Kde se používají ventily: Všude!

8. listopadu 2017 Napsal Greg Johnson

Ventily dnes najdete téměř kdekoli: v našich domovech, pod ulicemi, v komerčních budovách a na tisících místech v elektrárnách a vodárenských závodech, papírnách, rafinériích, chemických závodech a dalších průmyslových a infrastrukturních zařízeních.
Průmysl ventilů má skutečně široká ramena a segmenty se liší od distribuce vody přes jadernou energii až po ropu a plyn proti proudu a po proudu. Každé z těchto průmyslových odvětví pro koncové uživatele používá některé základní typy ventilů; detaily konstrukce a materiálů se však často velmi liší. Zde je ukázka:

VODA FUNGUJE
Ve světě rozvodů vody jsou tlaky téměř vždy relativně nízké a teploty okolní. Tyto dvě aplikační skutečnosti umožňují řadu konstrukčních prvků ventilů, které by nebylo možné nalézt u náročnějších zařízení, jako jsou vysokoteplotní parní ventily. Okolní teplota vody umožňuje použití jinde nevhodných elastomerů a pryžových těsnění. Tyto měkké materiály umožňují vybavení vodních ventilů k těsnému utěsnění kapek.

Dalším hlediskem u vodovodních ventilů je volba konstrukčních materiálů. Litiny a tvárné litiny jsou široce používány ve vodních systémech, zejména ve vedeních s velkým vnějším průměrem. Velmi malé linky lze docela dobře zvládnout s bronzovými materiály ventilů.

Tlaky, které většina vodárenských ventilů vidí, jsou obvykle výrazně pod 200 psi. To znamená, že nejsou potřeba silnostěnné vysokotlaké konstrukce. Jak již bylo řečeno, existují případy, kdy jsou vodní ventily konstruovány tak, aby zvládaly vyšší tlaky, až do přibližně 300 psi. Tyto aplikace jsou obvykle na dlouhých akvaduktech blízko zdroje tlaku. Někdy se také nacházejí vysokotlaké vodní ventily na místech s nejvyšším tlakem ve vysoké přehradě.

American Water Works Association (AWWA) vydala specifikace týkající se mnoha různých typů ventilů a pohonů používaných ve vodárenských aplikacích.

ODPADNÍ VODA
Odvrácenou stranou čerstvé pitné vody, která vstupuje do zařízení nebo stavby, je výstup odpadní vody nebo kanalizace. Tyto linky shromažďují veškeré odpadní tekutiny a pevné látky a směřují je do čistírny odpadních vod. Tyto čistírny mají mnoho nízkotlakých potrubí a ventilů, které vykonávají svou „špinavou práci“. Požadavky na ventily odpadních vod jsou v mnoha případech mnohem mírnější než požadavky na čistou vodu. Železná šoupátka a zpětné ventily jsou nejoblíbenější volbou pro tento typ služeb. Standardní ventily v této službě jsou vyrobeny v souladu se specifikacemi AWWA.

ENERGETIKA
Většina elektrické energie vyrobené ve Spojených státech se vyrábí v parních elektrárnách pomocí fosilních paliv a vysokorychlostních turbín. Odlepení krytu moderní elektrárny by přineslo pohled na vysokotlaké a vysokoteplotní potrubní systémy. Tyto hlavní linky jsou nejkritičtější v procesu výroby parní energie.

Šoupátka zůstávají hlavní volbou pro aplikace se zapínáním a vypínáním v elektrárnách, i když se také nalézají kulové ventily pro speciální účely se vzorem Y. Vysoce výkonné kulové ventily pro kritický provoz si získávají oblibu u některých konstruktérů elektráren a prosazují se v tomto světě, kterému kdysi dominovaly lineární ventily.

Metalurgie je kritická pro ventily v energetických aplikacích, zejména ty, které pracují v superkritickém nebo ultrasuperkritickém provozním rozsahu tlaku a teploty. V dnešních elektrárnách se běžně používají F91, F92, C12A spolu s několika slitinami Inconel a nerezovou ocelí. Tlakové třídy zahrnují 1500, 2500 a v některých případech 4500. Modulační povaha špičkových elektráren (těch, které pracují pouze podle potřeby) také velmi zatěžuje ventily a potrubí, což vyžaduje robustní konstrukce, aby zvládly extrémní kombinaci cyklů, teploty a tlak.
Kromě hlavního parního ventilu jsou elektrárny zatíženy pomocnými potrubími, která jsou osazena nesčetnými šoupátkovými, kulovými, kontrolními, klapkovými a kulovými ventily.

Jaderné elektrárny fungují na stejném principu parní/vysokorychlostní turbíny. Primární rozdíl je v tom, že v jaderné elektrárně vzniká pára teplem ze štěpného procesu. Ventily jaderných elektráren jsou podobné jejich příbuzným na fosilní paliva, s výjimkou jejich původu a dodatečného požadavku absolutní spolehlivosti. Jaderné ventily jsou vyráběny podle extrémně vysokých standardů, přičemž kvalifikační a inspekční dokumentace zabírá stovky stran.

TĚŽBA ROPY A PLYNU
Ropné a plynové vrty a výrobní zařízení jsou velkými uživateli ventilů, včetně mnoha odolných ventilů. Přestože již pravděpodobně nedojde k výronům ropy chrlící stovky stop ve vzduchu, snímek ilustruje potenciální tlak podzemní ropy a plynu. To je důvod, proč jsou hlavy studní nebo vánoční stromky umístěny na vrcholu dlouhého potrubí studny. Tyto sestavy s kombinací ventilů a speciálních armatur jsou navrženy tak, aby zvládaly tlaky vyšší než 10 000 psi. I když se v těchto dnech zřídka vyskytují ve studnách vykopaných na souši, extrémně vysoké tlaky se často nacházejí na hlubokých pobřežních vrtech.

Konstrukce zařízení vrtu je pokryta specifikacemi API, jako je 6A, Specifikace pro zařízení vrtu a vánoční strom. Ventily zahrnuté v 6A jsou navrženy pro extrémně vysoké tlaky, ale mírné teploty. Většina vánočních stromků obsahuje šoupátka a speciální kulové ventily zvané tlumivky. Tlumivky slouží k regulaci průtoku ze studny.

Kromě samotných ústí vrtů je v mnoha pomocných zařízeních osídleno ropné nebo plynové pole. Procesní zařízení pro předúpravu ropy nebo plynu vyžaduje řadu ventilů. Tyto ventily jsou obvykle z uhlíkové oceli určené pro nižší třídy.

Občas se v proudu surové ropy vyskytuje vysoce korozivní kapalina – sirovodík. Tento materiál, nazývaný také kyselý plyn, může být smrtelný. K překonání problémů spojených s kyselým plynem je třeba dodržovat speciální materiály nebo techniky zpracování materiálů v souladu s mezinárodní specifikací NACE MR0175.

OFFSHORE PRŮMYSL
Potrubní systémy pro pobřežní ropné plošiny a výrobní zařízení obsahují velké množství ventilů vyrobených podle mnoha různých specifikací, aby zvládly širokou škálu problémů s řízením průtoku. Tato zařízení také obsahují různé smyčky řídicího systému a zařízení pro odlehčení tlaku.

U zařízení na těžbu ropy je tepenným srdcem skutečný potrubní systém pro těžbu ropy nebo plynu. Ačkoli ne vždy na samotné platformě, mnoho výrobních systémů používá vánoční stromky a potrubní systémy, které pracují v nehostinných hloubkách 10 000 stop nebo více. Toto výrobní zařízení je postaveno podle mnoha náročných standardů American Petroleum Institute (API) a odkazuje na něj několik doporučených postupů API (RP).

Na většině velkých ropných plošin se na surovou tekutinu přicházející z ústí vrtu aplikují další procesy. Ty zahrnují oddělování vody od uhlovodíků a oddělování plynu a kapalného zemního plynu z proudu tekutiny. Tyto potrubní systémy na vánoční stromeček jsou obecně postaveny podle potrubních kódů B31.3 American Society of Mechanical Engineers s ventily navrženými v souladu se specifikacemi ventilů API, jako jsou API 594, API 600, API 602, API 608 a API 609.

Některé z těchto systémů mohou také obsahovat šoupátkové, kulové a zpětné ventily API 6D. Protože všechna potrubí na plošině nebo vrtné lodi jsou uvnitř zařízení, neplatí přísné požadavky na použití ventilů API 6D pro potrubí. Přestože se v těchto potrubních systémech používá více typů ventilů, je preferovaným typem ventilu kulový ventil.

POTRUBÍ
Přestože je většina potrubí skryta, jejich přítomnost je obvykle evidentní. Malé cedule s nápisem „ropovodu“ jsou jedním z jasných indikátorů přítomnosti podzemního dopravního potrubí. Tato potrubí jsou po celé délce vybavena mnoha důležitými ventily. Nouzové uzavírací ventily potrubí se nacházejí v intervalech stanovených normami, předpisy a zákony. Tyto ventily slouží životně důležité službě při izolaci části potrubí v případě netěsnosti nebo při nutnosti údržby.

Podél trasy potrubí jsou také roztroušena zařízení, kde vedení vychází ze země a je k dispozici přístup k vedení. Tyto stanice jsou domovem „prasečího“ spouštěcího zařízení, které se skládá ze zařízení vložených do potrubí buď pro kontrolu nebo čištění linky. Tyto stanice na spouštění prasat obvykle obsahují několik ventilů, buď typu šoupátka nebo koule. Všechny ventily na potrubním systému musí být plně otevřené (plné otevření), aby umožnily průchod prasat.

Potrubí také potřebuje energii k potlačení tření potrubí a udržení tlaku a průtoku potrubí. Používají se kompresorové nebo čerpací stanice, které vypadají jako malé verze procesního závodu bez vysokých krakovacích věží. Tyto stanice jsou domovem desítek uzavíracích, kulových a kontrolních potrubních ventilů.
Samotné potrubí je navrženo v souladu s různými normami a předpisy, zatímco potrubní ventily se řídí API 6D potrubními ventily.
Existují také menší potrubí, která vedou do domů a komerčních objektů. Tato vedení poskytují vodu a plyn a jsou střežena uzavíracími ventily.
Velké obce, zejména v severní části Spojených států, poskytují páru pro potřeby vytápění komerčních zákazníků. Tato parní přívodní potrubí jsou vybavena řadou ventilů pro řízení a regulaci přívodu páry. Přestože tekutinou je pára, tlaky a teploty jsou nižší než při výrobě páry v elektrárnách. V této službě se používají různé typy ventilů, ačkoli úctyhodný kuželkový ventil je stále oblíbenou volbou.

RAFINÁŘSKÉ A PETROCHEMICKÉ
Rafinérské ventily mají větší průmyslové využití než jakýkoli jiný segment ventilů. Rafinérie jsou domovem jak korozivních kapalin, tak v některých případech i vysokých teplot.
Tyto faktory určují, jak jsou ventily vyrobeny v souladu s konstrukčními specifikacemi API ventilů, jako je API 600 (šoupátka), API 608 (kulové ventily) a API 594 (zpětné ventily). Vzhledem k drsnému provozu, s nímž se setkávají mnohé z těchto ventilů, je často potřeba dodatečná koroze. Tento přídavek se projevuje většími tloušťkami stěn, které jsou specifikovány v konstrukčních dokumentech API.

Prakticky každý hlavní typ ventilu lze nalézt v hojnosti v typické velké rafinerii. Všudypřítomné šoupátko je stále králem kopce s největším počtem obyvatel, ale čtvrtotáčkové ventily ubírají stále větší část jejich podílu na trhu. Mezi čtvrtotáčkové produkty, které se úspěšně prosazují v tomto odvětví (kterému také kdysi dominovaly lineární produkty), patří vysoce výkonné trojité přesazené škrticí ventily a kulové ventily s kovovým sedlem.

Standardní šoupátka, kulové a zpětné ventily se stále vyskytují masově a kvůli srdečnosti jejich designu a hospodárnosti výroby v dohledné době nezmizí.
Jmenovité tlaky pro rafinérské ventily se pohybují v rozsahu od třídy 150 do třídy 1500, přičemž třída 300 je nejoblíbenější.
Obyčejné uhlíkové oceli, jako je jakost WCB (lité) a A-105 (kované), jsou nejoblíbenějšími materiály specifikovanými a používanými ve ventilech pro služby v rafinériích. Mnoho aplikací rafinačního procesu posouvá horní teplotní limity obyčejných uhlíkových ocelí a pro tyto aplikace jsou specifikovány slitiny za vyšších teplot. Nejoblíbenější z nich jsou chrom/moly oceli jako 1-1/4 % Cr, 2-1/4 % Cr, 5 % Cr a 9 % Cr. Nerezové oceli a slitiny s vysokým obsahem niklu se také používají v některých zvláště náročných rafinačních procesech.

CHEMIKÁLIE
Chemický průmysl je velkým uživatelem ventilů všech typů a materiálů. Od malých dávkových závodů až po obrovské petrochemické komplexy na pobřeží Mexického zálivu jsou ventily obrovskou součástí potrubních systémů pro chemické procesy.

Většina aplikací v chemických procesech má nižší tlak než mnoho rafinačních procesů a výroby energie. Nejoblíbenější tlakové třídy pro ventily a potrubí pro chemické závody jsou třídy 150 a 300. Chemické závody byly také největší hybnou silou převzetí podílu na trhu, které kulové ventily za posledních 40 let vybojovaly od lineárních ventilů. Kulový ventil s pružným sedlem a uzávěrem s nulovým únikem se perfektně hodí pro mnoho aplikací v chemických závodech. Oblíbenou vlastností je také kompaktní velikost kulového ventilu.
Stále existují některé chemické závody a výrobní procesy, kde jsou preferovány lineární ventily. V těchto případech jsou oblíbené ventily navržené podle API 603 s tenčími stěnami a lehčími hmotnostmi obvykle šoupátkem nebo kulovým ventilem. Kontrola některých chemikálií je také účinně prováděna pomocí membránových nebo přítlačných ventilů.
Kvůli korozivní povaze mnoha chemikálií a chemických procesů je výběr materiálu kritický. Defacto materiálem je austenitická nerezová ocel třídy 316/316L. Tento materiál funguje dobře v boji proti korozi z řady někdy nepříjemných tekutin.

Pro některé tvrdší korozivní aplikace je zapotřebí větší ochrana. V těchto situacích se často volí jiné vysoce výkonné třídy austenitické nerezové oceli, jako 317, 347 a 321. Mezi další slitiny, které se čas od času používají ke kontrole chemických kapalin, patří Monel, Alloy 20, Inconel a 17-4 PH.

ODDĚLOVÁNÍ LNG A PLYNU
Jak kapalný zemní plyn (LNG), tak procesy potřebné pro separaci plynů se spoléhají na rozsáhlé potrubí. Tyto aplikace vyžadují ventily, které mohou pracovat při velmi nízkých kryogenních teplotách. Průmysl LNG, který ve Spojených státech rychle roste, se neustále snaží modernizovat a zlepšovat proces zkapalňování plynu. Za tímto účelem se potrubí a ventily značně zvětšily a zvýšily se požadavky na tlak.

Tato situace si vyžádala výrobce ventilů, aby vyvinuli návrhy splňující přísnější parametry. Čtvrtotáčkové kulové a škrticí ventily jsou oblíbené pro provoz na LNG, přičemž nejoblíbenějším materiálem je 316ss [nerezová ocel]. ANSI Class 600 je obvyklý tlakový strop pro většinu aplikací LNG. Ačkoli jsou čtvrtotáčkové výrobky nejoblíbenějšími typy ventilů, v závodech lze nalézt také šoupátkové, kulové a zpětné ventily.

Služba separace plynu spočívá v rozdělení plynu na jeho jednotlivé základní prvky. Například metody vzduchové separace poskytují dusík, kyslík, helium a další stopové plyny. Velmi nízkoteplotní povaha procesu znamená, že je zapotřebí mnoho kryogenních ventilů.

Zařízení na separaci LNG i separace plynu mají nízkoteplotní ventily, které musí zůstat provozuschopné v těchto kryogenních podmínkách. To znamená, že ventilový ucpávkový systém musí být zvednut směrem od kapaliny o nízké teplotě pomocí plynové nebo kondenzační kolony. Tento sloupec plynu zabraňuje tekutině ve vytváření ledové koule kolem ucpávkové oblasti, která by bránila otáčení nebo zvednutí dříku ventilu.

KOMERČNÍ BUDOVY
Obklopují nás komerční budovy, ale pokud nevěnujeme bedlivou pozornost jejich stavbě, nemáme ponětí o množství tekutinových tepen skrytých v jejich stěnách ze zdiva, skla a kovu.

Společným jmenovatelem prakticky každé budovy je voda. Všechny tyto konstrukce obsahují různé potrubní systémy nesoucí mnoho kombinací sloučenin vodíku a kyslíku ve formě pitných kapalin, odpadních vod, horké vody, šedé vody a protipožární ochrany.

Z hlediska přežití budovy jsou požární systémy nejkritičtější. Požární ochrana v budovách je téměř univerzálně napájena a plněna čistou vodou. Aby byly systémy požární vody účinné, musí být spolehlivé, mít dostatečný tlak a být vhodně umístěny v celé konstrukci. Tyto systémy jsou navrženy tak, aby se v případě požáru automaticky aktivovaly.
Výškové budovy vyžadují stejný tlak vody v horních patrech jako ve spodních patrech, takže je třeba použít vysokotlaká čerpadla a potrubí, aby se voda dostala nahoru. Potrubní systémy jsou obvykle třídy 300 nebo 600 v závislosti na výšce budovy. V těchto aplikacích se používají všechny typy ventilů; konstrukce ventilů však musí být schváleny Underwriters Laboratories nebo Factory Mutual pro protipožární služby.

Pro rozvody pitné vody se používají stejné třídy a typy ventilů jako pro požární ventily, i když schvalovací proces není tak přísný.
Komerční klimatizační systémy nacházející se ve velkých obchodních strukturách, jako jsou kancelářské budovy, hotely a nemocnice, jsou obvykle centralizované. Mají velkou chladicí jednotku nebo kotel pro chlazení nebo ohřev kapaliny používané pro přenos chladu nebo vysoké teploty. Tyto systémy často musí pracovat s chladivy, jako je R-134a, fluorovaný uhlovodík nebo v případě velkých topných systémů s párou. Kvůli kompaktní velikosti škrticích a kulových ventilů se tyto typy staly oblíbenými v chladicích systémech HVAC.

Na straně páry se do používání prosadily některé čtvrtotáčkové ventily, ale mnoho instalatérů stále spoléhá na lineární šoupátka a kulové ventily, zejména pokud potrubí vyžaduje konce přivařené na tupo. Pro tyto aplikace s mírnou parou ocel nahradila litinu kvůli svařitelnosti oceli.

Některé topné systémy používají jako přenosovou kapalinu horkou vodu místo páry. Těmto systémům dobře poslouží bronzové nebo železné ventily. Čtvrtotáčkové kulové a škrticí ventily s pružným sedlem jsou velmi oblíbené, i když některé lineární konstrukce se stále používají.

ZÁVĚR
Ačkoli důkazy o aplikacích ventilů zmíněných v tomto článku nemusí být možné zobrazit během výletu do Starbucks nebo do domu babičky, některé velmi důležité ventily jsou vždy poblíž. V motoru auta jsou dokonce ventily používané k tomu, aby se dostali do těch míst, jako jsou ty v karburátoru, které řídí tok paliva do motoru a ty v motoru, které řídí tok benzínu do pístů a zase ven. A pokud tyto chlopně nejsou dostatečně blízko k našemu každodennímu životu, zvažte realitu, že naše srdce pravidelně bije prostřednictvím čtyř životně důležitých zařízení pro řízení průtoku.

Toto je jen další příklad skutečnosti, že: ventily jsou opravdu všude. VM
Část II tohoto článku pokrývá další průmyslová odvětví, kde se používají ventily. Přejděte na www.valvemagazine.com a přečtěte si o celulóze a papíru, námořních aplikacích, přehradách a vodní elektrárně, solární, železné a ocelářské, leteckém, geotermálním a řemeslném vaření a destilaci.

GREG JOHNSON je prezidentem United Valve (www.unitedvalve.com) v Houstonu. Je přispívajícím redaktorem časopisu VALVE, bývalým předsedou Rady pro opravy ventilů a současným členem představenstva VRC. Působí také ve VMA's Education & Training Committee, je místopředsedou VMA's Communications Committee a je bývalým prezidentem Manufacturers Standardization Society.