Клапаны, изготовленные на станках с ЧПУ: материалы, области применения, конструкция и обработка.

Подача жидкости — важный аспект техники и инженерии. Будь то нефтегазовая отрасль, химические заводы, электростанции, водопроводные сети или даже гидравлические системы, оптимизированный поток жидкости является желательным. Хотя эти жидкости могут перемещаться хаотично, необходим механизм для регулирования их потока. В этом регулировании важную роль играют штоки клапанов. Существует довольно много типов, конструкций и материалов штоков клапанов. Давайте подробнее рассмотрим штоки клапанов.

Что такое шток клапана?

Шток клапана — это, по сути, удлиненный компонент, соединяющий привод с уплотнительным элементом внутри клапана. В зависимости от обратной связи от датчиков, приводы передают движение уплотнительному элементу через шток клапана. Эта петля обратной связи, включающая шток клапана, регулирует поток жидкости. Даже в ручных системах к штокам клапанов подключается маховик для позиционирования уплотнительных элементов. Штоки клапанов часто путают с похожими терминами. В таблицах ниже приведено сравнение этих терминов для того, чтобы провести различие между ними.

Шток клапана против клапана

Вентиль шины против вентиля шины

Шток клапана против штока клапана двигателя

Как работает шток клапана в промышленном клапане?

Для некоторых обывателей штоки клапанов могут быть незаметны. Однако их роль в управлении потоком жидкости огромна. По сути, они замыкают петлю обратной связи от датчика к исполнительному механизму и к запорному элементу. Это позволяет довести скорость потока жидкости до желаемого уровня. Во время работы штоки клапанов обеспечивают динамическое уплотнение, предотвращая утечку жидкости.

Перенос движения

Основная функция штока клапана — передача движения от привода к запорному элементу. Датчики посылают сигнал на привод. Затем привод использует пневматическую, гидравлическую или механическую систему для перемещения штоков клапанов. При ручном управлении оператор вращает маховик для передачи движения.

Изменение положения клапана

Передача движения через штоки клапана приводит к изменению положения запорного элемента. Таким образом, в зависимости от конструкции клапана может происходить следующее:

• Ворота могут быть подняты.
• Дисковый глобус может быть поднят.
• Мяч может вращаться, или
• Вилку нужно повернуть.

Таким образом, поток жидкости может быть полностью разрешен, полностью ограничен или отрегулирован.

Поддержание динамического уплотнения

Для эффективного регулирования потока уплотнение должно быть надежным в динамических условиях. Оно должно оставаться герметичным во время движения. Если утечки предотвращены, можно достичь желаемой скорости потока без потерь. В промышленных условиях утечки могут привести к загрязнению окружающей среды, растрате ресурсов, загрязнению и/или повреждению оборудования. Поэтому для этой цели используются тщательно подобранные сальниковые уплотнения, сальники и уплотнения штоков. В качестве уплотнений штоков клапанов могут использоваться ПТФЭ, графитовые уплотнения или сильфонные уплотнения.

Типы штоков клапанов для промышленных клапанов

Штоков клапанов бывает нескольких типов. Каждый тип выполняет определенную функцию. Будь то совместимость с ограниченным пространством, быстрое закрытие или открытие клапанов, типы штоков клапанов помогают достичь этих целей. Наиболее распространенные типы включают выдвижные штоки клапанов, невыдвижные штоки клапанов и поворотные штоки клапанов.

Подъемные штоки клапанов

Подъемный шток клапана перемещается вверх и вниз синхронно с положением запорного элемента. Это обеспечивает наглядное представление уровня потока для оператора. Поскольку резьбовая часть может быть выведена наружу корпуса, ее проще обслуживать. Подъемные штоки клапанов обычно используются в задвижках и шаровых клапанах.

Невыдвижные штоки клапанов

Шток невыдвижного клапана скрыт внутри корпуса клапана. Шток клапана остается на фиксированной высоте. Такая конструкция имеет как преимущества, так и ограничения. Компактность штоков невыдвижных клапанов делает их подходящими для помещений с ограниченным пространством. Обычно они используются в подземных трубопроводах и системах водоснабжения. Поскольку штоки клапанов скрыты, они защищены от загрязнений и коррозионных химических веществ. Однако они не дают оператору видимых признаков неисправности.

Поворотные штоки клапанов

Поворотные штоки клапанов работают за счет вращения, а не линейного перемещения. Это позволяет закрывать/открывать клапан. Обычно шаровые, дроссельные и пробковые клапаны оснащены этим механизмом. Он обеспечивает быстрое управление. Маховик может совершать четвертьоборотное или половинооборотное вращение.

Специальные и изготовленные на заказ штоки клапанов

Когда стандартные штоки клапанов не соответствуют требованиям технологического процесса, могут потребоваться штоки клапанов, изготовленные на заказ. Например, в кислотосинтетической промышленности могут потребоваться специализированные материалы, такие как инконель или хастеллой. В других случаях стандартные размеры могут не подходить для существующего оборудования. В этом случае может быть использована индивидуальная разработка. Производители, работающие на станках с ЧПУ, могут создавать специальные профили резьбы, шпоночные пазы, шлицы или соединения для приводов.

Лучшие материалы для изготовления штоков клапанов на станках с ЧПУ.

Поиск наиболее подходящих материалов для штоков клапанов остается актуальной проблемой для производителей. Необходимо поддерживать баланс между стоимостью, долговечностью и эксплуатационными характеристиками. К распространенным материалам для штоков клапанов относятся нержавеющая сталь, инконель, монель, никелевые сплавы и высоколегированные стали.

Штоки клапанов из нержавеющей стали

Штоки клапанов из нержавеющей стали широко используются в различных условиях эксплуатации. Они устойчивы к коррозии, сохраняя при этом хорошее качество поверхности. К распространенным маркам относятся AISI 303, AISI 304, AISI 316/316L и 17-4 PH. AISI 304 — широко используемая и легкодоступная марка, применяемая в большинстве клапанов общего назначения. AISI 303 обладает лучшей обрабатываемостью, что позволяет обрабатывать сложные элементы. AISI 316/316L обладают хорошей устойчивостью к хлоридам и морской воде. Штоки клапанов из нержавеющей стали 17-4 PH используются в системах высокого давления.

Вентили из легированной стали

Характеристики легированных сталей в условиях высоких нагрузок превосходят характеристики нержавеющих сталей. Они в основном используются в таких областях, как энергетика, гидравлические системы и клапаны высокого давления. Например, сталь AISI 4140 выдерживает значительные растягивающие и усталостные нагрузки. Сталь AISI 4145 обеспечивает еще большую устойчивость к механическим нагрузкам. Сталь AISI 4340 обладает хорошей ударной вязкостью и прочностью на излом.

Стержни клапанов из никелевого сплава и инконеля

Никелевые сплавы перспективны для использования в средах, подверженных агрессивному химическому воздействию и высоким температурам. Поскольку никелевые сплавы дороже нержавеющих сталей, их предпочитают использовать только в тех случаях, когда штоки клапанов из нержавеющей стали не соответствуют требованиям.

Шток клапана, изготовленный из никелевых сплавов или инконеля, способен выдерживать экстремальные температуры, высокое давление, воздействие морской воды, работу с сероводородом и агрессивную химическую обработку. К распространенным маркам относятся инконель 625, инконель 718, монель 400 и хастеллой C-276.

Где используются клапаны, изготовленные на станках с ЧПУ?

Изготовленные на станках с ЧПУ штоки клапанов отличаются превосходной точностью размеров, прецизией и повторяемостью. Производители, использующие станки с ЧПУ, могут работать с широким спектром материалов. Они могут применять различные варианты обработки поверхности штоков клапанов для специализированных целей. Еще одним большим преимуществом является быстрая адаптация станков с ЧПУ к изменениям в конструкции.

Нефтегазовое оборудование

Для транспортировки нефти и газа на многих нефтегазовых установках необходимы клапаны, а следовательно, и штоки клапанов. Зачастую эти жидкости находятся под давлением. В некоторых областях применения, например, на заводах по производству сжиженного природного газа (СПГ), условия могут быть криогенными. В других областях применения, например, на устьях скважин, штоки клапанов должны выдерживать высокие температуры. Кроме того, на этапах транспортировки штоки клапанов могут подвергаться воздействию абразивных сред и сероводорода. Поэтому используемые материалы должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать эти условия. Для штоков клапанов нефтегазового оборудования часто предпочитают нержавеющую сталь 17-4 PH, AISI 4140, Inconel 718 и Monel 400.

Химическая обработка

Для работы с кислотами, щелочами и растворителями необходимы технологические линии химической промышленности. Хотя основной проблемой является коррозия, высокие температуры и высокое давление часто усугубляют ситуацию. Поэтому для таких применений используются коррозионностойкие материалы, такие как 316L, Hastelloy C-276 и Inconel 625. Для обеспечения герметичности сопрягаемые поверхности могут потребовать тонкой шлифовки и полировки.

Гидравлические и пневматические системы

Эти системы включают цилиндры, насосы, приводы и регулирующие клапаны. Для условий эксплуатации часто достаточно распространенных марок стали, таких как AISI 303, 304 и 4140. Для повышения технологичности и срока службы необходимо обеспечить оптимальный баланс прочности и обрабатываемости. Для повышения ударной вязкости штоков клапанов может быть проведена термообработка.

Морская система

Морские системы часто подвергаются воздействию морской воды, солевых брызг и влажности. Экономически выгодными вариантами для штоков клапанов являются нержавеющая сталь 316L. Однако для агрессивных сред или специализированных применений могут использоваться дуплексная нержавеющая сталь 2205, Monel 400 или Inconel 625. Высококачественные материалы в штоках клапанов увеличивают срок службы и требуют минимального технического обслуживания.

Почему выходят из строя ниппели клапанов?

Любой компонент имеет ограниченный срок службы. Это относится и к штокам клапанов. Однако производственные дефекты, чрезмерные нагрузки и неподходящий выбор материалов еще больше сокращают срок службы. Если эти недостатки можно контролировать, то срок службы штоков клапанов можно увеличить.

Чрезмерный крутящий момент

Превышение расчетных пределов нагрузки на штоки клапанов, безусловно, может привести к их выходу из строя. Более того, низкое качество обработки, неправильный диаметр штока, плохая геометрия резьбы или ненадлежащая термообработка еще больше усугубляют ситуацию. Низкокачественные материалы с низкой прочностью на кручение, как правило, выходят из строя при условиях, отличных от рабочих. Следовательно, для соответствия эксплуатационным требованиям необходим тщательный контроль качества проектирования, обработки на станках с ЧПУ и используемых материалов.

Плохая отделка поверхности

Некачественная обработка поверхности приводит к неправильной посадке, низкой надежности герметизации и износу штоков клапанов из-за абразивного воздействия. Низкое качество обработки на станках с ЧПУ может создавать дефекты, такие как следы обработки, вибрация инструмента, заусенцы и царапины. Они действуют как места концентрации напряжений. Поэтому именно в этих областях наиболее вероятно возникновение поломок штоков клапанов.

Коррозия и износ

Коррозия — одна из главных причин выхода из строя штоков клапанов. Штоки клапанов подвержены воздействию агрессивных химических веществ, морской воды, масел, сероводорода и т. д. Эта химически активная среда делает штоки клапанов восприимчивыми к коррозии, если не выбраны соответствующие материалы. Некоторые потоки жидкости переносят абразивные среды, такие как частицы песка. Они могут создавать дефекты защитного покрытия. Неправильные размеры приводят к чрезмерному трению между поверхностями, что может привести к уменьшению размеров. Эти факторы способствуют выходу штоков клапанов из строя. Поэтому коррозионностойкие материалы и правильно подобранные геометрические допуски и размеры могут решить эту проблему.

Усталость

В течение срока службы штоки клапанов подвергаются тысячам, а то и миллионам циклов. Некачественная механическая обработка создает очаги концентрации напряжений, которые инициируют образование микротрещин. Эффективная конструкция детали оптимизирует ее характеристики. К таким параметрам относятся, например, радиусы скругления, гладкая поверхность, точная соосность и контролируемая термообработка. Таким образом, можно предотвратить усталостное разрушение.

Основные конструктивные особенности штоков промышленных клапанов

Промышленные штоки клапанов имеют ряд конструктивных особенностей, требующих особого внимания. Эффективное проектирование этих особенностей позволяет ожидать хорошей работы штоков клапанов. В данном разделе рассматриваются диаметр штока, геометрия резьбы, площадь уплотнения и приводной конец.

Диаметр ствола

Диаметр штока является критически важным параметром при проектировании штоков клапанов. Чем больше площадь поперечного сечения штока, тем большую нагрузку он может выдерживать. Диаметр меньше критического может привести к перекручиванию или разрушению штока клапана под воздействием крутящих или изгибающих нагрузок. Чрезмерно большой диаметр штока может неоправданно увеличить размер клапана. Поэтому для штоков клапанов следует выбирать оптимальный диаметр.

Резьбовые секции

Резьбовые участки штоков клапанов преобразуют вращательное движение в линейное. Хорошо оптимизированный профиль резьбы, шаг и длина зацепления эффективно передают нагрузку. Обработка на станках с ЧПУ обеспечивает невероятно высокую и воспроизводимую точность геометрии резьбы.

Зона упаковки для герметизации стержня

Штоки клапанов проходят через систему уплотнения клапана. Для обеспечения герметичности этой зоны уплотнения размеры должны быть очень точными. Необходима гладкая поверхность. Несоосность приводит к протечкам и износу уплотнения. Поэтому требуется высокое качество изготовления.

Геометрия приводного конца

Приводной конец соединяет штоки клапанов с маховиком или приводом. Могут потребоваться такие конструктивные особенности, как квадратные концы, шпоночные валы, шлицевые концы, резьбовые концы или двойные D-образные профили.

Процессы обработки штоков клапанов на станках с ЧПУ

Токарная, фрезерная и сверлильная обработка на станках с ЧПУ — это основные процессы, используемые в производстве штоков клапанов. В идеале эти процессы должны выполняться за одну установку, чтобы избежать перекосов и погрешностей размеров. Обрабатывающие центры с ЧПУ часто оснащены опциями финишной обработки, такими как полировка, азотирование, термообработка и хромирование.

Токарная обработка валов на станках с ЧПУ.

Токарная обработка на станках с ЧПУ является основным процессом в производстве штоков клапанов. Основные элементы, такие как цилиндрическая форма, ступенчатые сечения, уплотнительные поверхности, выступы, скругления и резьбовые профили, создаются с помощью токарной обработки на станках с ЧПУ. Ключевыми преимуществами токарной обработки на станках с ЧПУ являются высокая концентричность и жесткие допуски по размерам. Кроме того, обработка на станках с ЧПУ обеспечивает превосходное качество поверхности для плавного перемещения штоков клапанов.

Фрезерование на станках с ЧПУ для плоских и пазовых поверхностей.

Фрезерование на станках с ЧПУ в основном необходимо для изготовления приводных концов штоков клапанов. В приводные концы могут быть встроены такие элементы, как плоские поверхности, шпоночные пазы, прорези и шлицы. Главная цель — эффективная передача крутящего момента и предотвращение проскальзывания.

Сверление отверстий на станках с ЧПУ

Отверстия в штоках клапанов необходимы для сборки, механизмов блокировки, штифтов и соединений приводов. В зависимости от конструкции они могут быть радиальными или осевыми. Современные станки с ЧПУ позволяют сверлить отверстия в тех же условиях, что и при токарной и фрезерной обработке. Это обеспечивает точное расположение отверстий.

Контроль качества штоков клапанов, изготовленных на станках с ЧПУ.

Контроль качества штоков клапанов имеет решающее значение для обеспечения их бесперебойной работы. Точные размеры гарантируют правильную посадку. Соответствие геометрическим параметрам предотвращает чрезмерный крутящий момент и износ штоков клапанов. Надлежащие характеристики поверхности и твердости увеличивают срок службы штоков клапанов.

Размерный осмотр

Контроль размеров подтверждает точность размеров. Он также проверяет, находятся ли размеры в пределах заданного диапазона допусков. Точные и прецизионные размеры обеспечивают правильную посадку компонентов. Для контроля размеров используются такие инструменты, как цифровые штангенциркули, наружные микрометры, резьбовые калибры, высотомеры и координатно-измерительные машины.

Геометрический контроль

Геометрический контроль проводится для проверки геометрических параметров, таких как прямолинейность, округлость, цилиндричность, концентричность, соосность, биение и перпендикулярность. Для этой цели используются такие инструменты, как индикаторы часового типа, V-образные блоки и координатно-измерительные машины.

Контроль поверхности и твердости

Шероховатость поверхности обычно измеряют с помощью профилометра. Для проверки твердости штоков клапанов обычно используют твердомер Роквелла или твердомер Виккерса. Визуальный осмотр также позволяет выявить дефекты, такие как заусенцы, следы от инструмента, царапины, вмятины и трещины.

Компания Tuofa Machining производит: высокоточные промышленные штоки клапанов на заказ.

Наш заказчик хотел изготовить 5 штоков клапанов из нержавеющей стали, используемых в промышленности. Штоки клапанов должны быть изготовлены с правильными размерами и рациональными допусками. Кроме того, требуется гладкая поверхность.

Основные параметры обработки:

• Общая длина: 250 мм
• Диаметр основного стержня: Ø20 мм
• Прямолинейность: ≤0.02 мм/100 мм
• Биение: ≤0.03 мм
• Допуск на резьбу: 6 г

Туофа использовал шлифовку и финишную обработку для улучшения качества поверхности штоков клапанов. Чистота поверхности обработанных штоков клапанов составляет Ra 0.4 мкм, на поверхности отсутствуют царапины и следы от инструмента.

Результат

Компания Tuofa оптимизировала план обработки и строго контролировала допуски в критической зоне. В процессе обработки мы постоянно поддерживали связь с заказчиками и подтверждали внесенные изменения. В итоге, изготовленные на заказ штоки клапанов соответствовали требованиям к сборке и стабильной работе.

Заключение

Шток клапана — важный компонент клапанов. Он помогает регулировать поток жидкости. Клапаны используются во многих отраслях промышленности, в частности, в нефтегазовой, химической, водопроводной, гидравлической и т.д. Каждая отрасль имеет свои собственные эксплуатационные требования. Поэтому штоки клапанов выпускаются в различных конструкциях и из разных материалов, чтобы соответствовать потребностям этих отраслей.

FAQ

Вентиль шины — это то же самое, что и промышленный вентиль?

Нет. Между ними есть большая разница. Вентили шин используются для накачивания шин сжатым воздухом. С другой стороны, промышленные вентили используются в клапанах для регулирования потока жидкости.

Вы можете изготовить на заказ шток промышленного клапана?

Да, благодаря нашим современным обрабатывающим центрам с ЧПУ мы можем изготавливать штоки клапанов по вашим индивидуальным проектам.

Почему качество обработки поверхности штоков клапанов имеет важное значение?

Полировка снижает трение и улучшает герметичность. Коррозионностойкие покрытия защищают от коррозии. Термообработка или азотирование повышают износостойкость.

Можно ли заварить и использовать повторно сломанный шток клапана?

Сварка и повторное использование приводят к появлению нежелательных дефектов, таких как микропоры, точки концентрации напряжений, очаги коррозии с участием разнородных металлов и т. д.

Какие типы штоков клапанов используются в промышленном производстве?

К распространенным штокам промышленных клапанов относятся:

• Стержни шаровых кранов
• Задвижки клапанов
• Вентили типа «бабочка»
• Вентили шаровых клапанов