Kje se uporabljajo ventili: Povsod!

8. november 2017 Napisal Greg Johnson

Ventile lahko danes najdemo skoraj povsod: v naših domovih, pod ulicami, v poslovnih stavbah in na tisoče mest v elektrarnah in vodarnah, papirnicah, rafinerijah, kemičnih obratih in drugih industrijskih in infrastrukturnih objektih.
Industrija ventilov je resnično širokopasovna, saj se segmenti razlikujejo od distribucije vode do jedrske energije ter pridobivanja in distribucije nafte in plina. Vsaka od teh končnih uporabniških industrij uporablja nekaj osnovnih vrst ventilov; vendar se podrobnosti konstrukcije in materialov pogosto zelo razlikujejo. Tukaj je nekaj primerov:

VODOVOD
V svetu distribucije vode so tlaki skoraj vedno relativno nizki, temperature pa sobne. Ti dve dejstvi uporabe omogočata številne elemente zasnove ventilov, ki jih ne bi našli na zahtevnejši opremi, kot so visokotemperaturni parni ventili. Temperatura okolice v vodovodnih sistemih omogoča uporabo elastomerov in gumijastih tesnil, ki niso primerna drugje. Ti mehki materiali omogočajo, da so vodni ventili opremljeni tako, da tesno zaprejo kapljanje.

Drug dejavnik pri ventilih za oskrbo z vodo je izbira materialov za izdelavo. Lito in nodularno železo se pogosto uporabljata v vodovodnih sistemih, zlasti v cevovodih z velikim zunanjim premerom. Zelo majhne cevi je mogoče precej dobro obdelati z bronastimi ventilskimi materiali.

Tlaki, ki jih večina vodovodnih ventilov doseže, so običajno precej pod 200 psi. To pomeni, da debelejše stene za višje tlake niso potrebne. Kljub temu obstajajo primeri, ko so vodni ventili izdelani za višje tlake, do približno 300 psi. Te uporabe se običajno uporabljajo na dolgih akvaduktih blizu vira tlaka. Včasih se vodni ventili z višjim tlakom nahajajo tudi na točkah z najvišjim tlakom v visokem jezu.

Ameriško združenje vodovodnih inštalacij (AWWA) je izdalo specifikacije, ki zajemajo številne različne vrste ventilov in aktuatorjev, ki se uporabljajo v vodovodnih napravah.

ODPADNA VODA
Druga plat sveže pitne vode, ki vstopa v objekt ali strukturo, je izpust odpadne vode ali kanalizacije. Te cevi zbirajo vse odpadne tekočine in trdne snovi ter jih usmerjajo v čistilno napravo. Te čistilne naprave imajo veliko nizkotlačnih cevi in ventilov za opravljanje "umazanega dela". Zahteve za ventile za odpadne vode so v mnogih primerih veliko milejše od zahtev za storitve s čisto vodo. Železna zapornica in nepovratni ventili so najbolj priljubljena izbira za to vrsto storitve. Standardni ventili v tej storitvi so izdelani v skladu s specifikacijami AWWA.

ENERGETSKA INDUSTRIJA
Večina električne energije, proizvedene v Združenih državah Amerike, se proizvaja v parnih elektrarnah na fosilna goriva in visokohitrostnih turbinah. Če odkrijemo pokrov sodobne elektrarne, si lahko ogledamo visokotlačne in visokotemperaturne cevovode. Ti glavni vodi so najpomembnejši v procesu proizvodnje parne energije.

Zaporni ventili ostajajo glavna izbira za aplikacije vklopa/izklopa elektrarn, čeprav se najdejo tudi posebni kroglični ventili v obliki črke Y. Visokozmogljivi kroglični ventili za kritične storitve pridobivajo na priljubljenosti pri nekaterih načrtovalcih elektrarn in si utirajo pot v ta nekoč linearni svet ventilov.

Metalurgija je ključnega pomena za ventile v energetskih aplikacijah, zlasti tiste, ki delujejo v superkritičnih ali ultra-superkritičnih delovnih območjih tlaka in temperature. V današnjih elektrarnah se pogosto uporabljajo zlitine F91, F92, C12A, skupaj z več zlitinami Inconel in nerjavečega jekla. Tlačni razredi vključujejo 1500, 2500 in v nekaterih primerih 4500. Modulacijska narava elektrarn z največjo močjo (tistih, ki delujejo le po potrebi) prav tako močno obremenjuje ventile in cevovode, kar zahteva robustne zasnove za obvladovanje ekstremne kombinacije ciklov, temperature in tlaka.
Poleg glavnih parnih ventilov so elektrarne opremljene s pomožnimi cevovodi, ki jih naseljuje nešteto zapornih, krogličnih, nepovratnih, loputastih in krogličnih ventilov.

Jedrske elektrarne delujejo po istem principu pare/visokohitrostne turbine. Glavna razlika je v tem, da v jedrski elektrarni para nastaja s toploto, ki nastane pri procesu fisije. Ventili jedrskih elektrarn so podobni ventilom na fosilna goriva, le po svojem izvoru in dodatni zahtevi po absolutni zanesljivosti. Jedrski ventili so izdelani po izjemno visokih standardih, dokumentacija o kvalifikaciji in pregledih pa obsega na stotine strani.

PROIZVODNJA NAFTE IN PLINA
Naftne in plinske vrtine ter proizvodni obrati so veliki uporabniki ventilov, vključno s številnimi težkimi ventili. Čeprav ni več verjetno, da bi se izbruhi nafte, ki bruhajo več sto metrov v zrak, slika ponazarja potencialni tlak podzemne nafte in plina. Zato so na vrh dolge cevi vrtine nameščene glave vrtin ali božična drevesca. Ti sklopi s kombinacijo ventilov in posebnih fitingov so zasnovani za tlake nad 10.000 psi. Čeprav jih danes redko najdemo v vrtinah, izkopanih na kopnem, se ekstremno visoki tlaki pogosto pojavljajo v globokih vrtinah na morju.

Zasnovo opreme za izpuste vrtin zajemajo specifikacije API, kot je 6A, Specifikacija za izpuste vrtin in opremo za božična drevesca. Ventili, ki jih zajema 6A, so zasnovani za izjemno visoke tlake, vendar zmerne temperature. Večina božičnih drevesc vsebuje zasunske ventile in posebne kroglaste ventile, imenovane dušilke. Dušilke se uporabljajo za regulacijo pretoka iz vrtine.

Poleg samih vrtin se na naftnem ali plinskem polju nahaja tudi veliko pomožnih objektov. Procesna oprema za predobdelavo nafte ali plina zahteva številne ventile. Ti ventili so običajno iz ogljikovega jekla, razreda nižjih razredov.

Občasno je v surovem naftnem toku prisotna zelo korozivna tekočina – vodikov sulfid. Ta snov, imenovana tudi kisli plin, je lahko smrtonosna. Za premagovanje izzivov kislega plina je treba upoštevati posebne materiale ali tehnike obdelave materialov v skladu z mednarodno specifikacijo NACE MR0175.

OPODMORSKE INDUSTRIJE
Cevovodni sistemi za naftne ploščadi in proizvodne obrate na morju vsebujejo množico ventilov, izdelanih po različnih specifikacijah, da bi se spopadli s široko paleto izzivov pri regulaciji pretoka. Ti objekti vsebujejo tudi različne zanke krmilnih sistemov in naprave za razbremenitev tlaka.

Za obrate za proizvodnjo nafte je arterijsko srce dejanski sistem cevovodov za črpanje nafte ali plina. Čeprav niso vedno na sami ploščadi, mnogi proizvodni sistemi uporabljajo božična drevesca in cevovodne sisteme, ki delujejo v negostoljubnih globinah 3000 metrov ali več. Ta proizvodna oprema je zgrajena v skladu s številnimi strogimi standardi Ameriškega naftnega inštituta (API) in je navedena v več priporočenih praksah (RP) API.

Na večini velikih naftnih ploščadi se za surovo tekočino, ki prihaja iz ustja vrtine, uporabljajo dodatni postopki. Ti vključujejo ločevanje vode od ogljikovodikov ter ločevanje plina in zemeljskega plina iz toka tekočine. Ti cevovodni sistemi, ki so postavljeni po sistemu "po božičnem drevescu", so običajno zgrajeni v skladu s cevovodnimi predpisi Ameriškega združenja strojnih inženirjev B31.3, ventili pa so zasnovani v skladu s specifikacijami ventilov API, kot so API 594, API 600, API 602, API 608 in API 609.

Nekateri od teh sistemov lahko vsebujejo tudi zapornice, kroglične in nepovratne ventile API 6D. Ker so vsi cevovodi na ploščadi ali vrtalni ladji znotraj objekta, stroge zahteve za uporabo ventilov API 6D za cevovode ne veljajo. Čeprav se v teh cevovodnih sistemih uporablja več vrst ventilov, je izbrana vrsta ventila kroglični ventil.

CEVOVODI
Čeprav je večina cevovodov skritih pred očmi, je njihova prisotnost običajno očitna. Majhni znaki z napisom »naftovod« so očiten pokazatelj prisotnosti podzemnih transportnih cevovodov. Ti cevovodi so vzdolž svoje dolžine opremljeni s številnimi pomembnimi ventili. Zaporni ventili za cevovode v sili se nahajajo v intervalih, ki jih določajo standardi, predpisi in zakoni. Ti ventili služijo ključni funkciji izolacije dela cevovoda v primeru puščanja ali ko je potrebno vzdrževanje.

Vzdolž trase cevovoda so raztreseni tudi objekti, kjer cevovod izhaja iz tal in je omogočen dostop do nje. Te postaje so dom opreme za spuščanje "prašičev", ki je sestavljena iz naprav, vstavljenih v cevovode za pregled ali čiščenje cevovoda. Te postaje za spuščanje prašičev običajno vsebujejo več ventilov, bodisi zapornih bodisi krogličnih. Vsi ventili na cevovodnem sistemu morajo imeti polno odprtino (popolnoma se odpirati), da omogočajo prehod prašičev.

Cevovodi potrebujejo energijo tudi za boj proti trenju v cevovodu ter za vzdrževanje tlaka in pretoka v cevovodu. Uporabljajo se kompresorske ali črpalne postaje, ki so videti kot manjše različice procesnih obratov brez visokih stolpov za kreking. V teh postajah je nameščenih na desetine zapornih, krogličnih in nepovratnih ventilov cevovodov.
Sami cevovodi so zasnovani v skladu z različnimi standardi in predpisi, cevovodni ventili pa sledijo standardu API 6D za cevovodne ventile.
Obstajajo tudi manjši cevovodi, ki se napajajo v hiše in poslovne objekte. Ti vodi zagotavljajo vodo in plin ter so zaščiteni z zapornimi ventili.
Velike občine, zlasti v severnem delu Združenih držav Amerike, zagotavljajo paro za ogrevanje komercialnih odjemalcev. Ti dovodni vodi za paro so opremljeni z različnimi ventili za nadzor in regulacijo dovoda pare. Čeprav je tekočina para, so tlaki in temperature nižji kot pri proizvodnji pare v elektrarnah. Pri tej storitvi se uporabljajo različne vrste ventilov, čeprav je častitljivi čepni ventil še vedno priljubljena izbira.

RAFINERIJA IN PETROKEMIJA
Rafinerijski ventili predstavljajo večjo industrijsko uporabo kot kateri koli drug segment ventilov. Rafinerije so dom tako korozivnih tekočin kot v nekaterih primerih tudi visokih temperatur.
Ti dejavniki narekujejo, kako so ventili izdelani v skladu s specifikacijami zasnove ventilov API, kot so API 600 (zaporni ventili), API 608 (krogelni ventili) in API 594 (nepovratni ventili). Zaradi zahtevne uporabe, s katero se srečujejo mnogi od teh ventilov, je pogosto potreben dodaten toleranca za korozijo. Ta toleranca se kaže v večjih debelinah sten, ki so določene v dokumentih zasnove API.

V tipični veliki rafineriji je mogoče najti praktično vse večje tipe ventilov v izobilju. Vseprisotni zaporni ventil je še vedno kralj hriba z največjo populacijo, vendar četrtinski ventili prevzemajo vse večji tržni delež. Med četrtinskimi ventili, ki uspešno prodirajo v to panogo (v kateri so nekoč prevladovali tudi linearni izdelki), so visokozmogljivi trojno odmaknjeni metuljasti ventili in kroglični ventili s kovinskim sedežem.

Standardni zaporni, kroglični in nepovratni ventili so še vedno množično dostopni in zaradi svoje dovršene zasnove in ekonomičnosti izdelave ne bodo kmalu izginili.
Tlačne vrednosti za rafinerijske ventile segajo od razreda 150 do razreda 1500, pri čemer je razred 300 najbolj priljubljen.
Navadna ogljikova jekla, kot sta razred WCB (lito) in A-105 (kovano), so najpogostejši materiali, ki so določeni in uporabljeni v ventilih za rafinerijske storitve. Številne aplikacije v rafinerijskih procesih premikajo zgornje temperaturne meje navadnih ogljikovih jekel, zato so za te aplikacije določene zlitine za višje temperature. Najbolj priljubljena med njimi so krom/molibdenova jekla, kot so 1-1/4 % Cr, 2-1/4 % Cr, 5 % Cr in 9 % Cr. Nerjavna jekla in zlitine z visoko vsebnostjo niklja se uporabljajo tudi v nekaterih posebej zahtevnih procesih rafiniranja.

KEMIKALIJA
Kemična industrija je velik uporabnik ventilov vseh vrst in materialov. Od majhnih šaržnih obratov do ogromnih petrokemičnih kompleksov na obali Mehiškega zaliva so ventili pomemben del cevovodnih sistemov za kemijske procese.

Večina aplikacij v kemijskih procesih je nižjih tlakov kot mnogi procesi rafiniranja in proizvodnje energije. Najbolj priljubljena tlačna razreda za ventile in cevovode v kemijskih obratih sta razreda 150 in 300. Kemični obrati so bili tudi največji dejavnik prevzema tržnega deleža, ki so ga kroglični ventili v zadnjih 40 letih prevzeli od linearnih ventilov. Krogelni ventil z elastičnim sedežem in zapornim sistemom brez puščanja je idealen za številne aplikacije v kemijskih obratih. Priljubljena lastnost je tudi kompaktna velikost krogličnega ventila.
Še vedno obstajajo nekateri kemični obrati in obrati, kjer so linearni ventili prednostni. V teh primerih so priljubljeni ventili, zasnovani po standardu API 603, s tanjšimi stenami in lažjo težo, običajno izbrani zaporni ali kroglični ventil. Nadzor nekaterih kemikalij se učinkovito doseže tudi z membranskimi ali ščipalnimi ventili.
Zaradi korozivne narave mnogih kemikalij in procesov njihove proizvodnje je izbira materiala ključnega pomena. Dejanski material je avstenitno nerjavno jeklo razreda 316/316L. Ta material se dobro obnese v boju proti koroziji zaradi številnih včasih škodljivih tekočin.

Za nekatere zahtevnejše korozivne aplikacije je potrebna večja zaščita. V teh primerih se pogosto izberejo druge visokozmogljive vrste avstenitnega nerjavnega jekla, kot so 317, 347 in 321. Druge zlitine, ki se občasno uporabljajo za nadzor kemičnih tekočin, vključujejo Monel, Alloy 20, Inconel in 17-4 PH.

LOČEVANJE LNG IN PLINA
Tako utekočinjeni zemeljski plin (LNG) kot procesi, potrebni za ločevanje plinov, so odvisni od obsežnih cevovodov. Te aplikacije zahtevajo ventile, ki lahko delujejo pri zelo nizkih kriogenih temperaturah. Industrija LNG, ki v Združenih državah Amerike hitro raste, nenehno išče načine za nadgradnjo in izboljšanje procesa utekočinjanja plina. V ta namen so cevovodi in ventili postali veliko večji, zahteve glede tlaka pa so se povečale.

Zaradi teh razmer so morali proizvajalci ventilov razviti zasnove, ki ustrezajo strožjim parametrom. Za uporabo v utekočinjenem zemeljskem plinu (LNG) so priljubljeni kroglični in metuljasti ventili s četrtinskim obratom, pri čemer je najpogostejši material nerjaveče jeklo 316ss. Za večino aplikacij LNG je običajna tlačna meja razreda ANSI 600. Čeprav so izdelki s četrtinskim obratom najbolj priljubljene vrste ventilov, lahko v obratih najdemo tudi zasunske, kroglaste in nepovratne ventile.

Storitev ločevanja plinov vključuje delitev plina na posamezne osnovne elemente. Na primer, metode ločevanja z zrakom dajejo dušik, kisik, helij in druge pline v sledovih. Zaradi zelo nizke temperature postopka je potrebnih veliko kriogenih ventilov.

Tako obrati za utekočinjeni zemeljski plin kot obrati za ločevanje plinov imajo nizkotemperaturne ventile, ki morajo ostati delujoči v teh kriogenih pogojih. To pomeni, da je treba sistem tesnjenja ventilov dvigniti stran od nizkotemperaturne tekočine z uporabo plinskega ali kondenzacijskega stebra. Ta plinski steber preprečuje, da bi tekočina okoli območja tesnjenja tvorila ledeno kroglo, kar bi preprečilo vrtenje ali dvig stebla ventila.

POSLOVNE ZGRADBE
Poslovne stavbe nas obdajajo, a če ne posvečamo dovolj pozornosti njihovi gradnji, nimamo pojma o množici tekočih arterij, skritih v njihovih zidovih iz zidu, stekla in kovine.

Skupni imenovalec v skoraj vsaki stavbi je voda. Vse te strukture vsebujejo različne cevovodne sisteme, ki prenašajo številne kombinacije vodikovo-kisikove spojine v obliki pitnih tekočin, odpadne vode, tople vode, sive vode in protipožarne zaščite.

Z vidika preživetja stavb so protipožarni sistemi najpomembnejši. Protipožarna zaščita v stavbah se skoraj povsod napaja in polni s čisto vodo. Da bi bili sistemi za gašenje požarne vode učinkoviti, morajo biti zanesljivi, imeti zadosten tlak in biti priročno nameščeni po celotni konstrukciji. Ti sistemi so zasnovani tako, da se v primeru požara samodejno vklopijo.
Visoke stavbe zahtevajo enak vodni tlak v zgornjih nadstropjih kot v spodnjih nadstropjih, zato je treba za dvig vode navzgor uporabiti visokotlačne črpalke in cevi. Cevovodi so običajno razreda 300 ali 600, odvisno od višine stavbe. V teh aplikacijah se uporabljajo vse vrste ventilov; vendar morajo biti zasnove ventilov za uporabo v požarnem sistemu odobrene s strani Underwriters Laboratories ali Factory Mutual.

Za distribucijo pitne vode se uporabljajo isti razredi in tipi ventilov, kot se uporabljajo za gasilske ventile, čeprav postopek odobritve ni tako strog.
Komercialni klimatski sistemi, ki jih najdemo v velikih poslovnih stavbah, kot so pisarniške stavbe, hoteli in bolnišnice, so običajno centralizirani. Imajo veliko hladilno enoto ali kotel za hlajenje ali ogrevanje tekočine, ki se uporablja za prenos hladu ali visoke temperature. Ti sistemi morajo pogosto delovati s hladilnimi sredstvi, kot je R-134a, fluoroogljikovodiki, ali v primeru večjih ogrevalnih sistemov para. Zaradi kompaktne velikosti metuljastih in krogličnih ventilov so te vrste postale priljubljene v hladilnih sistemih HVAC.

Na strani pare so se uveljavili nekateri četrtinski ventili, vendar se mnogi vodovodarji še vedno zanašajo na linearne zasune in kroglične ventile, zlasti če cevovod zahteva varilne konce. Za te zmerne parne aplikacije je jeklo nadomestilo lito železo zaradi njegove varljivosti.

Nekateri ogrevalni sistemi namesto pare uporabljajo vročo vodo kot prenosno tekočino. Tem sistemom dobro ustrezajo bronasti ali železni ventili. Zelo priljubljeni so kroglični ventili in loputasti ventili z elastičnim sedežem, ki se vrtijo za četrt obrata, čeprav se še vedno uporabljajo nekatere linearne izvedbe.

ZAKLJUČEK
Čeprav dokazov o uporabi ventilov, omenjenih v tem članku, morda ne boste videli med obiskom Starbucksa ali pri babici, so nekateri zelo pomembni ventili vedno v bližini. V motorju avtomobila so celo ventili, ki se uporabljajo za dostop do teh mest, kot so tisti v uplinjaču, ki nadzorujejo pretok goriva v motor, in tisti v motorju, ki nadzorujejo pretok bencina v bate in nazaj. In če ti ventili niso dovolj blizu našemu vsakdanjemu življenju, pomislite na dejstvo, da naša srca redno bijejo prek štirih vitalnih naprav za nadzor pretoka.

To je le še en primer dejstva, da so ventili resnično povsod. VM
Drugi del tega članka zajema dodatne panoge, kjer se uporabljajo ventili. Obiščite www.valvemagazine.com, če želite prebrati o celulozi in papirju, pomorstvu, jezovih in hidroelektrarnah, sončni energiji, železarstvu in jeklarstvu, vesoljski in vesoljski energiji, geotermalni energiji ter kraft pivovarstvu in destilarni.

GREG JOHNSON je predsednik podjetja United Valve (www.unitedvalve.com) v Houstonu. Je sodelujoči urednik revije VALVE, nekdanji predsednik Sveta za popravilo ventilov in trenutni član upravnega odbora VRC. Je tudi član odbora za izobraževanje in usposabljanje VMA, podpredsednik komunikacijskega odbora VMA in nekdanji predsednik Društva za standardizacijo proizvajalcev.