsystemen worden gebruikt, is de kogelafsluiter de meest gebruikte soort.

PIJPLEIDINGEN
Hoewel de meeste pijpleidingen niet zichtbaar zijn, is hun aanwezigheid meestal wel duidelijk. Kleine bordjes met de tekst "petroleumpijpleiding" zijn een duidelijke aanwijzing voor de aanwezigheid van ondergrondse transportleidingen. Deze pijpleidingen zijn over hun hele lengte voorzien van vele belangrijke afsluiters. Noodafsluiters bevinden zich op regelmatige intervallen, zoals voorgeschreven door normen, codes en wetten. Deze afsluiters vervullen de essentiële functie om een ​​deel van een pijpleiding af te sluiten in geval van een lek of wanneer onderhoud nodig is.

Verspreid langs een pijpleidingtraject bevinden zich ook installaties waar de leiding uit de grond komt en toegankelijk is. Deze stations dienen als standplaats voor de zogenaamde "pig"-lanceerinstallaties. Deze installaties bestaan ​​uit apparaten die in de pijpleiding worden ingebracht om de leiding te inspecteren of te reinigen. Deze pig-lanceerstations bevatten meestal meerdere afsluiters, van het schuif- of kogeltype. Alle afsluiters in een pijpleidingsysteem moeten volledig open kunnen om de doorgang van de pigs mogelijk te maken.

Pijpleidingen hebben ook energie nodig om de wrijving te overwinnen en de druk en doorstroming in de leiding te handhaven. Hiervoor worden compressor- of pompstations gebruikt die eruitzien als kleine versies van een procesinstallatie, maar dan zonder de hoge kraaktorens. Deze stations bevatten tientallen schuifafsluiters, kogelafsluiters en terugslagkleppen.
De pijpleidingen zelf zijn ontworpen volgens diverse normen en voorschriften, terwijl de pijpleidingafsluiters voldoen aan de API 6D-norm voor pijpleidingafsluiters.
Er zijn ook kleinere pijpleidingen die woningen en commerciële gebouwen van water en gas voorzien en die beveiligd zijn met afsluitkleppen.
Grote gemeenten, met name in het noorden van de Verenigde Staten, leveren stoom voor de verwarmingsbehoeften van commerciële klanten. Deze stoomleidingen zijn uitgerust met diverse afsluiters om de stoomtoevoer te regelen. Hoewel het om stoom gaat, zijn de drukken en temperaturen lager dan die in elektriciteitscentrales. Er worden verschillende soorten afsluiters gebruikt, hoewel de vertrouwde afsluitafsluiter nog steeds een populaire keuze is.

RAFFINADERIJ EN PETROCHEMIE
Raffinaderijkleppen vertegenwoordigen het grootste industriële klepgebruik van alle klepsegmenten. Raffinaderijen bevatten corrosieve vloeistoffen en in sommige gevallen ook hoge temperaturen.
Deze factoren bepalen hoe kleppen worden geconstrueerd in overeenstemming met API-specificaties voor klepontwerp, zoals API 600 (schuifafsluiters), API 608 (kogelafsluiters) en API 594 (terugslagkleppen). Vanwege de zware omstandigheden waaraan veel van deze kleppen worden blootgesteld, is vaak extra corrosietolerantie nodig. Deze tolerantie komt tot uiting in grotere wanddiktes, die zijn gespecificeerd in de API-ontwerpdocumenten.

Vrijwel elk belangrijk type afsluiter is in overvloed te vinden in een typische grote raffinaderij. De alomtegenwoordige schuifafsluiter is nog steeds de meest voorkomende, maar kwartslagafsluiters veroveren een steeds groter deel van hun marktaandeel. Tot de kwartslagafsluiters die succesvol terrein winnen in deze industrie (die ooit gedomineerd werd door lineaire afsluiters) behoren hoogwaardige drievoudig excentrische vlinderkleppen en kogelkranen met metalen zitting.

Standaard schuifafsluiters, kogelafsluiters en terugslagkleppen worden nog steeds veelvuldig gebruikt en zullen, vanwege hun robuuste ontwerp en economische productie, niet snel verdwijnen.
De drukclassificaties voor raffinaderijkleppen variëren van klasse 150 tot klasse 1500, waarbij klasse 300 het meest voorkomt.
Koolstofstaal, zoals WCB (gegoten) en A-105 (gesmeed), is het meest gebruikte materiaal voor kleppen in raffinaderijen. Veel toepassingen in raffinageprocessen leggen de bovengrens van de temperatuurlimieten van koolstofstaal op de proef, waardoor legeringen met een hogere temperatuurbestendigheid voor deze toepassingen worden gebruikt. De meest populaire hiervan zijn chroom/molybdeenstaalsoorten 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 sommige bijzonder veeleisende raffinageprocessen.

CHEMISCHE
De chemische industrie maakt veelvuldig gebruik van kleppen van alle soorten en materialen. Van kleinschalige productie-installaties tot de enorme petrochemische complexen aan de Golfkust, kleppen vormen een essentieel onderdeel van chemische procesleidingsystemen.

De meeste toepassingen in chemische processen werken met een lagere druk dan veel raffinageprocessen en energiecentrales. De meest voorkomende drukklassen voor afsluiters en leidingen in chemische fabrieken zijn klasse 150 en 300. Chemische fabrieken zijn ook de belangrijkste drijfveer geweest achter de marktaandeelwinst die kogelafsluiters de afgelopen 40 jaar van lineaire afsluiters hebben afgesnoept. De kogelafsluiter met veerkrachtige zitting en lekvrije afsluiting is perfect geschikt voor veel toepassingen in chemische fabrieken. Het compacte formaat van de kogelafsluiter is eveneens een populaire eigenschap.
Er zijn nog steeds chemische fabrieken en processen waar lineaire afsluiters de voorkeur genieten. In deze gevallen zijn de populaire afsluiters volgens API 603, met dunnere wanden en een lager gewicht, meestal de voorkeursafsluiters. De regeling van sommige chemicaliën kan ook effectief worden bereikt met membraan- of knijpafsluiters.
Vanwege de corrosieve aard van veel chemicaliën en chemische productieprocessen is materiaalkeuze cruciaal. Het standaardmateriaal is austenitisch roestvast staal van de kwaliteit 316/316L. Dit materiaal is zeer geschikt om corrosie door een groot aantal, soms zeer schadelijke, vloeistoffen tegen te gaan.

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 zo nu en dan worden gebruikt voor de beheersing van chemische vloeistoffen 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 gasseparatie, vereisen uitgebreide leidingen. Deze toepassingen vereisen kleppen die kunnen functioneren 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 gasliquefactie te verbeteren. Daarom zijn de leidingen en kleppen aanzienlijk groter geworden en zijn de drukvereisten verhoogd.

Deze situatie heeft ertoe geleid dat fabrikanten van kleppen ontwerpen hebben moeten ontwikkelen die aan strengere eisen voldoen. Kwartslagkogel- en vlinderkleppen zijn populair voor LNG-toepassingen, waarbij roestvrij staal (316ss) het meest gebruikte materiaal is. ANSI Klasse 600 is de gebruikelijke druklimiet voor de meeste LNG-toepassingen. Hoewel kwartslagkleppen de meest populaire typen zijn, worden in de installaties ook schuifafsluiters, globeafsluiters en terugslagkleppen gebruikt.

Gasseparatie houdt in dat gas wordt gescheiden in de afzonderlijke basiselementen. Zo levert luchtseparatie bijvoorbeeld stikstof, zuurstof, helium en andere sporengassen op. Omdat het proces bij zeer lage temperaturen plaatsvindt, zijn veel cryogene kleppen nodig.

Zowel LNG- als gasseparatie-installaties hebben lagedemperatuurkleppen die onder deze cryogene omstandigheden operationeel moeten blijven. Dit betekent dat het kleppakkingssysteem door middel van een gas- of condensatiekolom boven de lagedemperatuurvloeistof moet worden gehouden. Deze gaskolom voorkomt dat er een ijsbal rond de pakking ontstaat, waardoor de klepstang niet meer kan draaien of omhoog kan komen.

COMMERCIËLE GEBOUWEN
Commerciële gebouwen omringen ons, maar tenzij we goed opletten tijdens de bouw ervan, hebben we weinig idee van de talloze vloeistofkanalen die verborgen liggen in hun muren van metselwerk, glas en metaal.

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

Vanuit het oogpunt van de overleving van een gebouw zijn brandbeveiligingssystemen van cruciaal belang. Brandbeveiligingssystemen in gebouwen worden vrijwel altijd gevoed en gevuld met schoon water. Om effectief te zijn, moeten brandblussystemen betrouwbaar zijn, voldoende druk leveren en op handige locaties in het gebouw geplaatst zijn. Deze systemen zijn ontworpen om automatisch onder spanning te komen in geval van brand.
In hoogbouw is dezelfde waterdruk op de bovenste verdiepingen vereist als op de onderste verdiepingen. Daarom moeten hogedrukpompen en -leidingen worden gebruikt om het water omhoog te pompen. De leidingsystemen zijn doorgaans van klasse 300 of 600, afhankelijk van de hoogte van het gebouw. ​​Allerlei soorten afsluiters worden in deze toepassingen gebruikt; de afsluiters moeten echter wel door Underwriters Laboratories of Factory Mutual zijn goedgekeurd voor brandbeveiligingsleidingen.

Voor de drinkwaterdistributie worden dezelfde soorten en klassen afsluiters gebruikt als voor brandbeveiligingssystemen, hoewel de goedkeuringsprocedure minder streng is.
Commerciële airconditioningsystemen in grote bedrijfsgebouwen zoals kantoorgebouwen, hotels en ziekenhuizen zijn meestal centraal geregeld. Ze beschikken over een grote koelunit of boiler om de vloeistof te koelen of te verwarmen die wordt gebruikt voor het transporteren van koude of warme lucht. Deze systemen moeten vaak werken met koelmiddelen zoals R-134a, een fluorkoolwaterstof, of, in het geval van grote verwarmingssystemen, stoom. Vanwege het compacte formaat van vlinderkleppen en kogelkranen zijn deze typen populair geworden in HVAC-koelsystemen.

Aan de stoomzijde hebben sommige kwartslagafsluiters hun weg naar de markt gevonden, maar veel installateurs vertrouwen nog steeds op lineaire schuifafsluiters en globeafsluiters, vooral als de leidingen stomplassen vereisen. Voor deze toepassingen met een gematigde stoomdruk heeft staal gietijzer vervangen vanwege de lasbaarheid van staal.

Sommige verwarmingssystemen gebruiken heet water in plaats van stoom als transportmedium. Voor deze systemen zijn bronzen of ijzeren afsluiters zeer geschikt. Kwartslagkogelkranen en vlinderkleppen met veerkrachtige zitting zijn erg populair, hoewel sommige lineaire uitvoeringen nog steeds worden gebruikt.

CONCLUSIE
Hoewel je de toepassingen van de kleppen die in dit artikel worden genoemd misschien niet direct ziet tijdens een bezoekje aan Starbucks of oma, zijn er altijd wel een aantal zeer belangrijke kleppen in de buurt. Er zitten zelfs kleppen in de motor van de auto waarmee je die plekken bereikt, zoals de kleppen in de carburateur die de brandstoftoevoer naar de motor regelen en de kleppen in de motor zelf die de benzinetoevoer naar de zuigers en de afvoer ervan regelen. En als die kleppen niet dicht genoeg bij ons dagelijks leven staan, bedenk dan eens dat ons hart regelmatig klopt via vier vitale kleppen die de bloedstroom regelen.

Dit is wederom een ​​voorbeeld van de realiteit dat kleppen werkelijk overal zijn. VM
Deel II van dit artikel behandelt andere industrieën waar kleppen worden gebruikt. Ga naar www.valvemagazine.com voor meer informatie over de pulp- en papierindustrie, maritieme toepassingen, dammen en waterkrachtcentrales, zonne-energie, ijzer en staal, lucht- en ruimtevaart, geothermie en ambachtelijk brouwen en distilleren.

GREG JOHNSON is president van United Valve (www.unitedvalve.com) in Houston. Hij is redacteur bij 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 president van de Manufacturers Standardization Society.