Gdje se koriste ventili: Svugdje!

08. novembra 2017. Autor: Greg Johnson

Ventili se danas mogu naći gotovo svugdje: u našim domovima, ispod ulice, u poslovnim zgradama i na hiljadama mjesta unutar elektrana i vodovoda, tvornica papira, rafinerija, hemijskih postrojenja i drugih industrijskih i infrastrukturnih objekata.
Industrija ventila je zaista širokog spektra, sa segmentima koji variraju od distribucije vode do nuklearne energije, pa sve do uzvodnih i nizvodnih procesa u nafti i plinu. Svaka od ovih industrija krajnjih korisnika koristi neke osnovne tipove ventila; međutim, detalji konstrukcije i materijala često su vrlo različiti. Evo uzorka:

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

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

Pritisci koje većina ventila vodovodnih sistema podnosi obično su znatno ispod 200 psi. To znači da nisu potrebne konstrukcije s debljim zidovima za viši pritisak. Uz to rečeno, postoje slučajevi kada su ventili za vodu izgrađeni da podnose veće pritiske, do oko 300 psi. Ove primjene se obično nalaze na dugim akvaduktima blizu izvora pritiska. Ponekad se ventili za vodu višeg pritiska nalaze i na tačkama najvišeg pritiska u visokim branama.

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

OTPADNE VODE
Druga strana svježe pitke vode koja ulazi u objekt ili građevinu je izlaz otpadnih voda ili kanalizacije. Ove cijevi prikupljaju sve otpadne tekućine i čvrste tvari i usmjeravaju ih u postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda. Ova postrojenja za prečišćavanje imaju mnogo niskotlačnih cijevi i ventila za obavljanje svog "prljavog posla". Zahtjevi za ventile za otpadne vode u mnogim slučajevima su mnogo blaži od zahtjeva za uslugu čiste vode. Željezni zatvarači i nepovratni ventili su najpopularniji izbor za ovu vrstu usluge. Standardni ventili u ovoj usluzi izgrađeni su u skladu sa specifikacijama AWWA.

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

Zaporni ventili ostaju glavni izbor za primjene u uključivanju/isključivanju elektrana, iako se mogu naći i kuglasti ventili posebne namjene, u obliku slova Y. Visokoučinkoviti kuglasti ventili za kritične servise 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 pritiska i temperature. F91, F92, C12A, zajedno s nekoliko legura Inconel i nehrđajućeg čelika, često se koriste u današnjim elektranama. Klase pritiska uključuju 1500, 2500, a u nekim slučajevima i 4500. Modulirajuća priroda elektrana s vršnom snagom (one koje rade samo po potrebi) također stavlja ogroman pritisak na ventile i cijevi, zahtijevajući robusne dizajne za rukovanje ekstremnom kombinacijom ciklusa, temperature i pritiska.
Pored glavnih parnih ventila, elektrane su opterećene pomoćnim cjevovodima, s mnoštvom zapornih, kuglastih, nepovratnih, leptirastih i ventila.

Nuklearne elektrane rade na istom principu pare/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 po izuzetno visokim standardima, a dokumentacija o kvalifikaciji i inspekciji ispunjava stotine stranica.

PROIZVODNJA NAFTE I PLINA
Naftni i plinski bunari i proizvodna postrojenja uveliko koriste ventile, uključujući mnoge teške ventile. Iako više nije vjerovatno da će se pojaviti mlazovi nafte koji izbacuju stotine metara u zrak, slika ilustruje potencijalni pritisak podzemne nafte i plina. Zbog toga se glave bunara ili "božićna drvca" postavljaju na vrh dugog niza cijevi bunara. Ovi sklopovi, sa svojom kombinacijom ventila i posebnih spojnica, dizajnirani su da podnose pritiske veće od 10.000 psi. Iako se danas rijetko nalaze na bunarima iskopanim na kopnu, ekstremno visoki pritisci se često nalaze na dubokim priobalnim bunarima.

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 pritiske, 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.

Pored samih bušotina, naftna ili plinska polja imaju i mnoga pomoćna postrojenja. Procesna oprema za prethodnu obradu nafte ili plina zahtijeva određeni broj ventila. Ovi ventili su obično od ugljičnog čelika, klase nižih klasa.

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

OFFSHORE INDUSTRIJA
Cjevovodni sistemi za naftne platforme i proizvodna postrojenja na moru sadrže mnoštvo ventila izgrađenih prema različitim specifikacijama kako bi se nosili sa širokim spektrom izazova kontrole protoka. Ova postrojenja također sadrže različite petlje kontrolnog sistema i uređaje za smanjenje pritiska.

Za postrojenja za proizvodnju nafte, arterijsko srce je stvarni sistem cjevovoda za iskorištavanje nafte ili plina. Iako nisu uvijek na samoj platformi, mnogi proizvodni sistemi koriste "božićna drvca" i sisteme cjevovoda koji rade na negostoljubivim dubinama od 3.000 metara ili više. Ova proizvodna oprema je izgrađena prema mnogim strogim standardima Američkog naftnog instituta (API) i navedena je u nekoliko preporučenih praksi (RP) API-ja.

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

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

CJEVOVODOVI
Iako je većina cjevovoda skrivena od pogleda, njihovo prisustvo je obično očigledno. Mali znakovi s natpisom "naftovod" su jedan očigledan pokazatelj prisustva podzemnih transportnih cjevovoda. Ovi cjevovodi su opremljeni mnogim važnim ventilima duž cijele svoje dužine. 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" uređaja, koja se sastoji od uređaja umetnutih u cjevovode bilo radi inspekcije ili čišćenja cjevovoda. Ove stanice za lansiranje "svinjskih" uređaja obično sadrže nekoliko ventila, bilo zapornih ili kuglastih. Svi ventili na cjevovodnom sistemu moraju biti potpuno otvoreni kako bi omogućili prolaz svinja.

Cjevovodima je također potrebna energija za borbu protiv trenja u cjevovodu i održavanje pritiska i protoka u liniji. Koriste se kompresorske ili crpne stanice koje izgledaju kao male verzije procesnog postrojenja bez visokih tornjeva za krekiranje. Ove stanice su dom desetina zapornih, kuglastih i nepovratnih ventila cjevovoda.
Sami cjevovodi su projektovani u skladu s različitim 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 i zaštićeni su zapornim ventilima.
Velike općine, posebno u sjevernom dijelu Sjedinjenih Američkih Država, osiguravaju paru za potrebe grijanja komercijalnih kupaca. Ovi vodovi za dovod pare opremljeni su raznim ventilima za kontrolu i regulaciju dovoda pare. Iako je fluid para, pritisci i temperature su niži od onih koji se nalaze u proizvodnji pare u elektranama. U ovoj usluzi se koristi niz tipova ventila, iako je poznati čepni ventil i dalje popularan izbor.

RAFINERIJA I PETROHEMIJA
Rafinerijski ventili čine veću upotrebu industrijskih ventila nego bilo koji drugi segment ventila. Rafinerije su dom i korozivnim tekućinama, a u nekim slučajevima i visokim temperaturama.
Ovi faktori diktiraju kako se ventili grade u skladu sa API specifikacijama dizajna ventila kao što su API 600 (zasunski ventili), API 608 (kuglasti ventili) i API 594 (nepovratni ventili). Zbog teških uslova rada s kojima se suočavaju mnogi od ovih ventila, često je potreban dodatni dodatak za koroziju. Ovaj dodatak se manifestuje kroz veće debljine stijenki koje su navedene u API dokumentima za dizajn.

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

Standardni zasuni, kuglasti i nepovratni ventili se i dalje nalaze u velikom broju i zbog srdačnosti svog dizajna i ekonomičnosti proizvodnje, neće uskoro nestati.
Nazivni pritisci 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 (liveno) i A-105 (kovano), su najpopularniji materijali specificirani i korišteni u ventilima za rafinerijske usluge. Mnoge primjene u procesima rafiniranja pomjeraju gornje temperaturne granice običnih ugljičnih čelika, a za ove primjene su specificirane legure za više temperature. Najpopularniji od njih su hrom/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.

KEMIJSKO
Hemijska industrija je veliki korisnik ventila svih vrsta i materijala. Od malih postrojenja za proizvodnju do ogromnih petrohemijskih kompleksa koji se nalaze na obali Meksičkog zaliva, ventili su ogroman dio cjevovodnih sistema za hemijske procese.

Većina primjena u hemijskim procesima ima niži pritisak nego mnogi procesi rafiniranja i proizvodnje energije. Najpopularnije klase pritiska za ventile i cijevi u hemijskim postrojenjima su klase 150 i 300. Hemijska postrojenja su također bila najveći pokretač preuzimanja tržišnog udjela koji su kuglasti ventili preuzeli od linearnih ventila u proteklih 40 godina. Kuglasti ventil s elastičnim sjedištem, sa svojim zatvaračem bez curenja, savršeno se uklapa u mnoge primjene u hemijskim postrojenjima. Kompaktna veličina kuglastog ventila također je popularna karakteristika.
Još uvijek postoje neka hemijska postrojenja i procesi u postrojenjima gdje se preferiraju linearni ventili. U tim slučajevima, popularni ventili dizajnirani prema API 603 standardu, s tanjim stijenkama i lakšom težinom, obično su zaporni ili kuglasti ventil izbora. Kontrola nekih hemikalija se također efikasno postiže membranskim ili pinch ventilima.
Zbog korozivne prirode mnogih hemikalija 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 ovim situacijama često se biraju druge visokoperformansne vrste austenitnog nehrđajućeg čelika, kao što su 317, 347 i 321. Druge legure koje se s vremena na vrijeme koriste za kontrolu hemijskih tekućina uključuju Monel, Alloy 20, Inconel i 17-4 PH.

ODVAJANJE LNG-a I PLINA
I tečni prirodni gas (LNG) i procesi potrebni za odvajanje gasa 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 Američkim Državama, kontinuirano nastoji unaprijediti i poboljšati proces ukapljivanja gasa. U tu svrhu, cjevovodi i ventili su postali mnogo veći, a zahtjevi za pritiskom su povećani.

Ova situacija je zahtijevala od proizvođača ventila da razviju dizajne koji zadovoljavaju strože parametre. Kuglasti i leptirasti ventili sa četvrtinskim okretanjem su popularni za LNG usluge, a najpopularniji materijal je 316ss [nerđajući čelik]. ANSI klasa 600 je uobičajeni gornji prag pritiska za većinu LNG primjena. Iako su proizvodi sa četvrtinskim okretanjem najpopularniji tipovi ventila, u postrojenjima se mogu naći i zasuni, kuglasti i nepovratni ventili.

Usluga odvajanja plina 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 za separaciju plina imaju niskotemperaturne ventile koji moraju ostati operativni u ovim kriogenim uvjetima. To znači da sistem zaptivke ventila mora biti podignut dalje od fluida niske temperature korištenjem plinske ili kondenzacijske kolone. Ova plinska kolona sprječava da fluid formira ledenu kuglu oko područja zaptivke, što bi spriječilo okretanje ili podizanje stabla ventila.

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

Zajednički nazivnik u gotovo svakoj zgradi je voda. Sve ove strukture sadrže različite cjevovodne sisteme koji prenose mnoge kombinacije spojeva vodika/kiseonika u obliku pijaćih tekućina, otpadnih voda, tople vode, sive vode i protivpožarne zaštite.

Sa stanovišta preživljavanja zgrada, protivpožarni sistemi su najvažniji. Protivpožarna zaštita u zgradama se gotovo univerzalno napaja i puni čistom vodom. Da bi sistemi za gašenje požara bili efikasni, moraju biti pouzdani, imati dovoljan pritisak i biti povoljno smješteni unutar cijele konstrukcije. Ovi sistemi su dizajnirani da se automatski aktiviraju u slučaju požara.
Visoke zgrade zahtijevaju isti pritisak vode na gornjim spratovima kao i na donjim spratovima, tako da se za podizanje vode prema gore moraju koristiti visokotlačne pumpe i cijevi. Cjevovodni sistemi su obično klase 300 ili 600, ovisno o visini zgrade. U ovim primjenama koriste se sve vrste ventila; međutim, dizajn ventila mora biti odobren od strane Underwriters Laboratories ili Factory Mutual za glavni protivpožarni vod.

Iste klase i tipovi ventila koji se koriste za ventile za vatrogasne službe koriste se za distribuciju pitke vode, iako proces odobravanja nije toliko strog.
Komercijalni sistemi klimatizacije koji se nalaze u velikim poslovnim objektima kao što su kancelarijske zgrade, hoteli i bolnice obično su centralizovani. Imaju veliku rashladnu jedinicu ili bojler za hlađenje ili zagrijavanje fluida koji se koristi za prenos hladnoće ili visoke temperature. Ovi sistemi često moraju da rukuju rashladnim sredstvima kao što je R-134a, hidrofluorougljik ili, u slučaju velikih sistema grijanja, parom. Zbog kompaktne veličine leptirastih i kuglastih ventila, ovi tipovi su postali popularni u HVAC rashladnim sistemima.

Na strani pare, neki četvrtinski ventili su se uveliko koristili, ali 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 liveno željezo zbog zavarljivosti čelika.

Neki sistemi grijanja koriste vruću vodu umjesto pare kao prenosni fluid. Ove sisteme dobro opslužuju bronzani ili željezni ventili. Kuglasti i leptirasti ventili sa elastičnim sjedištem sa četvrtinskim okretanjem su veoma popularni, iako se neki linearni dizajni još uvijek koriste.

ZAKLJUČAK
Iako dokazi o primjeni ventila spomenutih u ovom članku možda nisu vidljivi tokom odlaska u Starbucks ili kod bake, neki vrlo važni ventili su uvijek u blizini. Postoje čak i ventili u motoru automobila koji se koriste za dosezanje tih mjesta, poput onih u karburatoru 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 redovno kucaju putem četiri vitalna uređaja za kontrolu protoka.

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

GREG JOHNSON je predsjednik kompanije United Valve (www.unitedvalve.com) u Houstonu. On je saradnik i urednik časopisa VALVE, bivši predsjednik Vijeća za popravak ventila i trenutni član odbora VRC-a. Također je član Odbora za obrazovanje i obuku VMA-e, potpredsjednik je Komunikacijskog odbora VMA-e i bivši predsjednik Društva za standardizaciju proizvođača.