Gdje se koriste ventili: Svugdje!

08. studenog 2017. Napisao Greg Johnson

Ventili se danas mogu naći gotovo bilo gdje: u našim domovima, ispod ulice, u poslovnim zgradama i na tisućama mjesta unutar elektrana i vodovoda, tvornica papira, rafinerija, kemijskih postrojenja i drugih industrijskih i infrastrukturnih objekata.
Industrija ventila je zaista široka, sa segmentima koji variraju od distribucije vode do nuklearne energije, nafte i plina, uzvodno i nizvodno. Svaka od ovih industrija krajnjih korisnika koristi neke osnovne vrste ventila; međutim, detalji konstrukcije i materijala često su vrlo različiti. Evo uzorka:

VODOVOD
U svijetu distribucije vode, tlakovi su gotovo uvijek relativno niski, a temperature sobne. Te dvije činjenice primjene omogućuju niz elemenata dizajna ventila koji se ne bi našli na zahtjevnijoj opremi kao što su visokotemperaturni parni ventili. Okolna temperatura vodovoda omogućuje upotrebu elastomera i gumenih brtvi koje nisu prikladne drugdje. Ovi mekani materijali omogućuju da se ventili za vodu opreme tako da čvrsto zatvaraju kapanje.

Još jedno razmatranje kod ventila za vodovod je izbor materijala za izradu. Lijevano i nodularno željezo se široko koriste u vodovodnim sustavima, posebno u vodovima velikog vanjskog promjera. Vrlo mali vodovi mogu se prilično dobro nositi s brončanim materijalima za ventile.

Tlakovi koje većina ventila vodovoda vidi obično su znatno ispod 200 psi. To znači da nisu potrebne konstrukcije s debljim stijenkama za viši tlak. Uz to, postoje slučajevi kada su ventili za vodu izgrađeni za rukovanje višim tlakovima, do oko 300 psi. Ove primjene obično su na dugim akvaduktima blizu izvora tlaka. Ponekad se ventili za vodu višeg tlaka nalaze i na točkama najvišeg tlaka u visokoj brani.

Američko udruženje vodovoda (AWWA) izdalo je specifikacije koje pokrivaju mnoge različite vrste ventila i aktuatora koji se koriste u vodovodnim primjenama.

OTPADNE VODE
Druga strana svježe pitke vode koja ulazi u objekt ili građevinu je izlaz otpadnih voda ili kanalizacije. Ovi cjevovodi prikupljaju sve otpadne tekućine i krute tvari te ih usmjeravaju u uređaj za pročišćavanje otpadnih voda. Ovi uređaji za pročišćavanje imaju mnogo niskotlačnih cijevi i ventila za obavljanje svog "prljavog posla". Zahtjevi za ventile za otpadne vode u mnogim su slučajevima mnogo blaži od zahtjeva za uslugu čiste vode. Željezni zasuni i nepovratni ventili najpopularniji su izbor za ovu vrstu usluge. Standardni ventili u ovoj usluzi izrađeni su u skladu sa specifikacijama AWWA-e.

ELEKTROINDUSTRIJA
Većina električne energije proizvedene u Sjedinjenim Državama proizvodi se u parnim elektranama koje koriste fosilna goriva i turbine velike brzine. Skidanjem poklopca moderne elektrane dobio bi se pogled na cjevovodne sustave visokog tlaka i visoke temperature. Ovi glavni vodovi najvažniji su u procesu proizvodnje parne energije.

Zaporni ventili ostaju glavni izbor za primjene uključivanja/isključivanja u elektranama, iako se mogu pronaći i kuglasti ventili posebne namjene, u obliku slova Y. Visokoučinkoviti kuglasti ventili za kritične namjene dobivaju na popularnosti kod nekih projektanata elektrana i probijaju se u ovaj svijet u kojem su nekada dominirali linearni ventili.

Metalurgija je ključna za ventile u energetskim primjenama, posebno one koji rade u superkritičnim ili ultra-superkritičnim radnim rasponima tlaka i temperature. F91, F92, C12A, zajedno s nekoliko Inconel i legura nehrđajućeg čelika, često se koriste u današnjim elektranama. Klase tlaka uključuju 1500, 2500, a u nekim slučajevima i 4500. Modulirajuća priroda vršnih elektrana (onih koje rade samo po potrebi) također stavlja ogroman pritisak na ventile i cjevovode, što zahtijeva robusne dizajne za rješavanje ekstremne kombinacije ciklusa, temperature i tlaka.
Osim glavnih parnih ventila, elektrane su opterećene pomoćnim cjevovodima, s mnoštvom zapornih, kuglastih, nepovratnih, leptirastih i ventila.

Nuklearne elektrane rade na istom principu parne/brze turbine. Osnovna razlika je u tome što se u nuklearnoj elektrani para stvara toplinom iz procesa fisije. Ventili nuklearnih elektrana slični su svojim rođacima na fosilna goriva, osim svog porijekla i dodatnog zahtjeva za apsolutnom pouzdanošću. Nuklearni ventili proizvode se prema izuzetno visokim standardima, a dokumentacija o kvalifikaciji i inspekciji ispunjava stotine stranica.

PROIZVODNJA NAFTE I PLINA
Naftni i plinski bušotine i proizvodna postrojenja uvelike koriste ventile, uključujući mnoge teške ventile. Iako više nije vjerojatno da će se pojaviti mlazovi nafte koji izbacuju stotine metara u zrak, slika ilustrira potencijalni tlak podzemne nafte i plina. Zbog toga se glave bušotina ili božićna drvca postavljaju na vrh dugog niza cijevi bunara. Ovi sklopovi, sa svojom kombinacijom ventila i posebnih spojnica, dizajnirani su za podnošenje tlakova većih od 10 000 psi. Iako se danas rijetko nalaze na bunarima iskopanim na kopnu, ekstremno visoki tlakovi često se nalaze na dubokim offshore bušotinama.

Dizajn opreme za ušće bušotine obuhvaćen je API specifikacijama kao što je 6A, Specifikacija za ušće bušotine i opremu za božićna drvca. Ventili obuhvaćeni u 6A dizajnirani su za izuzetno visoke tlakove, ali umjerene temperature. Većina božićnih drvca sadrži zasunske ventile i posebne kuglaste ventile koji se nazivaju prigušnice. Prigušnice se koriste za regulaciju protoka iz bušotine.

Osim samih bušotina, naftno ili plinsko polje zauzimaju mnogi pomoćni objekti. Procesna oprema za prethodnu obradu nafte ili plina zahtijeva niz ventila. Ti ventili su obično od ugljičnog čelika nižih klasa.

Povremeno je u sirovom naftnom toku prisutna vrlo korozivna tekućina - sumporovodik. Ovaj materijal, koji se naziva i kiseli plin, može biti smrtonosan. Kako bi se prevladali izazovi kiselog plina, moraju se slijediti posebni materijali ili tehnike obrade materijala u skladu s međunarodnom specifikacijom NACE MR0175.

ODMORSKE INDUSTRIJE
Cjevovodni sustavi za naftne platforme i proizvodna postrojenja na moru sadrže mnoštvo ventila izrađenih prema različitim specifikacijama kako bi se nosili sa širokim rasponom izazova regulacije protoka. Ovi objekti također sadrže razne petlje regulacijskog sustava i uređaje za smanjenje tlaka.

Za postrojenja za proizvodnju nafte, arterijsko srce je stvarni sustav cjevovoda za iskorištavanje nafte ili plina. Iako ne uvijek na samoj platformi, mnogi proizvodni sustavi koriste božićna drvca i cjevovodne sustave koji rade na negostoljubivim dubinama od 3000 metara ili više. Ova proizvodna oprema izgrađena je prema mnogim strogim standardima Američkog naftnog instituta (API) i navedena je u nekoliko preporučenih praksi (RP) API-ja.

Na većini velikih naftnih platformi primjenjuju se dodatni procesi na sirovu tekućinu koja dolazi iz ušća bušotine. To uključuje odvajanje vode od ugljikovodika i odvajanje plina i prirodnog plina u tekućinama od toka tekućine. Ovi cjevovodni sustavi nakon božićnog drvca obično se grade prema propisima o cjevovodima Američkog društva strojarskih inženjera B31.3, a ventili su dizajnirani u skladu sa specifikacijama API ventila kao što su API 594, API 600, API 602, API 608 i API 609.

Neki od ovih sustava mogu sadržavati i API 6D zaporne, kuglaste i nepovratne ventile. Budući da se svi cjevovodi na platformi ili brodu za bušenje nalaze unutar postrojenja, ne primjenjuju se strogi zahtjevi za korištenje API 6D ventila za cjevovode. Iako se u ovim cjevovodnim sustavima koristi više vrsta ventila, vrsta ventila po izboru je kuglasti ventil.

CJEVOVODOVI
Iako je većina cjevovoda skrivena od pogleda, njihova prisutnost je obično očita. Mali znakovi s natpisom "naftovod" jedan su od očitih pokazatelja prisutnosti podzemnih transportnih cjevovoda. Ovi cjevovodi opremljeni su mnogim važnim ventilima duž cijele svoje duljine. Ventili za zatvaranje cjevovoda u slučaju nužde nalaze se u intervalima određenim standardima, propisima i zakonima. Ovi ventili služe vitalnoj funkciji izoliranja dijela cjevovoda u slučaju curenja ili kada je potrebno održavanje.

Također, duž trase cjevovoda nalaze se objekti gdje cjevovod izlazi iz zemlje i gdje je omogućen pristup cjevovodu. Ove stanice su dom za opremu za lansiranje "svinjskih" ventila, koja se sastoji od uređaja umetnutih u cjevovode radi pregleda ili čišćenja cjevovoda. Ove stanice za lansiranje svinjskih ventila obično sadrže nekoliko ventila, bilo zapornih ili kuglastih. Svi ventili na cjevovodnom sustavu moraju biti potpuno otvoreni kako bi omogućili prolaz svinja.

Cjevovodi također trebaju energiju za borbu protiv trenja u cjevovodu i održavanje tlaka i protoka u liniji. Koriste se kompresorske ili crpne stanice koje izgledaju kao male verzije procesnog postrojenja bez visokih tornjeva za kidanje. Ove stanice imaju desetke zapornih, kuglastih i nepovratnih ventila cjevovoda.
Sami cjevovodi su projektirani u skladu s raznim standardima i propisima, dok ventili za cjevovode slijede API 6D standard za ventile za cjevovode.
Postoje i manji cjevovodi koji se dovode u kuće i poslovne objekte. Ovi vodovi osiguravaju vodu i plin te su zaštićeni zapornim ventilima.
Velike općine, posebno u sjevernom dijelu Sjedinjenih Država, opskrbljuju parom komercijalne korisnike toplinskim sustavima. Ovi parovodi opremljeni su raznim ventilima za kontrolu i regulaciju opskrbe parom. Iako je fluid para, tlakovi i temperature niži su od onih u proizvodnji pare u elektranama. U ovoj usluzi koriste se razni tipovi ventila, iako je poznati čepni ventil i dalje popularan izbor.

RAFINERIJA I PETROKEMIJA
Rafinerijski ventili čine veću industrijsku upotrebu od bilo kojeg drugog segmenta ventila. Rafinerije su dom korozivnim tekućinama, a u nekim slučajevima i visokim temperaturama.
Ovi čimbenici diktiraju kako se ventili grade u skladu s API specifikacijama dizajna ventila kao što su API 600 (zasunski ventili), API 608 (kuglasti ventili) i API 594 (nepovratni ventili). Zbog teških uvjeta rada s kojima se susreću mnogi od ovih ventila, često je potreban dodatni tolerancija za koroziju. Ta se tolerancija očituje kroz veće debljine stijenki koje su navedene u API dokumentima o dizajnu.

Gotovo svaki glavni tip ventila može se naći u izobilju u tipičnoj velikoj rafineriji. Sveprisutni zasunski ventil i dalje je kralj brda s najvećom populacijom, ali četvrtokružni ventili zauzimaju sve veći dio njihovog tržišnog udjela. Četvrtokružni proizvodi koji uspješno prodiru u ovu industriju (kojom su nekada dominirali i linearni proizvodi) uključuju visokoučinkovite trostruko pomaknute leptiraste ventile i kuglaste ventile s metalnim sjedištem.

Standardni zasuni, kuglasti i nepovratni ventili još se uvijek nalaze u velikom broju i zbog srdačnosti svog dizajna i ekonomičnosti proizvodnje neće uskoro nestati.
Nazivni tlakovi za rafinerijske ventile kreću se od klase 150 do klase 1500, pri čemu je klasa 300 najpopularnija.
Obični ugljični čelici, kao što su klase WCB (lijevani) i A-105 (kovani), najpopularniji su materijali specificirani i korišteni u ventilima za rafinerijske usluge. Mnoge primjene u procesima rafiniranja pomiču gornje temperaturne granice običnih ugljičnih čelika, a za te primjene specificiraju se legure za više temperature. Najpopularniji od njih su krom/molibden čelici kao što su 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr i 9% Cr. Nehrđajući čelici i legure s visokim udjelom nikla također se koriste u nekim posebno teškim procesima rafiniranja.

KEMIJSKI
Kemijska industrija je veliki korisnik ventila svih vrsta i materijala. Od malih postrojenja za proizvodnju do ogromnih petrokemijskih kompleksa na obali Meksičkog zaljeva, ventili su ogroman dio cjevovodnih sustava kemijskih procesa.

Većina primjena u kemijskim procesima ima niži tlak nego mnogi procesi rafiniranja i proizvodnje energije. Najpopularnije klase tlaka za ventile i cjevovode u kemijskim postrojenjima su klase 150 i 300. Kemijska postrojenja također su bila najveći pokretač preuzimanja tržišnog udjela koji su kuglasti ventili preuzeli od linearnih ventila tijekom posljednjih 40 godina. Kuglasti ventil s elastičnim sjedištem, sa svojim zatvaračem bez propuštanja, savršeno odgovara mnogim primjenama u kemijskim postrojenjima. Kompaktna veličina kuglastog ventila također je popularna značajka.
Još uvijek postoje neka kemijska postrojenja i procesi u postrojenjima gdje se preferiraju linearni ventili. U tim slučajevima, popularni ventili dizajnirani prema API 603, s tanjim stijenkama i lakšom težinom, obično su zasun ili kuglasti ventil izbora. Kontrola nekih kemikalija također se učinkovito postiže membranskim ili steznim ventilima.
Zbog korozivne prirode mnogih kemikalija i procesa njihove proizvodnje, odabir materijala je ključan. De facto materijal je austenitni nehrđajući čelik klase 316/316L. Ovaj materijal dobro se bori protiv korozije uzrokovane mnoštvom ponekad neugodnih tekućina.

Za neke teže korozivne primjene potrebna je veća zaštita. U tim se situacijama često biraju druge visokoučinkovite vrste austenitnog nehrđajućeg čelika, poput 317, 347 i 321. Druge legure koje se s vremena na vrijeme koriste za kontrolu kemijskih tekućina uključuju Monel, Alloy 20, Inconel i 17-4 PH.

ODVAJANJE LNG-a I PLINA
I tekući prirodni plin (LNG) i procesi potrebni za odvajanje plina oslanjaju se na opsežne cjevovode. Ove primjene zahtijevaju ventile koji mogu raditi na vrlo niskim kriogenim temperaturama. Industrija LNG-a, koja brzo raste u Sjedinjenim Državama, kontinuirano nastoji nadograditi i poboljšati proces ukapljivanja plina. U tu svrhu, cjevovodi i ventili postali su mnogo veći, a zahtjevi za tlakom su povećani.

Zbog ove situacije proizvođači ventila moraju razviti dizajne koji zadovoljavaju strože parametre. Kuglasti i leptirasti ventili s četvrtinskim okretanjem popularni su za LNG usluge, a najpopularniji materijal je nehrđajući čelik 316ss. ANSI klasa 600 je uobičajeni gornji tlak za većinu LNG primjena. Iako su proizvodi s četvrtinskim okretanjem najpopularnije vrste ventila, u postrojenjima se mogu naći i zasunski, kuglasti i nepovratni ventili.

Usluga odvajanja plinova uključuje dijeljenje plina na njegove pojedinačne osnovne elemente. Na primjer, metode odvajanja zraka daju dušik, kisik, helij i druge plinove u tragovima. Vrlo niska temperatura procesa znači da su potrebni mnogi kriogeni ventili.

I postrojenja za LNG i postrojenja za odvajanje plina imaju niskotemperaturne ventile koji moraju ostati operativni u tim kriogenim uvjetima. To znači da sustav pakiranja ventila mora biti podignut dalje od tekućine niske temperature pomoću plinskog ili kondenzacijskog stupca. Ovaj plinski stupac sprječava stvaranje ledene kugle tekućine oko područja pakiranja, što bi spriječilo okretanje ili podizanje stabla ventila.

POSLOVNE ZGRADE
Poslovne zgrade nas okružuju, ali ako ne obratimo posebnu pozornost dok se grade, nemamo pojma o mnoštvu fluidnih arterija skrivenih unutar njihovih zidova od zida, stakla i metala.

Zajednički nazivnik u gotovo svakoj zgradi je voda. Sve te strukture sadrže razne cjevovodne sustave koji prenose mnoge kombinacije spoja vodika/kisika u obliku pitkih tekućina, otpadnih voda, tople vode, sive vode i zaštite od požara.

S gledišta preživljavanja zgrada, protupožarni sustavi su najvažniji. Protupožarna zaštita u zgradama gotovo se univerzalno napaja i puni čistom vodom. Da bi sustavi protupožarne vode bili učinkoviti, moraju biti pouzdani, imati dovoljan tlak i biti prikladno smješteni unutar cijele građevine. Ovi sustavi su dizajnirani da se automatski aktiviraju u slučaju požara.
Visoke zgrade zahtijevaju isti tlak vode na gornjim katovima kao i na donjim katovima, pa se za podizanje vode prema gore moraju koristiti visokotlačne pumpe i cijevi. Cjevovodni sustavi su obično klase 300 ili 600, ovisno o visini zgrade. U ovim se primjenama koriste sve vrste ventila; međutim, dizajn ventila mora biti odobren od strane Underwriters Laboratories ili Factory Mutual za glavni protupožarni vod.

Iste klase i vrste ventila koje se koriste za ventile za vatrogasnu službu koriste se za distribuciju pitke vode, iako proces odobravanja nije toliko strog.
Komercijalni klimatizacijski sustavi koji se nalaze u velikim poslovnim objektima poput uredskih zgrada, hotela i bolnica obično su centralizirani. Imaju veliku rashladnu jedinicu ili bojler za hlađenje ili zagrijavanje tekućine koja se koristi za prijenos hladnoće ili visoke temperature. Ovi sustavi često moraju rukovati rashladnim sredstvima kao što je R-134a, hidrofluorougljik ili, u slučaju velikih sustava grijanja, parom. Zbog kompaktne veličine leptirastih i kuglastih ventila, ove vrste postale su popularne u HVAC rashladnim sustavima.

Na strani pare, neki četvrtokružni ventili su se uvelike proširili, no mnogi vodoinstalateri se i dalje oslanjaju na linearne zasune i kuglaste ventile, posebno ako cjevovod zahtijeva zavarivanje krajeva. Za ove umjerene primjene s parom, čelik je zamijenio lijevano željezo zbog zavarljivosti čelika.

Neki sustavi grijanja koriste vruću vodu umjesto pare kao prijenosnu tekućinu. Za te sustave dobro se koriste brončani ili željezni ventili. Kuglasti i leptirasti ventili s elastičnim sjedištem s četvrtinskim okretanjem vrlo su popularni, iako se još uvijek koriste neki linearni dizajni.

ZAKLJUČAK
Iako dokazi o primjeni ventila spomenutih u ovom članku možda nisu vidljivi tijekom odlaska u Starbucks ili kod bake, neki vrlo važni ventili uvijek su u blizini. Postoje čak i ventili u motoru automobila koji se koriste za dolazak do tih mjesta, poput onih u rasplinjaču koji kontroliraju protok goriva u motor i onih u motoru koji kontroliraju protok benzina u klipove i natrag. A ako ti ventili nisu dovoljno blizu našem svakodnevnom životu, razmislite o činjenici da naša srca redovito kucaju putem četiri vitalna uređaja za kontrolu protoka.

Ovo je samo još jedan primjer stvarnosti da: ventili su zaista posvuda. VM
Drugi dio ovog članka pokriva dodatne industrije u kojima se koriste ventili. Posjetite www.valvemagazine.com kako biste pročitali o industriji celuloze i papira, pomorskim primjenama, branama i hidroelektranama, solarnoj energiji, željezu i čeliku, zrakoplovstvu, geotermalnoj energiji te craft pivarstvu i destilaciji.

GREG JOHNSON je predsjednik tvrtke United Valve (www.unitedvalve.com) u Houstonu. Suradnik je u časopisu VALVE, bivši predsjednik Vijeća za popravak ventila i trenutni član upravnog odbora VRC-a. Također je član Odbora za obrazovanje i osposobljavanje VMA-e, potpredsjednik je Komunikacijskog odbora VMA-e i bivši predsjednik Društva za standardizaciju proizvođača.