Gdje se koriste ventili: svuda!

08. novembar 2017. Napisao Greg Johnson

Ventile se danas mogu naći skoro svuda: u našim domovima, ispod ulice, u poslovnim zgradama i na hiljadama mesta u elektranama i vodovodima, fabrikama papira, rafinerijama, hemijskim postrojenjima i drugim industrijskim i infrastrukturnim objektima.
Industrija ventila je zaista široka, sa segmentima koji variraju od distribucije vode preko nuklearne energije do uzvodno i nizvodno nafte i plina. Svaka od ovih industrija krajnjih korisnika koristi neke osnovne tipove ventila; međutim, detalji konstrukcije i materijali su često veoma različiti. Evo uzorka:

VODOVODNI RADOVI
U svijetu distribucije vode, pritisci su skoro uvijek relativno niski, a temperature okoline. Te dvije činjenice o primjeni omogućavaju niz elemenata dizajna ventila koji se ne bi našli na izazovnijoj opremi kao što su parni ventili visoke temperature. Ambijentalna temperatura vode dozvoljava korištenje elastomera i gumenih zaptivki koje nisu prikladne drugdje. Ovi mekani materijali omogućavaju opremanje ventila za vodu za čvrsto zatvaranje kapanja.

Još jedno razmatranje kod ventila za vodu je izbor materijala za konstrukciju. Liveno i nodularno gvožđe se intenzivno koriste u vodovodnim sistemima, posebno u vodovama velikog spoljašnjeg prečnika. Vrlo male linije mogu se prilično dobro nositi s materijalima od bronzanih ventila.

Pritisci koje vidi većina vodovodnih ventila obično su znatno ispod 200 psi. To znači da nisu potrebni dizajni sa debljim zidovima i visokim pritiskom. Imajući to u vidu, postoje slučajevi u kojima su ventili za vodu napravljeni da izdrže veće pritiske, do oko 300 psi. Ove aplikacije su obično na dugim akvaduktima blizu izvora pritiska. Ponekad se ventili za vodu visokog pritiska takođe nalaze na tačkama sa najvišim pritiskom u visokoj brani.

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

OTPADNE VODE
Druga strana svježe pitke vode koja ulazi u objekat ili strukturu je otpadna voda ili kanalizacija. Ove linije prikupljaju svu otpadnu tečnost i čvrste materije i usmeravaju ih u postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda. Ova postrojenja za tretman imaju mnogo niskotlačnih cjevovoda 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. Željezna kapija i nepovratni ventili su najpopularniji izbor za ovu vrstu usluge. Standardni ventili u ovom servisu izrađeni su u skladu sa AWWA specifikacijama.

ENERGETIKA
Većina električne energije proizvedene u Sjedinjenim Državama proizvodi se u parnim postrojenjima koja koriste fosilna goriva i turbine velike brzine. Uklanjanje poklopca moderne elektrane dalo bi pogled na sisteme cevovoda pod visokim pritiskom i visokom temperaturom. Ove glavne linije su najkritičnije u procesu proizvodnje parne energije.

Zaporni ventili ostaju glavni izbor za aplikacije za uključivanje/isključivanje elektrana, iako se takođe nalaze ventili za specijalnu namjenu, Y-obrazac. Kuglasti ventili visokih performansi, kritični servisi, postaju sve popularniji kod nekih dizajnera elektrana i probijaju se u ovom svijetu u kojem su nekada dominirali linearni ventili.

Metalurgija je kritična za ventile u energetskim aplikacijama, posebno one koji rade u superkritičnim ili ultra-superkritičnim radnim rasponima pritiska i temperature. F91, F92, C12A, zajedno sa nekoliko inkonela i legura nerđajućeg čelika se obično koriste u današnjim elektranama. Klase tlaka uključuju 1500, 2500 i u nekim slučajevima 4500. Modulirajuća priroda vršnih elektrana (onih koje rade samo prema potrebi) također stavlja veliki pritisak na ventile i cijevi, zahtijevajući robusne konstrukcije za rukovanje ekstremnom kombinacijom ciklusa, temperature i pritisak.
Pored glavnog parnog ventila, elektrane su opterećene pomoćnim cjevovodima, naseljenim bezbrojnim zapornim, globusnim, nepovratnim, leptir i kugličnim ventilima.

Nuklearne elektrane rade na istom principu parne/brzinske turbine. Primarna razlika je u tome što se u nuklearnoj elektrani para stvara toplinom iz procesa fisije. Ventili nuklearnih elektrana slični su njihovim rođacima na fosilna goriva, osim po njihovom porijeklu i dodatnom zahtjevu apsolutne pouzdanosti. Nuklearni ventili se proizvode po izuzetno visokim standardima, sa kvalifikacionom i inspekcijskom dokumentacijom koja ispunjava stotine stranica.

PROIZVODNJA NAFTE I GASA
Naftne i plinske bušotine i proizvodni pogoni su veliki korisnici ventila, uključujući mnoge ventile za teška opterećenja. Iako više nije vjerovatno da će se šikljati nafte koja izbacuje stotine stopa u zrak, slika ilustruje potencijalni pritisak podzemne nafte i plina. Zbog toga se glave bunara ili božićna drvca postavljaju na vrh dugačkog niza cijevi bunara. Ovi sklopovi, sa svojom kombinacijom ventila i specijalnih spojnica, dizajnirani su da podnose pritiske više od 10.000 psi. Iako se rijetko nalaze na bunarima iskopanim na kopnu ovih dana, ekstremno visoki pritisci se često nalaze na dubokim bušotinama na moru.

Dizajn opreme na ušću bušotine pokriven je API specifikacijama kao što su 6A, Specifikacija za opremu ušća bušotine i božićno drvce. Ventili pokriveni sa 6A su dizajnirani za ekstremno visoke pritiske, ali skromne temperature. Većina božićnih drvaca sadrži zasune i posebne globusne ventile zvane prigušnice. Prigušnice se koriste za regulaciju protoka iz bunara.

Pored samih izvora, mnoga pomoćna postrojenja naseljavaju naftno ili plinsko polje. Procesna oprema za prethodnu obradu nafte ili plina zahtijeva određeni broj ventila. Ovi ventili su obično od ugljičnog čelika za niže klase.

Povremeno je vrlo korozivna tečnost — sumporovodik — prisutna u struji sirove nafte. Ovaj materijal, koji se naziva i kiseli gas, može biti smrtonosan. Da bi se savladali izazovi kiselog gasa, moraju se poštovati specijalni materijali ili tehnike obrade materijala u skladu sa međunarodnom NACE specifikacijom MR0175.

OFFSHORE INDUSTRY
Sistemi cjevovoda za naftne platforme i proizvodne pogone na moru sadrže mnoštvo ventila izgrađenih prema mnogim različitim specifikacijama za rješavanje širokog spektra izazova kontrole protoka. Ovi objekti takođe sadrže razne petlje upravljačkog sistema i uređaje za rasterećenje pritiska.

Za postrojenja za proizvodnju nafte, arterijsko srce je stvarni sistem cjevovoda za oporavak nafte ili plina. Iako nisu uvijek na samoj platformi, mnogi proizvodni sistemi koriste božićna drvca i sisteme cijevi koji rade u negostoljubivim dubinama od 10.000 stopa ili više. Ova proizvodna oprema izgrađena je prema mnogim strogim standardima Američkog instituta za naftu (API) i referencirana u nekoliko API preporučenih praksi (RPs).

Na većini velikih naftnih platformi, dodatni procesi se primjenjuju na sirovi fluid koji dolazi iz bušotine. To uključuje odvajanje vode od ugljovodonika i odvajanje gasa i tečnosti prirodnog gasa iz struje fluida. Ovi sistemi cjevovoda nakon božićnog drvca općenito su izgrađeni prema kodovima za cijevi B31.3 Američkog društva mašinskih inženjera sa ventilima dizajniranim u skladu sa specifikacijama API ventila kao što su API 594, API 600, API 602, API 608 i API 609.

Neki od ovih sistema mogu takođe sadržati API 6D kapije, kugle i nepovratne ventile. Budući da su svi cjevovodi na platformi ili brodu za bušenje unutar objekta, strogi zahtjevi za korištenje API 6D ventila za cjevovode se ne primjenjuju. Iako se u ovim cevovodnim sistemima koristi više tipova ventila, tip ventila koji se bira je kuglasti ventil.

CJEVOVODI
Iako je većina cjevovoda skrivena od pogleda, njihovo prisustvo je obično evidentno. Mali znakovi sa natpisom „naftovod“ su jedan očigledan pokazatelj prisustva podzemnih transportnih cjevovoda. Ovi cjevovodi su po cijeloj svojoj dužini opremljeni mnogim važnim ventilima. Ventili za zatvaranje cevovoda u slučaju nužde nalaze se u intervalima koji su određeni standardima, kodeksima i zakonima. Ovi ventili služe vitalnoj službi izolacije dijela cjevovoda u slučaju curenja ili kada je potrebno održavanje.

Duž trase cjevovoda su raštrkani i objekti u kojima vod izlazi iz zemlje i dostupan je pristup liniji. Ove stanice su dom za opremu za lansiranje „svinje“, koja se sastoji od uređaja umetnutih u cjevovode za pregled ili čišćenje linije. Ove stanice za lansiranje svinja obično sadrže nekoliko ventila, bilo tipa vrata ili kuglica. Svi ventili na cevovodnom sistemu moraju biti sa punim otvorom (potpuno otvaranje) kako bi omogućili prolaz svinjama.

Cjevovodi također trebaju energiju za borbu protiv trenja cjevovoda i održavanje tlaka i protoka u cjevovodu. Koriste se kompresorske ili crpne stanice koje izgledaju kao male verzije procesnog postrojenja bez visokih tornjeva za pucanje. Ove stanice su dom za desetine ventila za zatvaranje, kuglicu i povratne ventile.
Sami cjevovodi su projektovani u skladu sa različitim standardima i kodeksima, dok cevovodni ventili prate API 6D cevovodne ventile.
Postoje i manji cjevovodi koji se napajaju u kuće i poslovne objekte. Ovi vodovi obezbjeđuju vodu i plin i zaštićeni su zapornim ventilima.
Velike općine, posebno u sjevernom dijelu Sjedinjenih Država, obezbjeđuju 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 u proizvodnji pare u elektranama. Različiti tipovi ventila se koriste u ovoj usluzi, iako je časni čep ventil i dalje popularan izbor.

RAFINERIJA I PETROHEMIJA
Ventili za rafineriju koriste više industrijskih ventila nego bilo koji drugi segment ventila. Rafinerije su dom i korozivnih tekućina, a u nekim slučajevima i visokih temperatura.
Ovi faktori diktiraju kako se ventili izrađuju u skladu sa specifikacijama dizajna API ventila kao što su API 600 (zasun), API 608 (kuglasti ventili) i API 594 (povratni ventili). Zbog teške upotrebe s kojom se susreću mnogi od ovih ventila, često je potreban dodatni dodatak za koroziju. Ovaj dodatak se manifestuje kroz veće debljine zidova koje su navedene u API projektnim dokumentima.

Gotovo svaki glavni tip ventila može se naći u izobilju u tipičnoj velikoj rafineriji. Sveprisutni zasun je i dalje kralj brda s najvećom populacijom, ali četvrtokretni ventili zauzimaju sve veći dio svog tržišnog udjela. Četvrtokretni proizvodi koji uspješno probijaju ovu industriju (kojom su također nekada dominirali linearni proizvodi) uključuju trostruke leptir ventile visokih performansi i kuglične ventile sa metalnim sjedištem.

Standardni zasun, globus i nepovratni ventili i dalje se nalaze masovno, a zbog srčanosti njihovog dizajna i ekonomičnosti proizvodnje, neće uskoro nestati.
Ocjene tlaka za rafinerijske ventile kreću se od klase 150 do klase 1500, pri čemu je klasa 300 najpopularnija.
Obični ugljični čelici, kao što su WCB (liveni) i A-105 (kovani) su najpopularniji materijali specificirani i korišteni u ventilima za rafinerijske usluge. Mnoge primjene procesa rafiniranja pomjeraju gornje temperaturne granice običnih ugljičnih čelika, a legure viših temperatura su specificirane za ove primjene. Najpopularniji od njih su hrom/moly čelici kao što su 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr i 9% Cr. Nerđajući čelici i legure sa visokim sadržajem nikla se takođe koriste u nekim posebno teškim procesima rafinacije.

HEMIJSKI
Hemijska industrija je veliki korisnik ventila svih vrsta i materijala. Od malih serijskih postrojenja do ogromnih petrohemijskih kompleksa koji se nalaze na obali Meksičkog zaliva, ventili su veliki deo sistema cevovoda za hemijske procese.

Većina primjena u kemijskim procesima ima niži pritisak od mnogih procesa rafiniranja i proizvodnje energije. Najpopularnije klase tlaka za ventile i cijevi u kemijskim postrojenjima su klase 150 i 300. Hemijska postrojenja su također bila najveći pokretač preuzimanja tržišnog udjela koji su kuglični ventili odvojili od linearnih ventila u posljednjih 40 godina. Kuglasti ventil sa elastičnim sjedištem, sa zatvaranjem bez curenja, savršeno se uklapa u mnoge primjene u kemijskim postrojenjima. Kompaktna veličina kugličnog ventila je također popularna karakteristika.
Još uvijek postoje neka hemijska postrojenja i procesi u kojima se preferiraju linearni ventili. U tim slučajevima, popularni ventili dizajnirani po API 603, sa tanjim zidovima i manjim težinama, obično su zasun ili globus ventil po izboru. Kontrola nekih hemikalija se takođe efikasno ostvaruje pomoću membranskih ili pin-ventila.
Zbog korozivne prirode mnogih hemikalija i hemijskih procesa, odabir materijala je kritičan. Defacto materijal je 316/316L razred austenitnog nerđajućeg čelika. Ovaj materijal dobro djeluje u borbi protiv korozije od mnoštva ponekad neugodnih tekućina.

Za neke teže korozivne aplikacije potrebna je veća zaštita. U ovim situacijama se često biraju drugi visokoučinkoviti razredi austenitnog nehrđajućeg čelika, kao što su 317, 347 i 321. Ostale legure koje se s vremena na vrijeme koriste za kontrolu hemijskih tečnosti uključuju Monel, Alloy 20, Inconel i 17-4 PH.

LNG I GAS SEPARACIJA
I tečni prirodni gas (LNG) i procesi potrebni za separaciju gasa oslanjaju se na opsežne cevi. Ove aplikacije zahtijevaju ventile koji mogu raditi na vrlo niskim kriogenim temperaturama. Industrija LNG-a, koja brzo raste u Sjedinjenim Državama, neprestano nastoji nadograditi i poboljšati proces ukapljivanja plina. U tu svrhu, cijevi i ventili su postali mnogo veći, a zahtjevi za pritiskom su povećani.

Ova situacija je zahtijevala od proizvođača ventila da razviju dizajn koji će zadovoljiti teže parametre. Kuglični i leptir ventili sa četvrtinom okreta su popularni za LNG servis, a 316s [nerđajući čelik] je najpopularniji materijal. ANSI klasa 600 je uobičajeni plafon pritiska za većinu LNG aplikacija. Iako su proizvodi sa četvrtokretnim ventilom najpopularniji tipovi ventila, u pogonima se mogu naći i zaporni, globusni i nepovratni ventili.

Usluga separacije gasa uključuje podelu gasa na njegove pojedinačne osnovne elemente. Na primjer, metode odvajanja zraka daju dušik, kisik, helij i druge plinove u tragovima. Priroda procesa na vrlo niskoj temperaturi znači da je potrebno mnogo kriogenih ventila.

I LNG i postrojenja za separaciju gasa imaju ventile za niske temperature koji moraju ostati u funkciji u ovim kriogenim uslovima. To znači da sistem za pakovanje ventila mora biti podignut od niskotemperaturnog fluida korišćenjem gasne ili kondenzacione kolone. Ovaj gasni stub sprečava da tečnost formira ledenu kuglu oko područja pakovanja, što bi sprečilo okretanje ili podizanje vretena ventila.

POSLOVNE OBJEKTE
Komercijalne zgrade nas okružuju, ali ako ne obraćamo veliku pažnju dok se grade, nemamo pojma o mnoštvu tekućih arterija skrivenih unutar njihovih zidova od zidanih, stakla i metala.

Zajednički nazivnik u gotovo svakoj zgradi je voda. Sve ove strukture sadrže različite cevovodne sisteme koji nose mnoge kombinacije jedinjenja vodonik/kiseonik u obliku tekućine za piće, otpadne vode, tople vode, sive vode i zaštite od požara.

Sa stanovišta preživljavanja zgrade, protivpožarni sistemi su najkritičniji. Zaštita od požara u zgradama se gotovo univerzalno napaja i puni čistom vodom. Da bi sistemi protivpožarne vode bili efikasni, oni moraju biti pouzdani, imati dovoljan pritisak i biti prikladno locirani u celoj strukturi. Ovi sistemi su dizajnirani da se automatski aktiviraju u slučaju požara.
Visoke zgrade zahtevaju istu uslugu pritiska vode na gornjim spratovima kao i na donjim spratovima, tako da se moraju koristiti pumpe visokog pritiska i cevi za podizanje vode. Sistemi cjevovoda su obično klase 300 ili 600, ovisno o visini zgrade. U ovim aplikacijama koriste se sve vrste ventila; međutim, dizajn ventila mora biti odobren od strane Underwriters Laboratories ili Factory Mutual za vatrogasne glavne usluge.

Za distribuciju pitke vode koriste se iste klase i tipovi ventila koji se koriste za vatrogasne ventile, iako proces odobrenja nije tako strog.
Komercijalni sistemi klimatizacije koji se nalaze u velikim poslovnim strukturama kao što su poslovne zgrade, hoteli i bolnice obično su centralizovani. Imaju veliku rashladnu jedinicu ili bojler za hlađenje ili zagrijavanje tekućine koja se koristi za prijenos hladne ili visoke temperature. Ovi sistemi često moraju da rukuju rashladnim fluidima kao što je R-134a, hidrofluorougljenik, ili u slučaju velikih sistema grejanja, para. Zbog kompaktne veličine leptirastih i kuglastih ventila, ovi tipovi su postali popularni u HVAC rashladnim sistemima.

Što se tiče pare, neki četvrtokretni ventili su ušli u upotrebu, ali se mnogi inženjeri vodovoda i dalje oslanjaju na linearne zasune i globusne ventile, posebno ako cijevi zahtijevaju čeono zavarene krajeve. Za ove umjerene primjene pare, čelik je zauzeo mjesto lijevanog željeza zbog zavarljivosti čelika.

Neki sistemi grijanja koriste toplu vodu umjesto pare kao fluid za prijenos. Ove sisteme dobro opslužuju bronzani ili gvozdeni ventili. Kuglasti i leptir ventili sa elastičnim sjedištem sa četvrt okretaja su vrlo popularni, iako se neki linearni dizajni još uvijek koriste.

ZAKLJUČAK
Iako dokazi o primjenama ventila koji se spominju u ovom članku možda neće biti vidljivi tokom putovanja u Starbucks ili kod bake, neki vrlo važni ventili su uvijek u blizini. Postoje čak i ventili u motoru automobila koji se koriste za dolazak do onih mjesta kao što su oni u karburatoru koji kontroliraju protok goriva u motor i oni u motoru koji kontroliraju protok benzina u klipove i opet van. A ako ti zalisci nisu dovoljno blizu našim svakodnevnim životima, razmislite o stvarnosti da naša srca redovno kucaju kroz četiri vitalna uređaja za kontrolu protoka.

Ovo je samo još jedan primjer stvarnosti: ventili su zaista svuda. VM
Dio II ovog članka pokriva dodatne industrije u kojima se koriste ventili. Idite na www.valvemagazine.com da pročitate o celulozi i papiru, primjenama u pomorstvu, branama i hidroelektranama, solarnoj energiji, željezu i čeliku, svemirskom, geotermalnom, te zanatskom pivarstvu i destilaciji.

GREG JOHNSON je predsjednik United Valvea (www.unitedvalve.com) u Hjustonu. On je urednik časopisa VALVE, bivši predsjednik Vijeća za popravku ventila i trenutni član odbora VRC-a. On također služi u VMA-ovom odboru za obrazovanje i obuku, potpredsjednik je VMA-ovog odbora za komunikacije i bivši je predsjednik Društva za standardizaciju proizvođača.