Kde sa používajú ventily: Všade!

8. novembra 2017 Napísal Greg Johnson

Ventily dnes možno nájsť takmer kdekoľvek: v našich domácnostiach, pod ulicami, v komerčných budovách a na tisíckach miest v elektrárňach a vodárenských závodoch, papierňach, rafinériách, chemických závodoch a iných priemyselných a infraštruktúrnych zariadeniach.
Odvetvie ventilov má skutočne široké ramená, pričom segmenty sa pohybujú od distribúcie vody cez jadrovú energiu až po ropu a plyn proti prúdu a po prúde. Každé z týchto odvetví koncových užívateľov používa niektoré základné typy ventilov; detaily konštrukcie a materiálov sú však často veľmi odlišné. Tu je ukážka:

VODA FUNGUJE
Vo svete distribúcie vody sú tlaky takmer vždy relatívne nízke a teploty okolité. Tieto dve aplikačné fakty umožňujú množstvo konštrukčných prvkov ventilov, ktoré by sa nenašli na náročnejších zariadeniach, ako sú vysokoteplotné parné ventily. Okolitá teplota vody umožňuje použitie inde nevhodných elastomérov a gumových tesnení. Tieto mäkké materiály umožňujú vybavenie vodných ventilov tak, aby tesne utesnili odkvapkávanie.

Ďalším aspektom pri vodovodných ventiloch je výber konštrukčných materiálov. Liatiny a tvárne liatiny sa vo veľkej miere používajú vo vodných systémoch, najmä vo vedení s veľkým vonkajším priemerom. Veľmi malé línie sa dajú celkom dobre zvládnuť s bronzovými materiálmi ventilov.

Tlaky, ktoré väčšina vodárenských ventilov vidí, sú zvyčajne výrazne pod 200 psi. To znamená, že nie sú potrebné silnejšie steny s vyšším tlakom. Ako už bolo povedané, existujú prípady, keď sú vodné ventily skonštruované tak, aby zvládli vyššie tlaky, až do približne 300 psi. Tieto aplikácie sú zvyčajne na dlhých akvaduktoch blízko zdroja tlaku. Niekedy sa vysokotlakové vodné ventily nachádzajú aj na miestach s najvyšším tlakom vo vysokej priehrade.

Americká asociácia vodných diel (AWWA) vydala špecifikácie týkajúce sa mnohých rôznych typov ventilov a pohonov používaných vo vodárenských aplikáciách.

ODPADOVÁ VODA
Odvrátenou stranou čerstvej pitnej vody vstupujúcej do zariadenia alebo stavby je výstup odpadovej vody alebo kanalizácie. Tieto linky zhromažďujú všetky odpadové tekutiny a pevné látky a smerujú ich do čističky odpadových vôd. Tieto čistiarne obsahujú veľa nízkotlakových potrubí a ventilov na vykonávanie ich „špinavej práce“. Požiadavky na ventily odpadovej vody sú v mnohých prípadoch oveľa miernejšie ako požiadavky na čistotu vody. Železná brána 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 pomocou fosílnych palív a vysokorýchlostných turbín. Odlepením krytu modernej elektrárne by sa získal pohľad na vysokotlakové a vysokoteplotné potrubné systémy. Tieto hlavné vedenia sú najkritickejšie v procese výroby parnej energie.

Uzatváracie ventily zostávajú hlavnou voľbou pre aplikácie zapínania a vypínania elektrární, hoci sa nachádzajú aj guľové ventily s tvarom Y na špeciálne účely. Vysokovýkonné guľové ventily s kritickým servisom si získavajú na popularite u niektorých konštruktérov elektrární a presadzujú sa v tomto svete, kde kedysi dominovali lineárne ventily.

Metalurgia je rozhodujúca pre ventily v energetických aplikáciách, najmä tie, ktoré pracujú v superkritických alebo ultrasuperkritických prevádzkových rozsahoch tlaku a teploty. F91, F92, C12A spolu s niekoľkými zliatinami Inconel a nehrdzavejúcej ocele sa bežne používajú v dnešných elektrárňach. Tlakové triedy zahŕňajú 1500, 2500 a v niektorých prípadoch 4500. Modulačný charakter špičkových elektrární (tých, ktoré fungujú len podľa potreby) tiež predstavuje obrovskú záťaž na ventily a potrubia, čo si vyžaduje robustné konštrukcie, aby zvládli extrémnu kombináciu cyklovania, teploty a tlak.
Okrem hlavného parného ventilu sú elektrárne nabité pomocnými potrubiami, na ktorých je nespočetné množstvo bránových, guľových, kontrolných, škrtiacich a guľových ventilov.

Jadrové elektrárne pracujú na rovnakom princípe parnej/vysokorýchlostnej turbíny. Primárny rozdiel je v tom, že v jadrovej elektrárni vzniká para teplom zo štiepneho procesu. Ventily jadrových elektrární sú podobné svojim príbuzným na fosílne palivá, až na ich rodokmeň a pridanú požiadavku absolútnej spoľahlivosti. Jadrové ventily sú vyrábané podľa extrémne vysokých štandardov, pričom kvalifikačná a kontrolná dokumentácia zaberá stovky strán.

PRODUKCIA ROPY A PLYNU
Ropné a plynové vrty a výrobné zariadenia sú veľkými používateľmi ventilov, vrátane mnohých vysokovýkonných ventilov. Aj keď sa už pravdepodobne nevyskytnú výrony ropy chrliace stovky stôp vo vzduchu, obrázok ilustruje potenciálny tlak podzemnej ropy a plynu. To je dôvod, prečo sú hlavy studní alebo vianočné stromčeky umiestnené na vrchole dlhého potrubia studne. Tieto zostavy s kombináciou ventilov a špeciálnych armatúr sú navrhnuté tak, aby zvládali tlaky vyššie ako 10 000 psi. Aj keď sa v týchto dňoch zriedka vyskytujú na studniach vykopaných na zemi, extrémne vysoké tlaky sa často vyskytujú na hlbokých pobrežných studniach.

Dizajn zariadenia vrtu je pokrytý špecifikáciami API, ako je 6A, špecifikácia pre vybavenie studne a vianočné stromčeky. Ventily pokryté 6A sú navrhnuté pre extrémne vysoké tlaky, ale mierne teploty. Väčšina vianočných stromčekov obsahuje posúvače a špeciálne guľové ventily nazývané tlmivky. Tlmivky slúžia na reguláciu prietoku zo studne.

Okrem samotných ústí vrtov sa v mnohých pomocných zariadeniach nachádza ropné alebo plynové pole. Procesné zariadenie na predúpravu ropy alebo plynu vyžaduje množstvo ventilov. Tieto ventily sú zvyčajne z uhlíkovej ocele určené pre nižšie triedy.

Príležitostne sa v prúde surovej ropy nachádza vysoko korozívna kvapalina – sírovodík. Tento materiál, nazývaný aj kyslý plyn, môže byť smrteľný. Aby sme porazili výzvy kyslého plynu, musia sa dodržiavať špeciálne materiály alebo techniky spracovania materiálov v súlade s medzinárodnou špecifikáciou NACE MR0175.

OFFSHORE PRIEMYSEL
Potrubné systémy pre ropné plošiny a výrobné zariadenia na mori obsahujú množstvo ventilov skonštruovaných podľa mnohých rôznych špecifikácií, aby zvládli širokú škálu problémov s reguláciou prietoku. Tieto zariadenia tiež obsahujú rôzne slučky riadiaceho systému a zariadenia na odľahčenie tlaku.

V prípade zariadení na výrobu ropy je arteriálnym srdcom skutočný potrubný systém na získavanie ropy alebo plynu. Hoci nie vždy na samotnej platforme, mnohé výrobné systémy využívajú vianočné stromčeky a potrubné systémy, ktoré fungujú v nehostinných hĺbkach 10 000 stôp alebo viac. Toto výrobné zariadenie je skonštruované podľa mnohých náročných štandardov American Petroleum Institute (API) a uvádza sa naň niekoľko odporúčaných postupov API (RP).

Na väčšine veľkých ropných plošín sa na surovú tekutinu prichádzajúcu z ústia vrtu aplikujú dodatočné procesy. Tieto zahŕňajú oddeľovanie vody od uhľovodíkov a oddeľovanie plynu a kvapalín zemného plynu z prúdu tekutiny. Tieto potrubné systémy na vianočný stromček sú vo všeobecnosti postavené podľa potrubných kódov Americkej spoločnosti strojných inžinierov 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 vo vnútri zariadenia, prísne požiadavky na používanie ventilov API 6D pre potrubia sa neuplatňujú. Aj keď sa v týchto potrubných systémoch používa viacero typov ventilov, typ ventilu, ktorý sa volí, je guľový ventil.

POTRUBIA
Aj keď je väčšina potrubí skrytá, ich prítomnosť je zvyčajne evidentná. Malé značky s nápisom „ropovody“ sú jedným z jasných indikátorov prítomnosti podzemného prepravného potrubia. Tieto potrubia sú po celej dĺžke vybavené mnohými dôležitými ventilmi. Núdzové potrubné uzatváracie ventily sa nachádzajú v intervaloch špecifikovaných normami, predpismi a zákonmi. Tieto ventily slúžia ako životne dôležitá služba pri izolácii časti potrubia v prípade netesnosti alebo keď je potrebná údržba.

Pozdĺž trasy potrubia sú tiež roztrúsené zariadenia, kde vedenie vychádza zo zeme a je k dispozícii prístup k vedeniu. Tieto stanice sú domovom „prasacieho“ spúšťacieho zariadenia, ktoré pozostáva zo zariadení vložených do potrubí buď na kontrolu alebo čistenie linky. Tieto stanice na vypúšťanie ošípaných zvyčajne obsahujú niekoľko ventilov, buď typu brány alebo gule. Všetky ventily v potrubnom systéme musia byť s plným otvorom (úplné otvorenie), aby sa umožnil prechod ošípaných.

Potrubia tiež potrebujú energiu na boj proti treniu potrubia a na udržanie tlaku a prietoku v potrubí. Používajú sa kompresorové alebo čerpacie stanice, ktoré vyzerajú ako malé verzie spracovateľského závodu bez vysokých krakovacích veží. Tieto stanice sú domovom desiatok uzatváracích, guľových a spätných potrubných ventilov.
Samotné potrubia sú navrhnuté v súlade s rôznymi normami a predpismi, zatiaľ čo potrubné ventily nasledujú API 6D Pipeline Valves.
Existujú aj menšie potrubia, ktoré vedú do domov a komerčných budov. Tieto vedenia poskytujú vodu a plyn a sú strážené uzatváracími ventilmi.
Veľké obce, najmä v severnej časti Spojených štátov, poskytujú paru pre potreby vykurovania komerčných zákazníkov. Tieto parné prívodné potrubia sú vybavené rôznymi ventilmi na ovládanie a reguláciu prívodu pary. Hoci kvapalinou je para, tlaky a teploty sú nižšie ako pri výrobe pary v elektrárňach. V tejto službe sa používajú rôzne typy ventilov, hoci úctyhodný kužeľový ventil je stále populárnou voľbou.

RAFINÉRSKE A PETROCHEMICKÉ
Rafinérske ventily predstavujú viac priemyselného využitia ventilov ako ktorýkoľvek iný segment ventilov. Rafinérie sú domovom korozívnych kvapalín a v niektorých prípadoch aj vysokých teplôt.
Tieto faktory určujú, ako sú ventily skonštruované v súlade s konštrukčnými špecifikáciami API ventilov, ako sú API 600 (uzatváracie ventily), API 608 (guľové ventily) a API 594 (spätné ventily). Kvôli drsnej prevádzke, s ktorou sa stretávajú mnohé z týchto ventilov, je často potrebná dodatočná korózia. Táto tolerancia sa prejavuje väčšou hrúbkou steny, ktorá je špecifikovaná v projektových dokumentoch API.

Prakticky každý hlavný typ ventilu možno nájsť v hojnom množstve v typickej veľkej rafinérii. Všadeprítomný posúvač je stále kráľom kopca s najväčším počtom obyvateľov, ale štvrťotáčkové ventily odoberajú čoraz väčší podiel na trhu. Štvrťotáčkové produkty, ktoré sa úspešne presadzujú v tomto odvetví (v ktorom kedysi tiež dominovali lineárne produkty), zahŕňajú vysokovýkonné trojité škrtiace klapky a guľové ventily s kovovým sedlom.

Štandardné uzatváracie, guľové a spätné ventily sa stále nachádzajú masovo a kvôli srdečnosti ich dizajnu a hospodárnosti výroby tak skoro nezmiznú.
Hodnoty tlaku pre rafinérske ventily sa pohybujú v rozsahu od triedy 150 do triedy 1500, pričom trieda 300 je najobľúbenejšia.
Obyčajné uhlíkové ocele, ako je kvalita WCB (liata) a A-105 (kovaná), sú najobľúbenejšie materiály špecifikované a používané vo ventiloch pre rafinérske služby. Mnohé aplikácie procesu rafinácie posúvajú horné teplotné limity obyčajných uhlíkových ocelí a pre tieto aplikácie sú špecifikované zliatiny s vyššou teplotou. Najpopulárnejšie z nich sú chróm/molové ocele ako 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr a 9% Cr. Nehrdzavejúce ocele a zliatiny s vysokým obsahom niklu sa tiež používajú v niektorých obzvlášť náročných rafinačných procesoch.

CHEMICAL
Chemický priemysel je veľkým používateľom ventilov všetkých typov a materiálov. Od malých vsádzkových závodov až po obrovské petrochemické komplexy nachádzajúce sa na pobreží Mexického zálivu sú ventily obrovskou súčasťou potrubných systémov chemických procesov.

Väčšina aplikácií v chemických procesoch má nižší tlak ako mnohé rafinačné procesy a výroba energie. Najpopulárnejšie tlakové triedy pre ventily a potrubia v chemických závodoch sú triedy 150 a 300. Chemické závody boli tiež najväčšou hnacou silou prevzatia podielu na trhu, ktorý guľové ventily získali od lineárnych ventilov za posledných 40 rokov. Guľový ventil s pružným sedlom a uzáverom s nulovým únikom sa perfektne hodí pre mnohé aplikácie v chemických závodoch. Obľúbenou vlastnosťou je aj kompaktná veľkosť guľového ventilu.
Stále existujú niektoré chemické závody a výrobné procesy, kde sú preferované lineárne ventily. V týchto prípadoch sú obľúbené ventily navrhnuté podľa API 603 s tenšími stenami a ľahšími hmotnosťami zvyčajne výberovým posúvačom alebo guľovým ventilom. Kontrola niektorých chemikálií sa tiež účinne vykonáva pomocou membránových alebo škrtiacich ventilov.
Kvôli korozívnej povahe mnohých chemikálií a chemických procesov je výber materiálu rozhodujúci. Defacto materiál je z austenitickej nehrdzavejúcej ocele triedy 316/316L. Tento materiál funguje dobre v boji proti korózii spôsobenej množstvom niekedy nepríjemných tekutín.

Pre niektoré tvrdšie korozívne aplikácie je potrebná väčšia ochrana. V týchto situáciách sa často volia iné vysokovýkonné triedy austenitickej nehrdzavejúcej ocele, ako napríklad 317, 347 a 321. Ďalšie zliatiny, ktoré sa z času na čas používajú na kontrolu chemických tekutín, zahŕňajú Monel, Alloy 20, Inconel a 17-4 PH.

ODDELENIE LNG A PLYNU
Skvapalnený zemný plyn (LNG) aj procesy potrebné na separáciu plynu 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, sa neustále snaží modernizovať a zlepšovať proces skvapalňovania plynu. Na tento účel sa potrubia a ventily značne zväčšili a zvýšili sa požiadavky na tlak.

Táto situácia si vyžiadala od výrobcov ventilov, aby vyvinuli návrhy, ktoré spĺňajú prísnejšie parametre. Štvrťotáčkové guľové a škrtiace ventily sú obľúbené pre služby LNG, pričom 316ss [nehrdzavejúca oceľ] je najobľúbenejším materiálom. ANSI Class 600 je obvyklý tlakový strop pre väčšinu aplikácií LNG. Hoci sú štvrťotáčkové produkty najobľúbenejšími typmi ventilov, v závodoch možno nájsť aj uzatváracie, guľové a spätné ventily.

Služba separácie plynu zahŕňa rozdelenie plynu na jeho jednotlivé základné prvky. Napríklad metódy separácie vzduchu poskytujú dusík, kyslík, hélium a iné stopové plyny. Veľmi nízkoteplotný charakter procesu znamená, že je potrebných veľa kryogénnych ventilov.

Zariadenia na separáciu LNG aj plynov majú nízkoteplotné ventily, ktoré musia zostať prevádzkyschopné v týchto kryogénnych podmienkach. To znamená, že ventilový tesniaci systém musí byť vyvýšený preč od kvapaliny s nízkou teplotou pomocou plynového alebo kondenzačného stĺpca. Tento plynový stĺpec zabraňuje tekutine vytvárať ľadovú guľu okolo plniacej plochy, čo by bránilo otáčaniu alebo stúpaniu drieku ventilu.

HOSPODÁRSKE BUDOVY
Obklopujú nás komerčné budovy, ale pokiaľ nevenujeme veľkú pozornosť ich stavaniu, nemáme ani potuchy o množstve tekutých tepien skrytých v ich stenách z muriva, skla a kovu.

Spoločným menovateľom prakticky každej budovy je voda. Všetky tieto konštrukcie obsahujú rôzne potrubné systémy nesúce mnoho kombinácií zlúčenín vodíka a kyslíka vo forme pitných tekutín, odpadovej vody, horúcej vody, sivej vody a požiarnej ochrany.

Z hľadiska prežitia budovy sú požiarne systémy najdôležitejšie. Požiarna ochrana v budovách je takmer univerzálne napájaná a naplnená čistou vodou. Aby boli systémy požiarnej vody účinné, musia byť spoľahlivé, musia mať dostatočný tlak a musia byť vhodne umiestnené v celej konštrukcii. Tieto systémy sú navrhnuté tak, aby sa v prípade požiaru automaticky aktivovali.
Výškové budovy vyžadujú rovnaký tlak vody na horných poschodiach ako na spodných poschodiach, takže je potrebné použiť vysokotlakové čerpadlá a potrubia, aby sa voda dostala hore. Potrubné systémy sú zvyčajne triedy 300 alebo 600 v závislosti od výšky budovy. V týchto aplikáciách sa používajú všetky typy ventilov; avšak dizajn ventilov musí byť schválený Underwriters Laboratories alebo Factory Mutual pre protipožiarnu službu.

Pre rozvody pitnej vody sa používajú rovnaké triedy a typy ventilov ako pre požiarne ventily, aj keď schvaľovací proces nie je taký prísny.
Komerčné klimatizačné systémy nachádzajúce sa vo veľkých obchodných štruktúrach, ako sú kancelárske budovy, hotely a nemocnice, sú zvyčajne centralizované. Majú veľkú chladiacu jednotku alebo kotol na chladenie alebo ohrievanie kvapaliny používanej na prenos chladu alebo vysokej teploty. Tieto systémy často musia pracovať s chladivami, ako je R-134a, fluórovaný uhľovodík alebo v prípade veľkých vykurovacích systémov s parou. Kvôli kompaktnej veľkosti škrtiacich a guľových ventilov sa tieto typy stali obľúbenými v chladiacich systémoch HVAC.

Na strane pary sa do používania dostali niektoré štvrťotáčkové ventily, no mnohí inštalatéri sa stále spoliehajú na lineárne uzatváracie a guľové ventily, najmä ak potrubia vyžadujú konce privarené na tupo. Pre tieto mierne parné aplikácie oceľ nahradila liatinu kvôli zvárateľnosti ocele.

Niektoré vykurovacie systémy používajú ako prenosovú kvapalinu horúcu vodu namiesto pary. Týmto systémom dobre slúžia bronzové alebo železné ventily. Štvrťotáčkové guľové a škrtiace ventily s pružným sedlom sú veľmi obľúbené, aj keď niektoré lineárne konštrukcie sa stále používajú.

ZÁVER
Hoci dôkazy o aplikáciách ventilov uvedených v tomto článku nemusia byť viditeľné počas výletu do Starbucks alebo do domu starej mamy, niektoré veľmi dôležité ventily sú vždy nablízku. V motore auta sú dokonca ventily používané na to, aby sa dostali do tých miest, ako sú tie v karburátore, ktoré riadia tok paliva do motora a tie v motore, ktoré riadia tok benzínu do piestov a zase von. A ak tieto chlopne nie sú dostatočne blízko k nášmu každodennému životu, zvážte realitu, že naše srdce pravidelne bije prostredníctvom štyroch životne dôležitých zariadení na kontrolu prietoku.

Toto je len ďalší príklad skutočnosti, že: ventily sú skutočne všade. VM
Časť II tohto článku sa týka ďalších odvetví, v ktorých sa používajú ventily. Prejdite na stránku www.valvemagazine.com a prečítajte si o celulóze a papieri, námorných aplikáciách, priehradách a vodnej elektrárni, slnečnej energii, železe a oceli, letectve, geotermálnom a remeselnom pivovarníctve a liehovarníctve.

GREG JOHNSON je prezidentom United Valve (www.unitedvalve.com) v Houstone. Je prispievajúcim redaktorom časopisu VALVE, bývalým predsedom Rady pre opravy ventilov a súčasným členom predstavenstva VRC. Pôsobí aj vo Výbore pre vzdelávanie a školenie VMA, je podpredsedom Výboru pre komunikáciu VMA a je bývalým prezidentom Spoločnosti pre štandardizáciu výrobcov.