Inzicht in koppel voor kwartslagkleppen

Koppel is de kracht die nodig is om een klepsteel te draaien en de klep aan of uit te zetten. Het schatten van het koppel helpt om te bepalen wat voor soort en grootte actuator nodig is voor het kleppensysteem. In dit artikel wordt besproken hoe je het koppel voor verschillende ontwerpen kunt schatten.

Inhoudsopgave

• Aandrijfkoppel voor kleppen
• Betekenis van koppel van rechter actuator
• Verschillende koppelmetingen
• Veiligheidsmarge
• Koppel in verschillende ventielsoorten
• FAQ

Aandrijfkoppel voor kleppen

Actuatorkoppel verwijst naar het koppel dat een actuator kan creëren. Door de klepsteel te roteren zet een actuator het koppel om in klepbeweging (openen, sluiten of beweging behouden).

Het is belangrijk om te weten dat elk soort klep een specifieke hoeveelheid koppel nodig heeft om volledig te openen of te sluiten. De hoeveelheid koppel die een actuator kan produceren is een belangrijke factor bij het bepalen van de prestatiemogelijkheden. Op basis van hun koppelcapaciteit zijn verschillende actuators geschikt voor verschillende taken. Het aandrijfkoppel moet groter zijn dan het breekkoppel van de klep (wordt later besproken).

Betekenis van koppel van rechter actuator

Te weinig draaikracht voor een bepaalde klep kan ernstige problemen veroorzaken. Als een actuator bijvoorbeeld niet genoeg kracht heeft om de stang van de klep te draaien, gaat de klep niet open en kan deze halverwege vast komen te zitten. Maar als een actuator te veel kracht uitoefent, kan hij de klep en het systeem beschadigen.

Kenmerken van het klepmoment

Het koppel dat nodig is om verschillende kleppen te bedienen, varieert afhankelijk van hun toepassing, ontwerp en soort.

• Een vlinderklep heeft een aanzienlijke draaikracht nodig om hem aan of uit te zetten, maar een minimale kracht om de stroom te smoren. Een kogelkraan met een metalen zitting vereist daarentegen veel draaikracht (de harde materialen die gebruikt worden voor zowel de kogel als de zitting creëren een zeer wrijvingsgevoelig contact van metaal op metaal) om hem in of uit te schakelen en de doorstroming aan te passen.
• Een regelklep heeft meestal meer koppel nodig dan aan-uitkleppen met eenvoudige functies zoals openen of sluiten. Regelkleppen hebben meer koppel nodig omdat ze werken binnen verschillende stromings- en drukniveaus en hun positie moeten vasthouden tegen de vloeistofkrachten in om een nauwkeurige regeling te behouden. On-off kleppen schakelen alleen tussen volledig open of gesloten posities zonder te moduleren of weerstand te bieden aan continue drukvariaties, waardoor minder koppel nodig is.

Verschillende koppelmetingen

Er zijn verschillende soorten koppel:

• Breekkoppel: Breekkoppel, ook wel openingskoppel genoemd, is het koppel dat nodig is om een klep vanuit de gesloten stand te openen.
• Lopend koppel: Het draaimoment, of koppel halverwege de slag, is het koppel dat nodig is om de wrijvingskrachten te overwinnen terwijl de klep in beweging is, waarbij de positie op elk punt tussen volledig open en volledig gesloten wordt gehandhaafd.
• Sluitmoment: Het sluitmoment, ook wel zittend koppel genoemd, is nodig om een klep volledig te sluiten.
• Maximaal toelaatbaar aanhaalmoment van de stang (MAST): MAST, of maximaal askoppel, is het hoogste koppel dat kan worden toegepast op de onderdelen van een klep, zoals de stang, zonder schade of defecten te veroorzaken.

Het maximale koppel van de actuator mag tijdens bedrijf nooit groter zijn dan de MAST van de klep. Voor toepassingen die handbediende actuators gebruiken, is het koppel dat door de handgreep of tandwielkast wordt geproduceerd meestal niet erg hoog, waardoor de bezorgdheid over het overschrijden van de MAST van de klep minder groot is. Handbediende kwartslagkleppen worden vaak gebruikt in toepassingen waar geen stroom beschikbaar is of waar een faalveilig mechanisme gewenst is. Handbediende kleppen kunnen echter ook vast komen te zitten, omdat er meer koppel nodig is om ze te openen dan met de hand mogelijk is. In dit geval moet de gebruiker de 'torsiearm' verlengen door een langere handgreep of een moersleutel te gebruiken.

Veiligheidsmarge

Bij het berekenen van de maximale torsiewaarde voor een klep kunnen er fouten optreden, die kunnen leiden tot ongelukken binnen de industrie. Deze ongevallen kunnen duur zijn en aanzienlijke schade veroorzaken. Het wordt aanbevolen om een veiligheidsmarge van 25% aan te houden. Als er bijvoorbeeld 125 inch-pound (in-lb) koppel nodig is om een klep te sluiten, moet de gebruiker plannen alsof er 150 in-lb koppel nodig is om de klep te sluiten, zodat een veiligheidsmarge van 25% gehandhaafd blijft.

Als algemene vuistregel geldt dat MAST

• 1,2 keer het aandrijfkoppel voor kleppen die worden gebruikt in algemene diensten.
• 1,5 keer het aandrijfkoppel voor zware processen zoals afblazen
• 2 keer het aandrijfkoppel voor veiligheidstoepassingen zoals het uitschakelen van de installatie

Koppel in verschillende ventielsoorten

Voor alle klepstijlen houden fabrikanten rekening met de volgende factoren bij het berekenen van het koppel:

• Klepgrootte en drukwaarde: Grotere kleppen en kleppen die ontworpen zijn voor hogere drukken hebben over het algemeen meer koppel nodig.
• Drukverschil: Hogere druk differentiëlen hebben meestal meer koppel nodig om te werken.
• Media-eigenschappen: Het type medium (vloeistof, gas, slurry), de viscositeit en of het deeltjes bevat, kunnen het vereiste koppel beïnvloeden.
• Temperatuur: Hogere temperaturen kunnen de materiaaleigenschappen van de zitting veranderen, wat het koppel beïnvloedt.
• Materiaal zitting: Kleppen met zachtere zittingen hebben meestal minder torsie nodig om te werken.
• Periode van stilstand: Kleppen die langere tijd stil hebben gestaan, hebben mogelijk meer torsie nodig om te werken vanwege verhoogde wrijving.
• Smering: Een goede smering verlaagt de koppelvereisten.

Koppel vlinderklep

Koppelberekeningen variëren per type vlinderklep vanwege hun unieke ontwerpkenmerken.

• Veerkrachtige vlinderkleppen:
  • De zitting van een veerkrachtige vlinderklep is iets groter dan de schijf en wanneer de klep gesloten is, drukt de schijf de zitting samen. Dit zorgt voor een goede afdichting en verhoogt de torsie die nodig is om de klep te bedienen.
  • Na verloop van tijd kan de rubberen zitting slijten of veranderen door de compressie, waardoor de koppelvereisten kunnen veranderen.
• Krachtige vlinderkleppen:
  • Vlinderkleppen met hoge prestaties hebben vaak een metalen zitting of een combinatie van metaal en zachtere materialen, die bestand zijn tegen hogere temperaturen en drukken dan kleppen met een veerkrachtige zitting.
  • Bij de koppelberekening voor deze kleppen moet rekening worden gehouden met factoren zoals de interferentie tussen de schijf en de zitting, lagerwrijving en de kenmerken van de stromingsmedia bij hoge druk of temperatuur.
  • Hoogwaardige kleppen hebben vaak consistente koppelvereisten gedurende hun hele levenscyclus, omdat metalen zittingen niet zo snel degraderen als rubber.
• Vlinderkleppen met drie offsetstanden:
  • In tegenstelling tot vlinderkleppen met veerkrachtige zitting hebben vlinderkleppen met drievoudige offset meestal een metaal-op-metaal zitting en afdichting. Dit ontwerp is bestand tegen hogere temperaturen en drukken, maar vereist meer precisie bij de productie om een goede afdichting te garanderen. Het koppel dat nodig is om deze afdichting te bereiken, wordt vooral beïnvloed door de nauwkeurigheid van de onderdelen en de kracht die nodig is om de initiële weerstand te overwinnen wanneer de gelamineerde of massief metalen afdichting in contact komt met de zitting.

Voorbeeld

Overweeg om een vlinderklep te kiezen voor een waterdistributiesysteem. De klant heeft de volgende specificaties voor het systeem:

• Medium: Water
• Maximale werkdruk: 150 psi (pondkracht per vierkante inch)
• Maximale bedrijfstemperatuur: 25°C (77°F)
• Pijpmaat: 8 inch (DN200)

De klant is van plan om een elektrische actuator te gebruiken om de klep te bedienen en wil er zeker van zijn dat de gekozen actuator voldoende koppel kan leveren om de klep onder alle bedrijfsomstandigheden te openen en te sluiten.

Raadpleeg de torsietabellen of -curven van de fabrikant van de klep om de exacte torsievereisten te berekenen. In dit voorbeeld is het koppel dat overeenkomt met een pijp van 8 inch en een druk van 150 psi 1.180 inch-pound (tabel 1). Kies, rekening houdend met een veiligheidsfactor van 1,5, een actuator die een koppel van 1.770 inch-pound levert. Sommige fabrikanten geven ook de exacte veiligheidsfactor om te vermenigvuldigen met het geschatte koppel voor verschillende toepassingen.

Tabel 1: Voorbeeld torsietabel vlinderklep

Koppelwaarden (inch-pounds)
Grootte (inch)	Differentiële druk
	125 psi	150 psi	200 psi	250 psi
2	100	106	111	117
2 ½	150	160	176	189
3	200	220	322	244
4	290	320	357	390
5	420	480	540	598
6	600	690	783	875
8	1,060	1,180	1,300	1,430
10	1,670	1,872	2,000	2,275
12	2.568	2,790	3,000	3,250
14	2,640	3,000	-	-
16	4,260	4,880	-	-
18	6,280	7,243	-	-
20	8,360	9,180	-	-
24	15,427	16,813	-	-

Kogelklep koppelberekening

Variaties in kogelklepontwerpen kunnen leiden tot aanzienlijke verschillen in koppelvereisten.

• Zwevende kogelkranen: In een drijvende kogelkraan wordt de kogel geplaatst door de compressie van de twee elastomeerzittingen ertegenaan. De bal kan vrij ronddraaien, vandaar de term 'zweven'. Wanneer de klep gesloten is, duwt de vloeistofdruk de kogel tegen de zitting, waardoor een afdichting ontstaat. Het vereiste koppel voor een vlottende kogelkraan neemt toe met de vloeistofdruk omdat een hogere druk de kogel harder tegen de zitting drukt, waardoor de wrijving toeneemt.
• Kogelkranen met tappen: Op tappen gemonteerde kleppen hebben extra ondersteuning voor de kogel, meestal met een as aan de boven- en onderkant. Dit ontwerp vermindert de torsie die nodig is om de klep te draaien en voorkomt dat de kogel onder druk tegen de zittingen drukt. Daarom wordt vaak de voorkeur gegeven aan kogelkranen met tappen voor grotere afmetingen en toepassingen met hogere druk, waar een zwevende kogelkraan een te hoog koppel zou vereisen.
• Kogelkleppen van bovenaf: De torsie die nodig is om een top-entry kogelkraan te bedienen is over het algemeen relatief laag. De vereiste torsie kan echter aanzienlijk toenemen als de klep niet de juiste afmetingen heeft, het drukverschil groot is of de klep niet gesmeerd is.
• Volledige poort vs gereduceerde poort: Kogelkleppen met volledige poort hebben een inwendige diameter die gelijk is aan de diameter van de pijpleiding, waardoor de drukdaling over de klep minimaal is, maar er kan meer torsie nodig zijn vanwege het grotere kogeloppervlak dat in contact komt met de zittingen. Kleppen met een kleinere poort hebben een kleinere boring en vereisen mogelijk minder torsie.
• Materiaal zitting: Kogelkleppen met zachte zitting, die meestal materialen zoals PTFE gebruiken, hebben lagere koppelvereisten vanwege de lagere wrijvingskarakteristieken van het materiaal van de zitting. Metalen kleppen, die in zwaardere omstandigheden worden gebruikt, vereisen meer torsie.

Lees ons artikel over waterstofkleppen voor meer details over de parameters waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van een klep voor waterstofdiensten.

FAQ

Wat is het koppel van een regelklep?

Het koppel van een regelklep is de kracht die nodig is om het sluitingslid van de klep, zoals een kogel, schijf of klep, te laten draaien om de gewenste debietregeling te bereiken.