Där ventiler används: Överallt!

08 nov 2017 Skrivet av Greg Johnson

Ventiler kan hittas nästan var som helst idag: i våra hem, under gatan, i kommersiella byggnader och på tusentals platser inom kraft- och vattenverk, pappersbruk, raffinaderier, kemiska anläggningar 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 väldigt olika. Här är ett axplock:

VATTEN FUNGERAR
I en värld av vattendistribution är trycken nästan alltid relativt låga och temperaturerna omgivande. Dessa två tillämpningsfakta tillåter ett antal ventildesignelement som inte skulle finnas på mer utmanade utrustningar som ångventiler för hög temperatur. Den omgivande temperaturen för vattenservice tillåter användning av elastomerer och gummitätningar som inte är lämpliga någon annanstans. Dessa mjuka material gör att vattenventiler kan utrustas för att tätt täta av droppar.

En annan faktor vid vattenserviceventiler är valet av konstruktionsmaterial. Gjutjärn och segjärn används i stor utsträckning i vattensystem, särskilt linjer med stor ytterdiameter. Mycket små ledningar kan hanteras ganska bra med bronsventilmaterial.

De tryck som de flesta vattenverksventiler ser är vanligtvis långt under 200 psi. Detta innebär att tjockare väggar med högre tryck inte behövs. Med det sagt finns det fall där vattenventiler är byggda för att klara högre tryck, upp till cirka 300 psi. Dessa applikationer är vanligtvis på långa akvedukter nära tryckkällan. Ibland finns vattenventiler med högre tryck också 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 avloppsvattnet eller avloppet. Dessa ledningar samlar upp all avfallsvätska och fasta ämnen 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 på rentvattenservice. Järnport och backventiler är de mest populära valen för denna typ av tjänster. Standardventiler i denna tjänst är byggda i enlighet med AWWA-specifikationer.

KRAFTINDUSTRI
Det mesta av den elektriska kraften som genereras i USA genereras i ånganläggningar som använder fossila bränslen och höghastighetsturbiner. Att dra tillbaka locket på ett modernt kraftverk skulle ge en bild av högtrycks- och högtemperaturrörsystem. Dessa huvudledningar är de mest kritiska i ångkraftgenereringsprocessen.

Grindventiler förblir ett huvudval för kraftverks på/av-applikationer, även om speciella Y-mönster klotventiler också finns. Högpresterande kulventiler med kritisk service vinner popularitet hos vissa kraftverksdesigners och gör intåg i denna en gång linjära ventildominerade värld.

Metallurgi är avgörande för ventiler i krafttillämpningar, särskilt de som arbetar i de superkritiska eller ultra-superkritiska arbetsområdena för tryck och temperatur. F91, F92, C12A, tillsammans med flera Inconel och rostfria legeringar, används ofta i dagens kraftverk. Tryckklasser inkluderar 1500, 2500 och i vissa fall 4500. Den modulerande karaktären hos toppkraftverk (de som endast fungerar efter behov) utsätter också för en enorm belastning på ventiler och rörledningar, vilket kräver robusta konstruktioner för att hantera den extrema kombinationen av cykling, temperatur och tryck.
Förutom den huvudsakliga ångventilen, är kraftverk laddade med tillhörande rörledningar, befolkade av en myriad av grind-, jordklot-, back-, fjärils- och kulventiler.

Kärnkraftverk arbetar på samma ång-/höghastighetsturbinprincip. Den primära skillnaden är att i ett kärnkraftverk skapas ångan av värme från fissionsprocessen. Kärnkraftverksventiler liknar deras fossildrivna kusiner, förutom deras härstamning och det extra kravet på absolut tillförlitlighet. Kärnventiler tillverkas enligt extremt höga standarder, med kvalificerings- och inspektionsdokumentationen som fyller hundratals sidor.

OLJE- OCH GASPRODUKTION
Olje- och gaskällor och produktionsanläggningar är stora användare av ventiler, inklusive många tunga ventiler. Även om det inte längre är sannolikt att det kommer strömmar av olja som spyr hundratals fot i luften, illustrerar bilden det potentiella trycket av underjordisk olja och gas. Det är därför brunnshuvuden eller julgranar placeras överst på en brunns långa rörsträng. Dessa enheter, med sin kombination av ventiler och specialkopplingar, är designade för att hantera tryck uppåt på 10 000 psi. Även om det sällan finns på brunnar som grävs på land nuförtiden, finns de extrema höga trycken ofta på djupa offshore-brunnar.

Utformning av brunnhuvudsutrustning täcks av API-specifikationer som 6A, specifikation för brunnshuvud och julgransutrustning. Ventilerna täckta med 6A är konstruerade för extremt höga tryck men måttliga temperaturer. De flesta julgranar innehåller grindventiler och speciella klotventiler som kallas chokes. Stryperna används för att reglera flödet från brunnen.

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

Ibland förekommer en mycket frätande vätska - svavelväte - i den råa petroleumströmmen. Detta material, även kallat sur gas, kan vara dödligt. För att klara utmaningarna med sur gas måste speciella material eller materialbearbetningstekniker i enlighet med NACE International-specifikationen MR0175 följas.

OFFSHORE INDUSTRI
Rörsystemen för oljeriggar och produktionsanläggningar till havs innehåller en mängd ventiler byggda enligt många olika specifikationer för att hantera det stora utbudet av flödeskontrollutmaningar. Dessa anläggningar innehåller också olika styrsystemslingor och tryckavlastningsanordningar.

För oljeproduktionsanläggningar är artärhjärtat själva olje- eller gasåtervinningsrörsystemet. Även om det inte alltid är på själva plattformen, använder många produktionssystem julgranar och rörsystem som fungerar på ogästvänliga djup på 10 000 fot eller mer. Denna produktionsutrustning är byggd enligt många krävande American Petroleum Institute (API) standarder och refereras till i flera API Recommended Practices (RPs).

På de flesta stora oljeplattformar tillämpas ytterligare processer på råvätskan som kommer från brunnshuvudet. Dessa inkluderar separering av vatten från kolvätena och separering av gas och naturgasvätskor från fluidströmmen. Dessa rörsystem efter julgran är i allmänhet byggda enligt American Society of Mechanical Engineers B31.3 rörledningskoder med ventilerna designade i enlighet med API-ventilspecifikationer som API 594, API 600, API 602, API 608 och API 609.

Vissa av dessa system kan även innehålla API 6D gate-, kul- och backventiler. Eftersom eventuella 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 valda ventiltypen kulventilen.

RÖRLEDNINGAR
Även om de flesta rörledningar är dolda, är deras närvaro vanligtvis uppenbar. Små skyltar som anger "petroleumpipeline" är en uppenbar indikator på förekomsten av underjordiska transportrör. Dessa rörledningar är utrustade med många viktiga ventiler längs hela sin längd. Nödledningsavstängningsventiler finns med intervaller som specificeras av standarder, koder och lagar. Dessa ventiler tjänar den viktiga tjänsten att isolera en del av en rörledning i händelse av en läcka eller när underhåll krävs.

Utspridda längs en rörledningssträcka finns också anläggningar där ledningen kommer ut från marken och tillgång till ledningen är tillgänglig. Dessa stationer är hemmet för utskjutningsutrustning för "gris", som består av enheter som sätts in i rörledningarna för att antingen inspektera eller rengöra ledningen. Dessa grisutsättningsstationer innehåller vanligtvis flera ventiler, antingen grind- eller kultyper. Alla ventiler på ett rörledningssystem måste ha full-port (full öppning) för att tillåta passage av grisar.

Rörledningar behöver också energi för att bekämpa rörledningens friktion och upprätthålla ledningens tryck och flöde. Kompressor- eller pumpstationer som ser ut som små versioner av en processanläggning utan de höga spricktornen används. Dessa stationer är hem för dussintals grind-, kul- och kontrollventiler.
Själva rörledningarna är designade i enlighet med olika standarder och koder, medan rörledningsventiler följer API 6D rörledningsventiler.
Det finns också mindre rörledningar som matas in i hus och kommersiella strukturer. Dessa ledningar tillhandahåller vatten och gas och skyddas av avstängningsventiler.
Stora kommuner, särskilt i den norra delen av USA, tillhandahåller ånga för kommersiella kunders uppvärmningsbehov. Dessa ångtillförselledningar är utrustade med en mängd olika ventiler för att styra och reglera ångtillförseln. Även om vätskan är ånga, är trycken och temperaturen lägre än de som finns i kraftverksånggenerering. En mängd olika ventiltyper används i denna tjänst, även om den ärevördiga pluggventilen fortfarande är ett populärt val.

REFINADERI OCH PETROKEMISKA
Raffinaderiventiler står för mer industriell ventilanvändning än något annat ventilsegment. Raffinaderier är hemvist för både frätande vätskor och i vissa fall höga temperaturer.
Dessa faktorer dikterar hur ventiler byggs i enlighet med API-ventildesignspecifikationer som API 600 (slussventiler), API 608 (kulventiler) och API 594 (backventiler). På grund av den hårda service som många av dessa ventiler möter, behövs ofta extra korrosionstillägg. Denna tillåtelse 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 befolkningen, men kvartsvarvsventiler tar en allt större del av sin marknadsandel. De kvartsvarvsprodukter som gör framgångsrika inbrytningar i denna industri (som också en gång dominerades av linjära produkter) inkluderar högpresterande trippelförskjutna fjärilsventiler och metalltätade kulventiler.

Standardport-, jordklot- och backventiler finns fortfarande i massor, och på grund av deras design och tillverkningsekonomi kommer de inte att försvinna inom kort.
Tryckklasser för raffinaderiventiler sträcker sig från klass 150 till klass 1500, med klass 300 den mest populära.
Vanligt kolstål, såsom kvalitet WCB (gjuten) och A-105 (smidd) är de mest populära materialen som specificeras och används i ventiler för raffinaderiservice. Många raffineringsprocesstillämpningar pressar de övre temperaturgränserna för vanligt kolstål, och legeringar med högre temperatur specificeras för dessa applikationer. De mest populära av dessa är krom/molystålen som 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr och 9% Cr. Rostfria stål och högnickellegeringar används också i vissa särskilt hårda raffineringsprocesser.

KEMISK
Den kemiska industrin är en stor användare av ventiler av alla typer och material. Från små batchfabriker till de enorma petrokemiska komplex som finns på Gulf Coast, ventiler är en stor del av kemiska processrörsystem.

De flesta tillämpningar i kemiska processer har lägre tryck än många raffineringsprocesser och kraftgenerering. De mest populära tryckklasserna för ventiler och rörledningar för kemiska anläggningar är klasserna 150 och 300. Kemiska anläggningar har också varit den största drivkraften bakom det marknadsandelsövertagande som kulventiler har brottats från linjära ventiler under de senaste 40 åren. Den fjädrande kulventilen, med sin nollläckageavstängning, passar perfekt för många kemiska anläggningar. Den kompakta storleken på kulventilen är också en populär funktion.
Det finns fortfarande några kemiska anläggningar 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 klotventilen. Kontroll av vissa kemikalier åstadkommes också effektivt med membran eller klämventiler.
På grund av den frätande naturen hos många kemikalier och kemiska tillverkningsprocesser är materialvalet avgörande. Defacto-materialet är 316/316L av austenitiskt rostfritt stål. Detta material fungerar bra för att bekämpa korrosion från en mängd ibland otäcka vätskor.

För vissa tuffare korrosiva applikationer 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 gasseparering är beroende av omfattande rörledningar. Dessa applikationer 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 flytande av gas. För detta ändamål har rörledningar och ventiler blivit mycket större och tryckkraven har höjts.

Denna situation har krävt ventiltillverkare att utveckla konstruktioner för att möta tuffare parametrar. Kvartsvarvs kul- och fjärilsventiler är populära för LNG-service, med 316ss [rostfritt stål] det mest populära materialet. ANSI Class 600 är det vanliga trycktaket för de flesta LNG-applikationer. Även om kvartsvarvsprodukter är de mest populära ventiltyperna, kan grind-, klot- och backventiler också hittas i fabrikerna.

Gassepareringstjänst innebär att dela upp gas i sina individuella grundelement. Till exempel ger luftseparationsmetoder kväve, syre, helium och andra spårgaser. Processens mycket låga temperatur gör att många kryogena ventiler krävs.

Både LNG- och gasseparationsanläggningar har lågtemperaturventiler som måste förbli funktionsdugliga under dessa kryogena förhållanden. Detta innebär att ventiltätningssystemet måste höjas bort från lågtemperaturvätskan genom användning av en gas- eller kondenserande kolonn. Denna gaskolonn hindrar vätskan från att bilda en iskula runt packningsområdet, vilket skulle hindra ventilspindeln från att vrida eller stiga.

KOMMERSIELLA BYGGNADER
Kommersiella byggnader omger oss, men om vi inte är mycket uppmärksamma när de byggs, har vi liten aning om mängden vätskeartärer som är gömda inom deras murverk, glas och metall.

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

Ur en byggnadsöverlevnadssynpunkt är brandsystem mest kritiska. Brandskydd i byggnader matas nästan universellt och fylls med rent vatten. För att brandvattensystem ska vara effektiva måste de vara tillförlitliga, ha tillräckligt tryck och vara bekvämt placerade i hela strukturen. Dessa system är utformade för att automatiskt aktiveras i händelse av brand.
Höghus kräver samma vattentrycksservice på de översta våningarna som de nedre våningarna så högtryckspumpar och rörledningar måste användas för att få vattnet uppåt. Rörsystemen är vanligtvis klass 300 eller 600, beroende på bygghöjd. Alla typer av ventiler används i dessa applikationer; dock måste ventilkonstruktionerna godkännas av Underwriters Laboratories eller Factory Mutual för brandledningsservice.

Samma klasser och typer av ventiler som används för brandskyddsventiler används för distribution av dricksvatten, även om godkännandeprocessen inte är lika strikt.
Kommersiella luftkonditioneringssystem som finns i stora företagsstrukturer 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 kall eller hög temperatur. Dessa system måste ofta hantera köldmedier som R-134a, ett fluorkolväte, eller i fallet med större värmesystem, ånga. På grund av den kompakta storleken på fjärils- och kulventiler har dessa typer blivit populära i HVAC-kylsystem.

På ångsidan har några kvartsvarvsventiler gjort intåg i användningen, men många VVS-ingenjörer förlitar sig fortfarande på linjära grind- och klotventiler, särskilt om rören kräver stumsvetsade ändar. För dessa måttliga ångapplikationer har stål tagit gjutjärns plats på grund av stålets svetsbarhet.

Vissa värmesystem använder varmvatten istället för ånga som överföringsvätska. Dessa system betjänas väl av brons- eller järnventiler. Fjädrande kul- och fjärilsventiler med kvartsvarv är mycket populära, även om vissa linjära mönster fortfarande används.

SLUTSATS
Även om bevis på ventilapplikationerna 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 motorn på bilen som används för att komma till de platser som 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 våra vardagliga liv, tänk på verkligheten att våra hjärtan slår regelbundet genom fyra vitala flödeskontrollenheter.

Detta är bara ytterligare ett exempel på verkligheten: ventiler finns verkligen överallt. VM
Del II av denna artikel omfattar ytterligare industrier där ventiler används. Gå till www.valvemagazine.com för att läsa om massa och papper, marina applikationer, dammar och vattenkraft, solenergi, järn och stål, flyg, geotermisk och hantverksbryggning och destillering.

GREG JOHNSON är president för United Valve (www.unitedvalve.com) i Houston. Han är en medverkande redaktör för VALVE Magazine, tidigare ordförande i Valve Repair Council och en nuvarande VRC-styrelsemedlem. Han sitter också i VMA:s utbildningskommitté, är vice ordförande i VMA:s kommunikationskommitté och är tidigare ordförande i Manufacturers Standardization Society.