Kde se používají ventily: Všude!

8. listopadu 2017 Autor: Greg Johnson

Ventily dnes najdeme téměř všude: v našich domovech, pod ulicí, v komerčních budovách a na tisících míst v elektrárnách a vodárnách, papírnách, rafineriích, chemických závodech a dalších průmyslových a infrastrukturních zařízeních.
Průmysl s armaturami je skutečně širokospektrý a jeho segmenty sahají od distribuce vody přes jadernou energii až po těžbu a prodej ropy a plynu. Každé z těchto koncových odvětví používá některé základní typy armatur; konstrukční detaily a materiály se však často velmi liší. Zde je ukázka:

VODÁRNA
Ve světě distribuce vody jsou tlaky téměř vždy relativně nízké a teploty okolní. Tyto dva aplikační faktory umožňují použití řady konstrukčních prvků ventilů, které by se nenašly u náročnějších zařízení, jako jsou například vysokoteplotní parní ventily. Okolní teplota vodovodního potrubí umožňuje použití elastomerů a pryžových těsnění, které nejsou jinde vhodné. Tyto měkké materiály umožňují, aby byly vodní ventily vybaveny tak, aby těsně utěsnily odkapávání.

Dalším faktorem u vodovodních ventilů je výběr konstrukčních materiálů. Litina a tvárná litina se hojně používají ve vodovodních systémech, zejména u potrubí s velkým vnějším průměrem. Velmi malá potrubí lze s bronzovými ventily docela dobře zpracovat.

Tlak, který většina ventilů vodárenských zařízení zaznamená, je obvykle hluboko pod 200 psi. To znamená, že konstrukce s vyšším tlakem se silnějšími stěnami nejsou potřeba. Nicméně existují případy, kdy jsou vodní ventily konstruovány tak, aby zvládly vyšší tlaky, až do přibližně 300 psi. Tyto aplikace se obvykle nacházejí na dlouhých akvaduktech v blízkosti zdroje tlaku. Někdy se vodní ventily s vyšším tlakem nacházejí i v bodech s nejvyšším tlakem ve vysoké přehradě.

Americká asociace vodáren (AWWA) vydala specifikace pokrývající mnoho různých typů ventilů a pohonů používaných ve vodárnách.

ODPADNÍ VODA
Rubovou stranou čerstvé pitné vody vstupující do zařízení nebo stavby je výstup odpadní vody nebo kanalizace. Tato potrubí shromažďují veškeré odpadní kapaliny a pevné látky a směrují je do čistírny odpadních vod. Tyto čistírny odpadních vod jsou vybaveny mnoha nízkotlakými potrubími a ventily, které vykonávají jejich „špinavou práci“. Požadavky na ventily odpadních vod jsou v mnoha případech mnohem mírnější než požadavky na čistou vodu. Nejoblíbenější volbou pro tento typ služby jsou železné šoupátka a zpětné ventily. 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 využívajících fosilní paliva a vysokorychlostní turbíny. Po odkrytí moderní elektrárny by se nám naskytl pohled na vysokotlaké potrubní systémy s vysokou teplotou. Tato hlavní potrubí jsou v procesu výroby páry nejdůležitější.

Šoupátka zůstávají hlavní volbou pro aplikace otevírání/zavírání elektráren, ačkoli se vyskytují i ​​speciální kulové ventily ve tvaru Y. Vysoce výkonné kulové ventily pro kritické provozy získávají na popularitě u některých konstruktérů elektráren a prosazují se v tomto světě, kde kdysi dominovaly lineární ventily.

Metalurgie je klíčová pro ventily v energetických aplikacích, zejména pro ty, které pracují v superkritickém nebo ultrasuperkritickém provozním rozsahu tlaku a teploty. V dnešních elektrárnách se běžně používají oceli F91, F92, C12A, spolu s několika slitinami Inconel a nerezové oceli. Tlakové třídy zahrnují 1500, 2500 a v některých případech 4500. Modulační povaha elektráren se špičkovým výkonem (těch, které fungují pouze podle potřeby) také klade obrovskou zátěž na ventily a potrubí, což vyžaduje robustní konstrukce, které zvládnou extrémní kombinaci cyklů, teploty a tlaku.
Kromě hlavních parních armatur jsou elektrárny zatíženy pomocnými potrubími, které jsou osazeny nesčetnými šoupátky, kulovými kohouty, zpětnými ventily, klapkami a motýlky.

Jaderné elektrárny fungují na stejném principu páry/vysokorychlostní turbíny. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že v jaderné elektrárně je pára vytvářena teplem ze štěpného procesu. Ventily jaderných elektráren jsou podobné svým příbuzným na fosilní paliva, s výjimkou svého původu a dodatečného požadavku na absolutní spolehlivost. Jaderné ventily jsou vyráběny podle extrémně vysokých standardů a kvalifikační a inspekční dokumentace zabírá stovky stran.

TĚŽBA ROPY A PLYNU
Ropné a plynové vrty a těžební zařízení jsou velkými uživateli ventilů, včetně mnoha vysoce výkonných ventilů. Ačkoli trysky ropy chrlící stovky stop do vzduchu již pravděpodobně neexistují, obrázek ilustruje potenciální tlak podzemní ropy a plynu. Proto se na vrchol dlouhého potrubí vrtu umisťují hlavice vrtů neboli vánoční stromky. Tyto sestavy s kombinací ventilů a speciálních armatur jsou navrženy tak, aby zvládly tlaky až do 10 000 psi. I když se v dnešní době u vrtů vykopaných na souši vyskytují jen zřídka, extrémně vysoké tlaky se často vyskytují u hlubokých vrtů na moři.

Návrh zařízení pro ústí vrtu je pokryt specifikacemi API, jako je například 6A, Specifikace pro ústí vrtu a zařízení pro vstřikování vrtných otvorů (Christmas Tree Equipment). Ventily uvedené v 6A jsou navrženy pro extrémně vysoké tlaky, ale mírné teploty. Většina vstřikovacích otvorů obsahuje šoupátka a speciální kulové ventily zvané škrticí ventily. Škrticí ventily se používají k regulaci průtoku z vrtu.

Kromě samotných ústí vrtů se v ropném nebo plynovém poli nachází mnoho pomocných zařízení. Procesní zařízení pro předúpravu ropy nebo plynu vyžaduje řadu ventilů. Tyto ventily jsou obvykle vyrobeny z uhlíkové oceli nižších tříd.

V proudu surové ropy se občas vyskytuje vysoce korozivní kapalina – sirovodík. Tato látka, nazývaná také kyselý plyn, může být smrtelná. Aby se předešlo problémům s kyselým plynem, je nutné dodržovat speciální materiály nebo techniky zpracování materiálů v souladu s mezinárodní specifikací NACE MR0175.

POBŘEŽNÍ PRŮMYSL
Potrubní systémy pro ropné plošiny a výrobní zařízení na moři obsahují množství ventilů vyrobených podle mnoha různých specifikací, aby zvládly širokou škálu problémů s regulací průtoku. Tato zařízení také obsahují různé regulační smyčky a přetlaková zařízení.

Pro zařízení na těžbu ropy je tepnou srdce skutečný systém potrubí pro těžbu ropy nebo plynu. I když se ne vždy nachází na samotné plošině, mnoho produkčních systémů používá vánoční stromky a potrubní systémy, které fungují v nehostinných hloubkách 10 000 stop nebo více. Toto produkční zařízení je vyrobeno podle mnoha přísných norem Amerického ropného institutu (API) a je uvedeno v několika doporučených postupech (RP) API.

Na většině velkých ropných plošin se na surovou kapalinu přicházející z ústí vrtu používají další procesy. Patří mezi ně oddělení vody od uhlovodíků a oddělení plynu a kapalného zemního plynu od proudu kapaliny. Tyto potrubní systémy „po vánočním stromečku“ jsou obvykle stavěny podle potrubních předpisů Americké společnosti strojních inženýrů B31.3 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 dle API 6D. Vzhledem k tomu, že veškerá potrubí na plošině nebo vrtné lodi jsou uvnitř zařízení, neplatí pro ně přísné požadavky na používání ventilů dle API 6D pro potrubí. Přestože se v těchto potrubních systémech používá více typů ventilů, preferovaným typem ventilu je kulový ventil.

POTRUBÍ
Přestože je většina potrubí skryta, jejich přítomnost je obvykle patrná. Malé cedule s nápisem „ropovod“ jsou jedním z zřejmých ukazatelů přítomnosti podzemního přepravního potrubí. Toto potrubí je po celé své délce vybaveno mnoha důležitými ventily. Havarijní uzavírací ventily potrubí se nacházejí v intervalech stanovených normami, předpisy a zákony. Tyto ventily slouží k zásadní službě – izolaci úseku potrubí v případě úniku nebo v případě potřeby údržby.

Podél trasy potrubí se nacházejí také zařízení, kde potrubí vystupuje ze země a je k němu zajištěn přístup. V těchto stanicích se nachází zařízení pro spouštění „ježků“, což jsou zařízení zasouvaná do potrubí za účelem kontroly nebo čištění potrubí. Tyto stanice pro spouštění ježků obvykle obsahují několik ventilů, buď šoupátkových, nebo kulových. Všechny ventily v potrubním systému musí být plně otevíratelné, aby umožňovaly průchod ježků.

Potrubí také potřebuje energii k boji proti tření v potrubí a k udržení tlaku a průtoku v něm. Používají se kompresorové nebo čerpací stanice, které vypadají jako zmenšené verze procesního závodu bez vysokých krakovacích věží. Tyto stanice jsou domovem desítek šoupátek, kulových a zpětných ventilů.
Samotné potrubí je navrženo v souladu s různými normami a předpisy, zatímco potrubní armatury splňují normu API 6D pro potrubní armatury.
Existují také menší potrubí, která napájejí domy a komerční budovy. Tato potrubí zajišťují vodu a plyn a jsou chráněna uzavíracími ventily.
Velké obce, zejména v severní části Spojených států, dodávají páru pro vytápění komerčních zákazníků. Tato parní potrubí jsou vybavena řadou ventilů pro řízení a regulaci dodávky páry. Přestože se jedná o páru, tlaky a teploty jsou nižší než u elektráren. V této službě se používá řada typů ventilů, ačkoliv úctyhodný kuželkový ventil je stále oblíbenou volbou.

RAFINÉRIE A PETROCHEMIE
Rafinérijní ventily představují větší podíl průmyslových ventilů než kterýkoli jiný segment ventilů. Rafinerie jsou domovem jak korozivních kapalin, tak v některých případech i vysokých teplot.
Tyto faktory určují, jak se ventily konstruují v souladu s konstrukčními specifikacemi API, jako je API 600 (šoupátka), API 608 (kulové ventily) a API 594 (zpětné ventily). Vzhledem k náročnému provozu, kterému je mnoho z těchto ventilů vystaveno, je často nutný dodatečný korozní přídavek. Tento přídavek se projevuje větší tloušťkou stěn, která je specifikována v konstrukční dokumentaci API.

Prakticky každý hlavní typ ventilu se dá hojně nalézt v typické velké rafinérii. Všudypřítomný šoupátkový ventil je stále králem s největším počtem účastníků, ale čtvrtotáčkové ventily si získávají stále větší podíl na trhu. Mezi čtvrtotáčkové produkty, které se v tomto odvětví (kterému kdysi dominovaly lineární produkty) úspěšně prosazují, patří vysoce výkonné trojité odsazené motýlí klapky a kulové ventily s kovovým sedlem.

Standardní šoupátka, kulové a zpětné ventily se stále hromadně vyskytují a díky propracované konstrukci a hospodárnosti výroby v dohledné době nezmizí.
Tlakové jmenovité hodnoty pro rafinérské ventily sahají od třídy 150 do třídy 1500, přičemž nejoblíbenější je třída 300.
Uhlíkové oceli bez příměsí, jako je třída WCB (litá) a A-105 (kovaná), jsou nejoblíbenějšími materiály specifikovanými a používanými ve ventilech pro rafinerie. Mnoho aplikací v rafinačních procesech posouvá horní teplotní limity běžných uhlíkových ocelí a pro tyto aplikace se specifikují slitiny pro vyšší teploty. Nejoblíbenější z nich jsou chrom-molybdenové oceli, jako je 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr a 9% Cr. V některých obzvláště náročných rafinačních procesech se používají také nerezové oceli a slitiny s vysokým obsahem niklu.

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. Nejoblíbenějšími tlakovými třídami pro ventily a potrubí v chemických závodech jsou třídy 150 a 300. Chemické závody byly také největším hybatelem tržního podílu, který kulové ventily v posledních 40 letech vybojovaly od lineárních ventilů. Kulový ventil s pružným sedlem a bezúnikovým uzavíráním je ideální pro mnoho aplikací v chemických závodech. Oblíbenou vlastností je také kompaktní velikost kulového ventilu.
Stále existují některé chemické závody a provozní procesy, kde se dává přednost lineárním ventilům. V těchto případech se obvykle volí oblíbené ventily navržené dle API 603 s tenčími stěnami a nižší hmotností, které jsou oblíbeným šoupátkem nebo kulovým ventilem. Regulace některých chemikálií se také efektivně provádí pomocí membránových nebo hadicových ventilů.
Vzhledem ke korozivní povaze mnoha chemikálií a procesů jejich výroby je výběr materiálu zásadní. Defakticky oblíbeným materiálem je austenitická nerezová ocel třídy 316/316L. Tento materiál dobře odolává korozi způsobené řadou někdy i škodlivých kapalin.

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

Oddělování zkapalněného zemního plynu a plynu
Jak zkapalněný zemní plyn (LNG), tak procesy potřebné pro separaci plynů závisí na rozsáhlém potrubí. Tyto aplikace vyžadují ventily, které mohou pracovat při velmi nízkých kryogenních teplotách. Průmysl LNG, který ve Spojených státech rychle roste, neustále hledá způsoby, jak modernizovat a zlepšit proces zkapalňování plynu. Za tímto účelem se potrubí a ventily staly mnohem většími a požadavky na tlak se zvýšily.

Tato situace vyžadovala, aby výrobci ventilů vyvinuli konstrukce, které splňují náročnější parametry. Pro provoz LNG jsou oblíbené čtvrtotáčkové kulové a motýlové ventily, přičemž nejoblíbenějším materiálem je nerezová ocel 316ss. Obvyklým tlakovým stropem pro většinu aplikací LNG je třída ANSI 600. Ačkoli jsou čtvrtotáčkové ventily nejoblíbenějšími typy ventilů, v závodech lze nalézt i šoupátkové, uzavírací a zpětné ventily.

Služba separace plynů zahrnuje rozdělení plynu na jeho jednotlivé základní prvky. Například metody separace vzduchem poskytují dusík, kyslík, hélium a další stopové plyny. Velmi nízká teplota procesu znamená, že je zapotřebí mnoho kryogenních ventilů.

Jak zařízení na LNG, tak i zařízení na separaci plynů mají nízkoteplotní ventily, které musí zůstat v těchto kryogenních podmínkách provozuschopné. To znamená, že systém ucpávky ventilů musí být zvednut od nízkoteplotní kapaliny pomocí plynového nebo kondenzačního sloupce. Tento plynový sloupec zabraňuje tomu, aby kapalina vytvořila ledovou kouli kolem oblasti ucpávky, což by bránilo otáčení nebo stoupání dříku ventilu.

OBCHODNÍ BUDOVY
Komerční budovy nás obklopují, ale pokud nevěnujeme jejich stavbě patřičnou pozornost, máme jen málo tušení o množství propustných tepen skrytých v jejich zdech ze zdiva, skla a kovu.

Společným jmenovatelem prakticky každé budovy je voda. Všechny tyto stavby obsahují řadu potrubních systémů, kterými proudí mnoho kombinací sloučenin vodíku a kyslíku ve formě pitných kapalin, odpadních vod, teplé vody, šedé vody a protipožární ochrany.

Z hlediska přežití budov jsou nejdůležitější protipožární systémy. Protipožární ochrana v budovách je téměř vždy 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 v horních patrech stejný tlak vody jako v přízemích, takže k dopravě vody nahoru je nutné použít vysokotlaká čerpadla a potrubí. 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 pro použití v požárním potrubí schváleny společností Underwriters Laboratories nebo Factory Mutual.

Stejné třídy a typy ventilů používané pro hasičské ventily se používají i pro distribuci pitné vody, ačkoli proces schvalování není tak přísný.
Komerční klimatizační systémy, které se nacházejí ve velkých obchodních budovách, jako jsou kancelářské budovy, hotely a nemocnice, jsou obvykle centralizované. Mají velkou chladicí jednotku nebo kotel pro chlazení nebo ohřev kapaliny používané k přenosu chladu nebo vysoké teploty. Tyto systémy často musí zpracovávat chladiva, jako je R-134a, fluorovaný uhlovodík, nebo v případě velkých topných systémů páru. Díky kompaktní velikosti motýlkových a kulových ventilů se tyto typy staly populárními v chladicích systémech HVAC.

V oblasti páry se sice prosazují některé čtvrtotáčkové ventily, ale mnoho instalatérů se stále spoléhá na lineární šoupátka a kulové ventily, zejména pokud potrubí vyžaduje tupé přivařovací konce. Pro tyto aplikace se středním tlakem páry nahradila litina ocel kvůli své svařitelnosti.

Některé topné systémy používají jako přenosovou kapalinu horkou vodu místo páry. Pro tyto systémy se dobře hodí bronzové nebo litinové ventily. Velmi oblíbené jsou čtvrtotáčkové kulové a klapkové ventily s pružným těsněním, i když se stále používají i lineární provedení.

ZÁVĚR
Ačkoli důkazy o použití ventilů zmíněných v tomto článku nemusí být viditelné během cesty do Starbucks nebo k babičce, některé velmi důležité ventily jsou vždy poblíž. Existují dokonce i ventily v motoru auta, které se používají k přístupu k těmto místům, jako jsou ty v karburátoru, které řídí tok paliva do motoru, a ty v motoru, které řídí tok benzínu do pístů a zpět ven. A pokud tyto ventily nejsou dostatečně blízko našemu každodennímu životu, zvažte skutečnost, že naše srdce pravidelně tluče prostřednictvím čtyř životně důležitých zařízení pro regulaci průtoku.

Toto je jen další příklad reality, že ventily jsou skutečně všude. VM
Druhá část tohoto článku se zabývá dalšími odvětvími, kde se používají ventily. Navštivte stránky www.valvemagazine.com a přečtěte si o odvětvích jako je papír a celulóza, námořní aplikace, přehrady a vodní energie, solární energie, železářský a ocelářský průmysl, letecký průmysl, geotermální energie a řemeslné pivovarnictví a destilace.

GREG JOHNSON je prezidentem společnosti 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 Výboru pro vzdělávání a školení VMA, je místopředsedou Komunikačního výboru VMA a bývalým prezidentem Společnosti pro standardizaci výrobců.