Kde sa používajú ventily: Všade!

8. novembra 2017 Napísal Greg Johnson

Ventily sa dnes nachádzajú takmer všade: v našich domovoch, pod ulicami, v komerčných budovách a na tisíckach miest v elektrárňach a vodárňach, papierňach, rafinériách, chemických závodoch a iných priemyselných a infraštruktúrnych zariadeniach.
Priemysel s ventilmi má skutočne široké spektrum segmentov, od distribúcie vody cez jadrovú energiu až po ťažbu a spracovanie ropy a plynu. Každé z týchto koncových odvetví používa niektoré základné typy ventilov; detaily konštrukcie a materiálov sa však často veľmi líšia. Tu je ukážka:

VODÁREŇ
Vo svete distribúcie vody sú tlaky takmer vždy relatívne nízke a teploty okolité. Tieto dva aplikačné fakty umožňujú množstvo konštrukčných prvkov ventilov, ktoré by sa nenašli na náročnejších zariadeniach, ako sú napríklad vysokoteplotné parné ventily. Okolitá teplota vodovodného potrubia umožňuje použitie elastomérov a gumených tesnení, ktoré nie sú inde vhodné. Tieto mäkké materiály umožňujú vybaviť vodné ventily tak, aby tesne utesnili kvapkanie.

Ďalším faktorom pri výbere vodovodných ventilov je výber konštrukčných materiálov. Liatiny a tvárne liatiny sa vo veľkej miere používajú vo vodovodných systémoch, najmä v potrubiach s veľkým vonkajším priemerom. Veľmi malé potrubia sa dajú celkom dobre spracovať bronzovými ventilovými materiálmi.

Tlak, ktorý väčšina ventilov vodární zaznamená, je zvyčajne výrazne pod 200 psi. To znamená, že nie sú potrebné konštrukcie s hrubšími stenami pre vyšší tlak. Napriek tomu existujú prípady, keď sú vodné ventily konštruované tak, aby zvládli vyšší tlak, až do približne 300 psi. Tieto aplikácie sa zvyčajne nachádzajú na dlhých akvaduktoch blízko zdroja tlaku. Niekedy sa vodné ventily s vyšším tlakom nachádzajú aj v bodoch s najvyšším tlakom vo vysokej priehrade.

Americká asociácia vodární (AWWA) vydala špecifikácie týkajúce sa mnohých rôznych typov ventilov a pohonov používaných vo vodárňach.

ODPADOVÁ VODA
Odvrátenou stranou pitnej vody vstupujúcej do zariadenia alebo stavby je výstup odpadovej vody alebo kanalizácie. Tieto potrubia zhromažďujú všetky odpadové kvapaliny a pevné látky a smerujú ich do čistiarne odpadových vôd. Tieto čistiarne odpadových vôd majú veľa nízkotlakových potrubí a ventilov, ktoré vykonávajú svoju „špinavú prácu“. Požiadavky na ventily odpadových vôd sú v mnohých prípadoch oveľa miernejšie ako požiadavky na dodávku čistej vody. Železné uzávery a spätné ventily sú najobľúbenejšou voľbou pre tento typ služby. Štandardné ventily v tejto službe sú vyrobené v súlade so špecifikáciami AWWA.

ENERGETICKÝ PRIEMYSEL
Väčšina elektrickej energie vyrobenej v Spojených štátoch sa vyrába v parných elektrárňach využívajúcich fosílne palivá a vysokorýchlostné turbíny. Po odkrytí krytu modernej elektrárne by sme videli vysokotlakové potrubné systémy s vysokou teplotou. Tieto hlavné vedenia sú v procese výroby parnej energie najdôležitejšie.

Uzatváracie ventily zostávajú hlavnou voľbou pre aplikácie zapínania/vypínania elektrární, hoci sa vyskytujú aj špeciálne guľové ventily v tvare Y. Vysoko výkonné guľové ventily pre kritické prevádzky získavajú na popularite u niektorých konštruktérov elektrární a presadzujú sa v tomto svete, kde kedysi dominovali lineárne ventily.

Metalurgia je kritická pre ventily v energetických aplikáciách, najmä tie, ktoré pracujú v superkritických alebo ultrasuperkritických prevádzkových rozsahoch tlaku a teploty. V dnešných elektrárňach sa bežne používajú zliatiny F91, F92, C12A spolu s niekoľkými zliatinami Inconel a nehrdzavejúcej ocele. Tlakové triedy zahŕňajú 1500, 2500 a v niektorých prípadoch 4500. Modulačná povaha elektrární so špičkovým výkonom (tých, ktoré pracujú iba podľa potreby) tiež kladie obrovskú záťaž na ventily a potrubia, čo si vyžaduje robustné konštrukcie, ktoré zvládnu extrémnu kombináciu cyklov, teploty a tlaku.
Okrem hlavných parných ventilov sú elektrárne zaťažené pomocnými potrubiami, ktoré sú osadené nespočetným množstvom uzatváracích, guľových, spätných, motýľových a guľových ventilov.

Jadrové elektrárne fungujú na rovnakom princípe pary/vysokorýchlostnej turbíny. Hlavný rozdiel spočíva v tom, že v jadrovej elektrárni sa para vytvára teplom z procesu štiepenia. Ventily jadrových elektrární sú podobné svojim bratrancom na fosílne palivá, s výnimkou ich pôvodu a dodatočnej požiadavky na absolútnu spoľahlivosť. Jadrové ventily sa vyrábajú podľa extrémne vysokých štandardov, pričom kvalifikačná a kontrolná dokumentácia zaberá stovky strán.

ŤAŽBA ROPY A PLYNU
Ropné a plynové vrty a ťažobné zariadenia sú intenzívnymi užívateľmi ventilov vrátane mnohých vysokovýkonných ventilov. Hoci sa už pravdepodobne nevyskytnú trysky ropy chrliace stovky metrov do vzduchu, obrázok ilustruje potenciálny tlak podzemnej ropy a plynu. Preto sa na vrchol dlhého potrubia vrtu umiestňujú hlavice vrtov alebo vianočné stromčeky. Tieto zostavy s kombináciou ventilov a špeciálnych armatúr sú navrhnuté tak, aby zvládli tlaky až do 10 000 psi. Hoci sa v súčasnosti na vrtoch vykopaných na pevnine vyskytujú len zriedka, extrémne vysoké tlaky sa často vyskytujú na hlbokých vrtoch na mori.

Konštrukcia zariadení na ústie vrtu je pokrytá špecifikáciami API, ako napríklad 6A, Špecifikácia pre ústie vrtu a zariadenia na vŕtanie vianočných stromčekov. Ventily uvedené v 6A sú navrhnuté pre extrémne vysoké tlaky, ale mierne teploty. Väčšina vŕtacích stromčekov obsahuje uzatváracie ventily a špeciálne guľové ventily nazývané tlmivky. Tlmivky sa používajú na reguláciu prietoku z vrtu.

Okrem samotných vrtných hlavíc sa v ropnom alebo plynovom poli nachádza mnoho pomocných zariadení. Procesné zariadenia na predúpravu ropy alebo plynu vyžadujú množstvo ventilov. Tieto ventily sú zvyčajne vyrobené z uhlíkovej ocele s nižšími triedami.

V surovom ropnom prúde sa občas nachádza vysoko korozívna kvapalina – sírovodík. Táto látka, nazývaná aj kyslý plyn, môže byť smrteľná. Na prekonanie problémov so kyslým plynom je potrebné dodržiavať špeciálne materiály alebo techniky spracovania materiálov v súlade s medzinárodnou špecifikáciou NACE MR0175.

POBREŽNÝ PRIEMYSEL
Potrubné systémy pre ropné plošiny a výrobné zariadenia na mori obsahujú množstvo ventilov vyrobených podľa rôznych špecifikácií, aby zvládli širokú škálu problémov s reguláciou prietoku. Tieto zariadenia tiež obsahujú rôzne regulačné slučky a zariadenia na poistné ventily.

Pre zariadenia na ťažbu ropy je srdcom tepny samotný potrubný systém na ťažbu ropy alebo plynu. Hoci nie vždy priamo na plošine, mnohé produkčné systémy používajú vianočné stromčeky a potrubné systémy, ktoré fungujú v nehostinných hĺbkach 10 000 stôp alebo viac. Toto produkčné zariadenie je vyrobené podľa mnohých prísnych noriem Amerického ropného inštitútu (API) a je uvedené v niekoľkých odporúčaných postupoch (RP) API.

Na väčšine veľkých ropných plošín sa na surovú kvapalinu prichádzajúcu z ústia vrtu aplikujú ďalšie procesy. Patria sem oddelenie vody od uhľovodíkov a oddelenie plynu a kvapalín zo zemného plynu od prúdu kvapaliny. Tieto potrubné systémy po „vianočnom stromčeku“ sa vo všeobecnosti stavajú podľa predpisov Americkej spoločnosti strojných inžinierov pre potrubia B31.3 s ventilmi navrhnutými v súlade so špecifikáciami ventilov API, ako sú API 594, API 600, API 602, API 608 a API 609.

Niektoré z týchto systémov môžu obsahovať aj uzatváracie, guľové a spätné ventily API 6D. Keďže všetky potrubia na plošine alebo vrtnej lodi sú vnútorné v rámci zariadenia, prísne požiadavky na používanie ventilov API 6D pre potrubia sa na ne nevzťahujú. Hoci sa v týchto potrubných systémoch používa viacero typov ventilov, preferovaným typom ventilu je guľový ventil.

POTRUBIA
Hoci väčšina potrubí je skrytá, ich prítomnosť je zvyčajne zrejmá. Malé značky s nápisom „ropovod“ sú jedným z jasných indikátorov prítomnosti podzemného prepravného potrubia. Tieto potrubia sú po celej svojej dĺžke vybavené mnohými dôležitými ventilmi. Núdzové uzatváracie ventily potrubia sa nachádzajú v intervaloch určených normami, predpismi a zákonmi. Tieto ventily slúžia na izoláciu úseku potrubia v prípade úniku alebo keď je potrebná údržba.

Pozdĺž trasy potrubia sa nachádzajú aj zariadenia, kde potrubie vystupuje zo zeme a je k nemu zabezpečený prístup. Tieto stanice slúžia ako zariadenie na spúšťanie „jempičiek“, ktoré pozostáva zo zariadení vložených do potrubia na kontrolu alebo čistenie potrubia. Tieto stanice na spúšťanie ježieb zvyčajne obsahujú niekoľko ventilov, buď uzatváracích, alebo guľových. Všetky ventily v potrubnom systéme musia byť plne otvorené, aby umožnili prechod ježieb.

Potrubia tiež potrebujú energiu na boj proti treniu v potrubí a na udržanie tlaku a prietoku v potrubí. Používajú sa kompresorové alebo čerpacie stanice, ktoré vyzerajú ako menšie verzie spracovateľského závodu bez vysokých krakovacích veží. Tieto stanice sú domovom desiatok uzatváracích, guľových a spätných ventilov potrubia.
Samotné potrubia sú navrhnuté v súlade s rôznymi normami a predpismi, zatiaľ čo potrubné ventily zodpovedajú norme API 6D.
Existujú aj menšie potrubia, ktoré sú napájané domy a komerčné budovy. Tieto vedenia zabezpečujú vodu a plyn a sú chránené uzatváracími ventilmi.
Veľké obce, najmä v severnej časti Spojených štátov, dodávajú paru na vykurovanie komerčných zákazníkov. Tieto parné potrubia sú vybavené rôznymi ventilmi na riadenie a reguláciu dodávky pary. Hoci je kvapalinou para, tlaky a teploty sú nižšie ako pri výrobe pary v elektrárňach. V tejto službe sa používa množstvo typov ventilov, hoci úctyhodný zátkový ventil je stále obľúbenou voľbou.

RAFINÉRIA A PETROCHÉMIA
Rafinérijské ventily sa používajú častejšie ako v ktoromkoľvek inom segmente ventilov. Rafinérie sú domovom korozívnych kvapalín a v niektorých prípadoch aj vysokých teplôt.
Tieto faktory určujú, ako sa ventily konštruujú v súlade s konštrukčnými špecifikáciami API, ako sú API 600 (šoupátkové ventily), API 608 (guľové ventily) a API 594 (spätné ventily). Vzhľadom na náročné podmienky prevádzky mnohých z týchto ventilov je často potrebný dodatočný prídavok na koróziu. Tento prídavok sa prejavuje väčšími hrúbkami stien, ktoré sú špecifikované v konštrukčnej dokumentácii API.

Prakticky každý hlavný typ ventilu sa dá nájsť v hojnom množstve v typickej veľkej rafinérii. Všadeprítomný uzatvárací ventil je stále kráľom s najväčšou populáciou, ale štvrťotáčkové ventily si získavajú čoraz väčší podiel na trhu. Medzi štvrťotáčkové produkty, ktoré sa úspešne presadzujú v tomto odvetví (ktorému kedysi dominovali aj lineárne produkty), patria vysokovýkonné trojito odsadené motýlikové ventily a guľové ventily s kovovým sedlom.

Štandardné uzatváracie, guľové a spätné ventily sa stále vyskytujú vo veľkom a vďaka premyslenosti ich dizajnu a hospodárnosti výroby v dohľadnej dobe nezmiznú.
Tlakové hodnotenia pre rafinérske ventily siahajú od triedy 150 do triedy 1500, pričom najobľúbenejšia je trieda 300.
Uhlíkové ocele bez obsahu uhlíka, ako napríklad trieda WCB (liata) a A-105 (kovaná), sú najobľúbenejšie materiály špecifikované a používané vo ventiloch pre rafinérie. Mnohé aplikácie v rafinačných procesoch posúvajú horné teplotné limity ľahkých uhlíkových ocelí a pre tieto aplikácie sa špecifikujú zliatiny s vyšším obsahom teplôt. Najobľúbenejšie z nich sú chróm/molybdénové ocele, ako napríklad 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr a 9% Cr. Nerezové ocele a zliatiny s vysokým obsahom niklu sa tiež používajú v niektorých obzvlášť náročných rafinačných procesoch.

CHEMICKÉ
Chemický priemysel je veľkým používateľom ventilov všetkých typov a materiálov. Od malých dávkových závodov až po obrovské petrochemické komplexy nachádzajúce sa na pobreží Mexického zálivu sú ventily obrovskou súčasťou potrubných systémov pre chemické procesy.

Väčšina aplikácií v chemických procesoch má nižší tlak ako mnohé rafinačné procesy a výroba energie. Najobľúbenejšie tlakové triedy pre ventily a potrubia v chemických závodoch sú triedy 150 a 300. Chemické závody boli tiež najväčším hybným silou prevzatia podielu na trhu, ktorý guľové ventily za posledných 40 rokov vybojovali od lineárnych ventilov. Guľový ventil s pružným sedlom a uzatváraním s nulovým únikom je perfektnou voľbou pre mnohé aplikácie v chemických závodoch. Kompaktná veľkosť guľového ventilu je tiež obľúbenou vlastnosťou.
Stále existujú niektoré chemické závody a závodné procesy, kde sa uprednostňujú lineárne ventily. V týchto prípadoch sa zvyčajne ako posúvač alebo guľový ventil preferujú populárne ventily navrhnuté podľa normy API 603 s tenšími stenami a nižšou hmotnosťou. Regulácia niektorých chemikálií sa tiež efektívne dosahuje pomocou membránových alebo škrtiacich ventilov.
Vzhľadom na korozívnu povahu mnohých chemikálií a procesov ich výroby je výber materiálu kritický. Použitým materiálom je austenitická nehrdzavejúca oceľ triedy 316/316L. Tento materiál dobre odoláva korózii spôsobenej množstvom niekedy škodlivých kvapalín.

Pre niektoré náročnejšie korozívne aplikácie je potrebná väčšia ochrana. V týchto situáciách sa často volia iné vysokovýkonné triedy austenitickej nehrdzavejúcej ocele, ako napríklad 317, 347 a 321. Medzi ďalšie zliatiny, ktoré sa občas používajú na reguláciu chemických kvapalín, patria Monel, Alloy 20, Inconel a 17-4 PH.

ODDELENIE LNG A PLYNU
Skvapalnený zemný plyn (LNG) aj procesy potrebné na separáciu plynov sa spoliehajú na rozsiahle potrubia. Tieto aplikácie vyžadujú ventily, ktoré môžu pracovať pri veľmi nízkych kryogénnych teplotách. Priemysel LNG, ktorý v Spojených štátoch rýchlo rastie, neustále hľadá spôsoby, ako modernizovať a vylepšiť proces skvapalňovania plynu. Z tohto dôvodu sa potrubia a ventily stali oveľa väčšími a požiadavky na tlak sa zvýšili.

Táto situácia si vyžiadala od výrobcov ventilov vývoj konštrukcií, ktoré spĺňajú prísnejšie parametre. Pre prevádzku s LNG sú obľúbené štvrťotáčkové guľové a motýľové ventily, pričom najobľúbenejším materiálom je oceľ 316ss [nehrdzavejúca oceľ]. Pre väčšinu aplikácií s LNG je obvyklým tlakovým stropom trieda ANSI 600. Hoci štvrťotáčkové ventily sú najobľúbenejšími typmi ventilov, v závodoch sa dajú nájsť aj uzatváracie, guľové a spätné ventily.

Služba separácie plynov zahŕňa rozdelenie plynu na jeho jednotlivé základné prvky. Napríklad metódy separácie vzduchom poskytujú dusík, kyslík, hélium a ďalšie stopové plyny. Veľmi nízkoteplotná povaha procesu znamená, že je potrebných veľa kryogénnych ventilov.

Zariadenia na separáciu LNG aj plynov majú nízkoteplotné ventily, ktoré musia zostať funkčné aj v týchto kryogénnych podmienkach. To znamená, že systém tesnenia ventilov musí byť zdvihnutý od nízkoteplotnej kvapaliny pomocou plynového alebo kondenzačného stĺpca. Tento plynový stĺpec zabraňuje tomu, aby kvapalina vytvorila ľadovú guľu okolo oblasti tesnenia, čo by zabránilo otáčaniu alebo zdvíhaniu drieku ventilu.

OBCHODNÉ BUDOVY
Komerčné budovy nás obklopujú, ale pokiaľ nevenujeme dostatočnú pozornosť ich výstavbe, máme len málo predstavy o množstve tepien, ktoré sa ukrývajú v ich stenách z muriva, skla a kovu.

Spoločným menovateľom prakticky každej budovy je voda. Všetky tieto stavby obsahujú rôzne potrubné systémy, ktorými sa rozvádza mnoho kombinácií zlúčenín vodíka a kyslíka vo forme pitných kvapalín, odpadovej vody, teplej vody, sivej vody a protipožiarnej ochrany.

Z hľadiska prežitia budov sú najdôležitejšie protipožiarne systémy. Protipožiarna ochrana v budovách je takmer vždy zásobovaná a plnené čistou vodou. Aby boli systémy požiarnej vody účinné, musia byť spoľahlivé, mať dostatočný tlak a byť vhodne umiestnené v celej budove. Tieto systémy sú navrhnuté tak, aby sa v prípade požiaru automaticky aktivovali.
Výškové budovy vyžadujú rovnaký tlak vody na najvyšších poschodiach ako na spodných poschodiach, takže na dopravu vody smerom nahor sa musia použiť vysokotlakové čerpadlá a potrubia. Potrubné systémy sú zvyčajne triedy 300 alebo 600 v závislosti od výšky budovy. V týchto aplikáciách sa používajú všetky typy ventilov; konštrukcie ventilov však musia byť schválené spoločnosťou Underwriters Laboratories alebo Factory Mutual pre použitie s požiarnym potrubím.

Rovnaké triedy a typy ventilov, aké sa používajú pre ventily požiarnej ochrany, sa používajú aj na distribúciu pitnej vody, hoci proces schvaľovania nie je taký prísny.
Komerčné klimatizačné systémy, ktoré sa nachádzajú vo veľkých obchodných budovách, ako sú kancelárske budovy, hotely a nemocnice, sú zvyčajne centralizované. Majú veľkú chladiacu jednotku alebo kotol na chladenie alebo ohrev kvapaliny používanej na prenos studenej alebo vysokej teploty. Tieto systémy často musia pracovať s chladivami, ako je R-134a, fluórovaný uhľovodík, alebo v prípade veľkých vykurovacích systémov para. Vďaka kompaktnej veľkosti motýľových a guľových ventilov sa tieto typy stali obľúbenými v chladiacich systémoch HVAC.

Na strane pary sa presadili niektoré štvrťotáčkové ventily, no mnohí inštalatéri sa stále spoliehajú na lineárne posúvače a guľové ventily, najmä ak potrubie vyžaduje zvarovacie konce. Pre tieto mierne parné aplikácie nahradila liatinu oceľ kvôli jej zvariteľnosti.

Niektoré vykurovacie systémy používajú ako prenosovú kvapalinu horúcu vodu namiesto pary. Tieto systémy sú vhodné pre bronzové alebo liatinové ventily. Veľmi obľúbené sú štvrťotáčkové guľové a klapkové ventily s pružným sedlom, hoci sa stále používajú aj niektoré lineárne konštrukcie.

ZÁVER
Hoci dôkazy o použití ventilov spomenutých v tomto článku nemusia byť viditeľné počas cesty do Starbucksu alebo u babičky, niektoré veľmi dôležité ventily sú vždy v blízkosti. Dokonca aj v motore auta sú ventily, ktoré sa používajú na prístup k týmto miestam, ako sú ventily v karburátore, ktoré riadia tok paliva do motora, a ventily v motore, ktoré riadia tok benzínu do piestov a späť von. A ak tieto ventily nie sú dostatočne blízko nášmu každodennému životu, zvážte skutočnosť, že naše srdcia pravidelne bijú prostredníctvom štyroch dôležitých zariadení na reguláciu prietoku.

Toto je len ďalší príklad reality, že ventily sú naozaj všade. VM
Druhá časť tohto článku sa venuje ďalším odvetviam, v ktorých sa používajú ventily. Navštívte stránku www.valvemagazine.com a prečítajte si o priemysle celulózy a papiera, námorných aplikáciách, priehradách a vodnej energii, solárnej energii, železiarstve a oceliarstve, leteckom priemysle, geotermálnej energii a remeselnom pivovarníctve a destilácii.

GREG JOHNSON je prezidentom spoločnosti United Valve (www.unitedvalve.com) v Houstone. Je prispievajúcim redaktorom časopisu VALVE Magazine, bývalým predsedom Rady pre opravu ventilov a súčasným členom predstavenstva VRC. Pôsobí tiež vo Výbore pre vzdelávanie a odbornú prípravu VMA, je podpredsedom Komunikačného výboru VMA a bývalým prezidentom Spoločnosti pre štandardizáciu výrobcov.