Där ventiler används: Överallt!

08 nov 2017 Skrivet av Greg Johnson

Ventiler finns nästan överallt idag: i våra hem, under gatan, i kommersiella byggnader och på tusentals platser i kraft- och vattenverk, pappersbruk, raffinaderier, kemiska fabriker och andra industri- och infrastrukturanläggningar.
Ventilindustrin är verkligen bredaxlad, med segment som varierar från vattendistribution till kärnkraft till uppströms och nedströms olja och gas. Var och en av dessa slutanvändarindustrier använder några grundläggande typer av ventiler; detaljerna i konstruktion och material är dock ofta mycket olika. Här är ett urval:

VATTENVERK
Inom vattendistributionsvärlden är trycket nästan alltid relativt lågt och temperaturen omgivningsvärde. Dessa två tillämpningsfaktorer möjliggör ett antal ventildesignelement som inte skulle finnas på mer utmanande utrustning, såsom högtemperaturångventiler. Omgivningstemperaturen för vattenförsörjning möjliggör användning av elastomerer och gummitätningar som inte är lämpliga någon annanstans. Dessa mjuka material gör att vattenventiler kan utrustas för att täta dropp tätt.

En annan faktor att beakta vid vattenventiler är valet av konstruktionsmaterial. Gjutjärn och segjärn används flitigt i vattensystem, särskilt i ledningar med stor ytterdiameter. Mycket små ledningar kan hanteras ganska bra med ventilmaterial i brons.

Trycket som de flesta vattenverksventiler uppvisar ligger vanligtvis långt under 200 psi. Detta innebär att tjockväggiga högtryckskonstruktioner inte behövs. Med det sagt finns det fall där vattenventiler är byggda för att hantera högre tryck, upp till cirka 300 psi. Dessa tillämpningar är vanligtvis på långa akvedukter nära tryckkällan. Ibland finns även högtrycksvattenventiler vid de högsta tryckpunkterna i en hög damm.

American Water Works Association (AWWA) har utfärdat specifikationer som täcker många olika typer av ventiler och ställdon som används i vattenverksapplikationer.

AVLOPPSVATTEN
Baksidan av färskt dricksvatten som går in i en anläggning eller struktur är avloppsvatten- eller avloppsutloppet. Dessa ledningar samlar upp allt avloppsvatten och alla fasta partiklar och leder dem till ett avloppsreningsverk. Dessa reningsverk har många lågtrycksrör och ventiler för att utföra sitt "smutsiga arbete". Kraven på avloppsventiler är i många fall mycket mildare än kraven för renvattenförsörjning. Järnspjäll och backventiler är de mest populära valen för denna typ av tjänst. Standardventiler i denna tjänst är byggda i enlighet med AWWA-specifikationer.

KRAFTINDUSTRIN
Merparten av den elkraft som genereras i USA genereras i ånganläggningar som använder fossila bränslen och höghastighetsturbiner. Om man drar av locket på ett modernt kraftverk får man en bild av rörsystem med högt tryck och hög temperatur. Dessa huvudledningar är de mest kritiska i ångkraftproduktionsprocessen.

Slussventiler är fortfarande ett huvudval för kraftverksapplikationer med on/off, även om specialventiler med Y-mönster också förekommer. Högpresterande kulventiler för kritiska funktioner blir alltmer populära hos vissa kraftverkskonstruktörer och gör framsteg i denna en gång linjärventildominerade värld.

Metallurgi är avgörande för ventiler i kraftapplikationer, särskilt de som arbetar inom superkritiska eller ultrasuperkritiska tryck- och temperaturområden. F91, F92, C12A, tillsammans med flera Inconel- och rostfria stållegeringar, används ofta i dagens kraftverk. Tryckklasserna inkluderar 1500, 2500 och i vissa fall 4500. Den modulerande karaktären hos toppkraftverk (de som bara arbetar vid behov) sätter också en stor belastning på ventiler och rörledningar, vilket kräver robusta konstruktioner för att hantera den extrema kombinationen av cykler, temperatur och tryck.
Förutom de huvudsakliga ångventilerna är kraftverken laddade med hjälprörledningar, befolkade av en myriad av slussventiler, kulventiler, backventiler, fjärilsventiler och kulventiler.

Kärnkraftverk fungerar enligt samma princip för ånga/höghastighetsturbiner. Den primära skillnaden är att i ett kärnkraftverk skapas ångan av värme från fissionsprocessen. Kärnkraftverksventiler liknar sina fossilbränsledrivna kusiner, förutom deras härstamning och det extra kravet på absolut tillförlitlighet. Kärnkraftsventiler tillverkas enligt extremt höga standarder, med kvalificerings- och inspektionsdokumentation som fyller hundratals sidor.

OLJE- OCH GASPRODUKTION
Olje- och gasbrunnar och produktionsanläggningar använder ventiler flitigt, inklusive många kraftigare ventiler. Även om det inte längre är troligt att oljesprutor som sprutar hundratals meter upp i luften förekommer, illustrerar bilden det potentiella trycket från underjordisk olja och gas. Det är därför brunnshuvuden eller julgranar placeras högst upp på en brunns långa rörsträng. Dessa enheter, med sin kombination av ventiler och specialkopplingar, är konstruerade för att hantera tryck upp till 10 000 psi. Även om de sällan förekommer på brunnar som grävs på land nuförtiden, förekommer de extremt höga trycken ofta på djupa brunnar till havs.

Konstruktion av brunnshuvudutrustning omfattas av API-specifikationer som 6A, Specifikation för brunnshuvud- och julgransutrustning. Ventilerna som omfattas av 6A är konstruerade för extremt höga tryck men måttliga temperaturer. De flesta julgranar innehåller slussventiler och speciella kulventiler som kallas drosslar. Droslarna används för att reglera flödet från brunnen.

Förutom själva brunnshuvudena finns det många hjälpanläggningar i ett olje- eller gasfält. Processutrustning för att förbehandla oljan eller gasen kräver ett antal ventiler. Dessa ventiler är vanligtvis av kolstål klassade för lägre klasser.

Ibland finns en mycket korrosiv vätska – vätesulfid – i råoljeströmmen. Detta material, även kallat surgas, kan vara dödligt. För att hantera utmaningarna med surgas måste speciella material eller materialbearbetningstekniker i enlighet med NACE International-specifikationen MR0175 följas.

OFFSHORE-INDUSTRIN
Rörsystemen för oljeriggar och produktionsanläggningar till havs innehåller en mängd ventiler byggda enligt många olika specifikationer för att hantera de många olika utmaningarna med flödeskontroll. Dessa anläggningar innehåller också olika styrsystemslingor och tryckavlastningsanordningar.

För oljeproduktionsanläggningar är det arteriella hjärtat själva rörsystemet för olje- eller gasåtervinning. Även om det inte alltid finns på själva plattformen, använder många produktionssystem julgranar och rörsystem som arbetar på ogästvänliga djup av 3 000 meter eller mer. Denna produktionsutrustning är byggd enligt många krävande standarder från American Petroleum Institute (API) och refereras till i flera API-rekommenderade praxis (RP).

På de flesta stora oljeplattformar tillämpas ytterligare processer på råvätskan som kommer från brunnshuvudet. Dessa inkluderar att separera vatten från kolväten och separera gas och naturgasvätskor från vätskeströmmen. Dessa rörsystem efter julgransmontering är vanligtvis byggda enligt American Society of Mechanical Engineers B31.3-rörledningsföreskrifter med ventilerna konstruerade i enlighet med API-ventilspecifikationer som API 594, API 600, API 602, API 608 och API 609.

Vissa av dessa system kan också innehålla API 6D-slid-, kul- och backventiler. Eftersom alla rörledningar på plattformen eller borrfartyget är interna i anläggningen gäller inte de strikta kraven för att använda API 6D-ventiler för rörledningar. Även om flera ventiltyper används i dessa rörsystem är den ventiltyp som föredras kulventilen.

RÖRLEDNINGAR
Även om de flesta rörledningar är dolda, är deras närvaro vanligtvis uppenbar. Små skyltar med texten "petroleumledning" är en tydlig indikator på närvaron av underjordiska transportrör. Dessa rörledningar är utrustade med många viktiga ventiler längs hela sin längd. Nödavstängningsventiler för rörledningar finns med intervall som anges i standarder, föreskrifter och lagar. Dessa ventiler tjänar den viktiga uppgiften att isolera en sektion av en rörledning vid läckage eller när underhåll krävs.

Längs en rörledningssträcka finns också anläggningar där ledningen stiger upp ur marken och det finns tillgång till ledningen. Dessa stationer är hemvist för utrustning för sjösättning av rörledningar (”pig”), som består av anordningar som sätts in i rörledningarna antingen för att inspektera eller rengöra ledningen. Dessa sjösättningsstationer för rörledningar innehåller vanligtvis flera ventiler, antingen av spjäll- eller kulventilstyp. Alla ventiler i ett rörledningssystem måste ha full port (full öppning) för att tillåta passage av pigs.

Rörledningar behöver också energi för att motverka friktionen i rörledningen och upprätthålla trycket och flödet i ledningen. Kompressor- eller pumpstationer som ser ut som små versioner av en processanläggning utan de höga sprickbildningstornen används. Dessa stationer har dussintals sluss-, kul- och backventiler i rörledningen.
Själva rörledningarna är konstruerade i enlighet med olika standarder och koder, medan rörledningsventiler följer API 6D rörledningsventiler.
Det finns också mindre rörledningar som leder in i hus och kommersiella byggnader. Dessa ledningar förser vatten och gas och skyddas av avstängningsventiler.
Stora kommuner, särskilt i norra delen av USA, tillhandahåller ånga för uppvärmning av kommersiella kunder. Dessa ångledningar är utrustade med en mängd olika ventiler för att styra och reglera ångtillförseln. Även om vätskan är ånga är trycket och temperaturerna lägre än de som finns vid ånggenerering i kraftverk. En mängd olika ventiltyper används i denna tjänst, även om den vördnadsvärda pluggventilen fortfarande är ett populärt val.

RAFFINADERI OCH PETROKEMI
Raffinaderiventiler står för mer industriell ventilanvändning än något annat ventilsegment. Raffinaderier är hemvist för både korrosiva vätskor och i vissa fall höga temperaturer.
Dessa faktorer avgör hur ventiler byggs i enlighet med API-ventildesignspecifikationer som API 600 (slidventiler), API 608 (kulventiler) och API 594 (backventiler). På grund av den tuffa drift som många av dessa ventiler utsätts för behövs ofta extra korrosionstillägg. Detta tillägg manifesteras genom större väggtjocklekar som specificeras i API-designdokumenten.

Praktiskt taget alla större ventiltyper kan hittas i överflöd i ett typiskt stort raffinaderi. Den allestädes närvarande slussventilen är fortfarande kungen på kullen med den största populationen, men kvartvarvsventiler tar en allt större del av deras marknadsandelar. Kvartvarvsprodukterna som gör framgångsrika intrång i denna bransch (som också en gång dominerades av linjära produkter) inkluderar högpresterande trippeloffset-fjärilsventiler och metallsätade kulventiler.

Standardspjäll-, kulventiler och backventiler finns fortfarande i massor, och på grund av deras rena design och ekonomiska tillverkning kommer de inte att försvinna inom en snar framtid.
Tryckklassningar för raffinaderiventiler sträcker sig från klass 150 till klass 1500, med klass 300 som den mest populära.
Oblandade kolstål, såsom WCB (gjuten) och A-105 (smidd), är de mest populära materialen som specificeras och används i ventiler för raffinaderiverksamhet. Många raffineringsprocesstillämpningar tänjer på de övre temperaturgränserna för oblandade kolstål, och legeringar med högre temperaturer specificeras för dessa tillämpningar. De mest populära av dessa är krom/moly-stål såsom 1-1/4 % Cr, 2-1/4 % Cr, 5 % Cr och 9 % Cr. Rostfria stål och nickelhöga legeringar används också i vissa särskilt krävande raffineringsprocesser.

KEMISK
Kemiindustrin är en stor användare av ventiler av alla typer och material. Från små fabriker till de enorma petrokemiska komplexen som finns vid Gulfkusten är ventiler en stor del av rörledningssystem för kemiska processer.

De flesta tillämpningar inom kemiska processer har lägre tryck än många raffineringsprocesser och kraftproduktion. De mest populära tryckklasserna för ventiler och rörledningar i kemiska anläggningar är klasserna 150 och 300. Kemiska anläggningar har också varit den största drivkraften bakom den marknadsövertagande som kulventiler har tagit från linjära ventiler under de senaste 40 åren. Den fjädrande kulventilen, med sin läckagefria avstängning, passar perfekt för många kemiska anläggningar. Kulventilens kompakta storlek är också en populär funktion.
Det finns fortfarande vissa kemiska fabriker och anläggningsprocesser där linjära ventiler föredras. I dessa fall är de populära API 603-designade ventilerna, med tunnare väggar och lättare vikter, vanligtvis den valda sluss- eller kulventilen. Kontroll av vissa kemikalier uppnås också effektivt med membran- eller klämventiler.
På grund av den korrosiva naturen hos många kemikalier och kemikalietillverkningsprocesser är materialvalet avgörande. Standardmaterialet är austenitiskt rostfritt stål av kvalitet 316/316L. Detta material fungerar bra för att bekämpa korrosion från en mängd ibland obehagliga vätskor.

För vissa tuffare korrosiva tillämpningar behövs mer skydd. Andra högpresterande kvaliteter av austenitiskt rostfritt stål, såsom 317, 347 och 321, väljs ofta i dessa situationer. Andra legeringar som används då och då för att kontrollera kemiska vätskor inkluderar Monel, Alloy 20, Inconel och 17-4 PH.

LNG- OCH GASSEPARATION
Både flytande naturgas (LNG) och de processer som krävs för gasseparation är beroende av omfattande rörledningar. Dessa tillämpningar kräver ventiler som kan arbeta vid mycket låga kryogena temperaturer. LNG-industrin, som växer snabbt i USA, strävar ständigt efter att uppgradera och förbättra processen för gasförvätskning. För detta ändamål har rörledningar och ventiler blivit mycket större och tryckkraven har höjts.

Denna situation har krävt att ventiltillverkare har utvecklat konstruktioner som uppfyller tuffare parametrar. Kvartvarvs-kul- och fjärilsventiler är populära för LNG-användning, med 316ss [rostfritt stål] som det mest populära materialet. ANSI klass 600 är det vanliga trycktaket för de flesta LNG-applikationer. Även om kvartvarvsprodukter är de mest populära ventiltyperna, kan även slussventiler, kulventiler och backventiler hittas i anläggningarna.

Gasseparation innebär att gasen delas upp i dess individuella grundelement. Till exempel ger luftseparationsmetoder kväve, syre, helium och andra spårgaser. Processens mycket låga temperatur innebär att många kryogena ventiler krävs.

Både LNG- och gasseparationsanläggningar har lågtemperaturventiler som måste kunna fungera under dessa kryogena förhållanden. Det innebär att ventilpackningssystemet måste lyftas bort från lågtemperaturvätskan med hjälp av en gas- eller kondenseringskolonn. Denna gaskolonn förhindrar att vätskan bildar en isboll runt packningsområdet, vilket skulle förhindra att ventilskaftet vrids eller stiger.

KOMMERSIELLA BYGGNADER
Kommersiella byggnader omger oss, men om vi inte är noga uppmärksamma medan de byggs har vi liten aning om de många flytande artärer som är gömda innanför deras väggar av murverk, glas och metall.

En gemensam nämnare i praktiskt taget varje byggnad är vatten. Alla dessa strukturer innehåller en mängd olika rörsystem som transporterar många kombinationer av väte/syre-föreningar i form av dricksvätskor, avloppsvatten, varmvatten, gråvatten och brandskydd.

Ur ett byggnadsöverlevnadsperspektiv är brandskyddssystem mycket kritiska. Brandskydd i byggnader matas och fylls nästan universellt med rent vatten. För att brandvattensystem ska vara effektiva måste de vara tillförlitliga, ha tillräckligt tryck och vara bekvämt placerade i hela konstruktionen. Dessa system är utformade för att automatiskt aktiveras vid brand.
Höghus kräver samma vattentryck på de översta våningarna som på de nedre, så högtryckspumpar och rör måste användas för att få vattnet uppåt. Rörsystemen är vanligtvis av klass 300 eller 600, beroende på byggnadens höjd. Alla typer av ventiler används i dessa tillämpningar; ventilkonstruktionerna måste dock godkännas av Underwriters Laboratories eller Factory Mutual för brandledningstjänster.

Samma klasser och typer av ventiler som används för brandkårsventiler används för distribution av dricksvatten, även om godkännandeprocessen inte är lika strikt.
Kommersiella luftkonditioneringssystem som finns i stora företagsbyggnader som kontorsbyggnader, hotell och sjukhus är vanligtvis centraliserade. De har en stor kylenhet eller panna för att kyla eller värma vätska som används för att överföra kyla eller hög temperatur. Dessa system måste ofta hantera köldmedier som R-134a, ett fluorkolväte, eller, när det gäller större värmesystem, ånga. På grund av den kompakta storleken på fjärils- och kulventiler har dessa typer blivit populära i HVAC-kylsystem.

På ångsidan har vissa kvartvarvsventiler gjort framsteg i användning, men många VVS-ingenjörer förlitar sig fortfarande på linjära sluss- och kulventiler, särskilt om rören kräver stumsvetsändar. För dessa måttliga ångapplikationer har stål ersatt gjutjärn på grund av stålets svetsbarhet.

Vissa värmesystem använder varmt vatten istället för ånga som överföringsvätska. Dessa system fungerar bra med ventiler i brons eller järn. Kul- och fjärilsventiler med fjädrande tätning, som är kvartsvarvsvarvade, är mycket populära, även om vissa linjära konstruktioner fortfarande används.

SLUTSATS
Även om bevis på ventiltillämpningarna som nämns i den här artikeln kanske inte är synliga under en resa till Starbucks eller till mormors hus, finns det alltid några mycket viktiga ventiler i närheten. Det finns till och med ventiler i bilens motor som används för att nå dessa platser, till exempel de i förgasaren som styr bränsleflödet in i motorn och de i motorn som styr bensinflödet in i kolvarna och ut igen. Och om dessa ventiler inte är tillräckligt nära vår vardag, tänk på det faktum att våra hjärtan slår regelbundet genom fyra viktiga flödeskontrollanordningar.

Detta är bara ytterligare ett exempel på verkligheten att: ventiler finns verkligen överallt. VM
Del II av den här artikeln behandlar ytterligare industrier där ventiler används. Gå till www.valvemagazine.com för att läsa om massa och papper, marina tillämpningar, dammar och vattenkraft, solenergi, järn och stål, flyg- och rymdindustrin, geotermisk energi samt hantverksbryggning och destillering.

GREG JOHNSON är ordförande för United Valve (www.unitedvalve.com) i Houston. Han är medredaktör för VALVE Magazine, tidigare ordförande för Valve Repair Council och nuvarande styrelseledamot i VRC. Han sitter även i VMA:s utbildningskommitté, är vice ordförande i VMA:s kommunikationskommitté och tidigare ordförande för Manufacturers Standardization Society.