Der ventiler brukes: Overalt!

08. nov. 2017 Skrevet av Greg Johnson

Ventiler finnes omtrent overalt i dag: i hjemmene våre, under gaten, i næringsbygg og på tusenvis av steder i kraft- og vannverk, papirfabrikker, raffinerier, kjemiske anlegg og andre industri- og infrastrukturanlegg.
Ventilindustrien er virkelig bredskuldret, med segmenter som varierer fra vanndistribusjon til kjernekraft til oppstrøms og nedstrøms olje og gass. Hver av disse sluttbrukerindustriene bruker noen grunnleggende typer ventiler; detaljene for konstruksjon og materialer er imidlertid ofte svært forskjellige. Her er et utvalg:

VANNVERK
I vanndistribusjonsverdenen er trykket nesten alltid relativt lavt og temperaturene omgivelsestemperaturer. Disse to bruksområder tillater en rekke ventildesignelementer som ikke finnes på mer utfordrende utstyr, som for eksempel høytemperaturdampventiler. Omgivelsestemperaturen for vannforsyning tillater bruk av elastomerer og gummipakninger som ikke er egnet andre steder. Disse myke materialene gjør at vannventiler kan utstyres for å tette drypp tett.

En annen faktor å ta hensyn til når det gjelder vannventiler er valg av konstruksjonsmaterialer. Støpejern og duktilt jern brukes mye i vannsystemer, spesielt i rør med stor utvendig diameter. Svært små rør kan håndteres ganske bra med ventilmaterialer i bronse.

Trykket som de fleste vannverksventiler ser er vanligvis godt under 200 psi. Dette betyr at tykkere vegger for høyere trykk ikke er nødvendig. Når det er sagt, finnes det tilfeller der vannventiler er bygget for å håndtere høyere trykk, opptil rundt 300 psi. Disse bruksområdene er vanligvis på lange akvedukter nær trykkkilden. Noen ganger finnes også høyere trykksvannventiler på de høyeste trykkpunktene i en høy demning.

Den amerikanske vannverksforeningen (AWWA) har utstedt spesifikasjoner som dekker mange forskjellige typer ventiler og aktuatorer som brukes i vannverksapplikasjoner.

AVLØPSVANN
Baksiden av ferskt drikkevann som går inn i et anlegg eller en struktur er avløpsvannet eller kloakkens utløp. Disse rørene samler opp all avløpsvæske og faste stoffer og leder dem til et renseanlegg. Disse renseanleggene har mange lavtrykksrør og ventiler for å utføre sitt «skitne arbeid». Kravene til avløpsventiler er i mange tilfeller mye lempeligere enn kravene til rentvannstjenester. Jernport- og tilbakeslagsventiler er de mest populære valgene for denne typen tjenester. Standardventiler i denne tjenesten er bygget i samsvar med AWWA-spesifikasjoner.

KRAFTINDUSTRIEN
Mesteparten av den elektriske kraften som genereres i USA genereres i dampanlegg som bruker fossilt brensel og høyhastighetsturbiner. Å fjerne lokket på et moderne kraftverk ville gi et bilde av rørsystemer med høyt trykk og høy temperatur. Disse hovedledningene er de mest kritiske i dampkraftproduksjonsprosessen.

Sluseventiler er fortsatt et hovedvalg for kraftverks av/på-applikasjoner, selv om Y-mønster-kuleventiler for spesielle formål også finnes. Høytytende kuleventiler for kritiske tjenester blir stadig mer populære hos noen kraftverksdesignere og gjør inntog i denne en gang lineærventildominerte verdenen.

Metallurgi er kritisk for ventiler i kraftapplikasjoner, spesielt de som opererer i superkritiske eller ultrasuperkritiske driftsområder for trykk og temperatur. F91, F92, C12A, sammen med flere Inconel- og rustfritt stållegeringer, brukes ofte i dagens kraftverk. Trykklasser inkluderer 1500, 2500 og i noen tilfeller 4500. Den modulerende naturen til toppkraftverk (de som bare opererer etter behov) legger også stor belastning på ventiler og rør, noe som krever robuste design for å håndtere den ekstreme kombinasjonen av sykling, temperatur og trykk.
I tillegg til hoveddampventilene er kraftverk lastet med tilleggsrørledninger, befolket av et utall av sluse-, kule-, tilbakeslags-, butterfly- og kuleventiler.

Kjernekraftverk opererer etter samme prinsipp for damp/høyhastighetsturbin. Hovedforskjellen er at i et kjernekraftverk produseres dampen av varme fra fisjonsprosessen. Ventiler i kjernekraftverk ligner på sine fossildrevne slektninger, bortsett fra deres stamtavle og det ekstra kravet om absolutt pålitelighet. Atomventiler er produsert etter ekstremt høye standarder, med kvalifikasjons- og inspeksjonsdokumentasjon på hundrevis av sider.

OLJE- OG GASSPRODUKSJON
Olje- og gassbrønner og produksjonsanlegg bruker ventiler i stor grad, inkludert mange kraftige ventiler. Selv om det ikke lenger er sannsynlig at oljestøt spyr hundrevis av meter opp i luften, illustrerer bildet det potensielle trykket fra underjordisk olje og gass. Dette er grunnen til at brønnhoder eller juletrær plasseres på toppen av en brønns lange rørstreng. Disse enhetene, med sin kombinasjon av ventiler og spesielle beslag, er designet for å håndtere trykk på opptil 10 000 psi. Selv om det sjelden finnes på brønner gravd på land i disse dager, finnes de ekstreme høye trykkene ofte på dype offshore-brønner.

Utforming av brønnhodeutstyr er dekket av API-spesifikasjoner som 6A, Spesifikasjon for brønnhode- og juletreutstyr. Ventilene som er dekket i 6A er konstruert for ekstremt høyt trykk, men moderate temperaturer. De fleste juletrær inneholder sluseventiler og spesielle kuleventiler kalt choker. Chokene brukes til å regulere strømningen fra brønnen.

I tillegg til selve brønnhodene, er det mange tilleggsanlegg som befolker et olje- eller gassfelt. Prosessutstyr for forbehandling av oljen eller gassen krever en rekke ventiler. Disse ventilene er vanligvis laget av karbonstål som er klassifisert for lavere klasser.

Av og til finnes det en svært korrosiv væske – hydrogensulfid – i råoljestrømmen. Dette materialet, også kalt surgass, kan være dødelig. For å takle utfordringene med surgass må spesielle materialer eller materialbehandlingsteknikker i samsvar med NACE International-spesifikasjonen MR0175 følges.

OFFSHORE-INDUSTRIEN
Rørsystemene for offshore oljerigger og produksjonsanlegg inneholder en rekke ventiler bygget etter mange forskjellige spesifikasjoner for å håndtere det brede spekteret av utfordringer knyttet til strømningskontroll. Disse anleggene inneholder også diverse kontrollsystemsløyfer og trykkavlastningsenheter.

For oljeproduksjonsanlegg er arteriehjertet selve rørsystemet for olje- eller gassutvinning. Selv om det ikke alltid er på selve plattformen, bruker mange produksjonssystemer juletrær og rørsystemer som opererer på ugjestmilde dyp på 10 000 fot eller mer. Dette produksjonsutstyret er bygget i henhold til mange strenge standarder fra American Petroleum Institute (API) og refereres til i flere anbefalte fremgangsmåter (RP-er) fra API.

På de fleste store oljeplattformer brukes det tilleggsprosesser på råvæsken som kommer fra brønnhodet. Disse inkluderer separering av vann fra hydrokarbonene og separering av gass og naturgassvæsker fra væskestrømmen. Disse rørsystemene etter juletreet er vanligvis bygget i henhold til American Society of Mechanical Engineers B31.3-rørforskrifter, med ventiler designet i samsvar med API-ventilspesifikasjoner som API 594, API 600, API 602, API 608 og API 609.

Noen av disse systemene kan også inneholde API 6D sluse-, kule- og tilbakeslagsventiler. Siden eventuelle rørledninger på plattformen eller boreskipet er interne i anlegget, gjelder ikke de strenge kravene for bruk av API 6D-ventiler for rørledninger. Selv om flere ventiltyper brukes i disse rørsystemene, er kuleventilen den foretrukne ventiltypen.

RØRLEDNINGER
Selv om de fleste rørledninger er skjult for syne, er deres tilstedeværelse vanligvis tydelig. Små skilt som sier «petroleumsrørledning» er en åpenbar indikator på tilstedeværelsen av underjordiske transportrør. Disse rørledningene er utstyrt med mange viktige ventiler langs hele lengden. Nødavstengningsventiler for rørledninger finnes med intervaller som spesifisert i standarder, forskrifter og lover. Disse ventilene tjener den viktige funksjonen å isolere en del av en rørledning i tilfelle lekkasje eller når vedlikehold er nødvendig.

Spredt langs en rørledningstrase finner man også anlegg der ledningen stikker ut av bakken og det er tilgjengelig tilgang til ledningen. Disse stasjonene huser «pig»-utsettingsutstyr, som består av innretninger som settes inn i rørledningene enten for å inspisere eller rengjøre ledningen. Disse piggutsettingsstasjonene inneholder vanligvis flere ventiler, enten av sluse- eller kuletypen. Alle ventilene på et rørledningssystem må ha full port (full åpning) for å tillate passasje av pigger.

Rørledninger trenger også energi for å bekjempe friksjonen i rørledningen og opprettholde trykket og flyten i ledningen. Kompressor- eller pumpestasjoner som ser ut som små versjoner av et prosessanlegg uten de høye sprekktårnene, brukes. Disse stasjonene huser dusinvis av sluse-, kule- og tilbakeslagsventiler i rørledningen.
Selve rørledningene er utformet i samsvar med ulike standarder og koder, mens rørledningsventiler følger API 6D rørledningsventiler.
Det finnes også mindre rørledninger som fører inn i hus og næringsbygg. Disse ledningene forsyner vann og gass og er beskyttet av avstengningsventiler.
Store kommuner, spesielt i den nordlige delen av USA, leverer damp til oppvarmingsbehovene til kommersielle kunder. Disse dampforsyningslinjene er utstyrt med en rekke ventiler for å kontrollere og regulere dampforsyningen. Selv om væsken er damp, er trykket og temperaturene lavere enn de som finnes i dampgenerering fra kraftverk. En rekke ventiltyper brukes i denne tjenesten, selv om den ærverdige pluggventilen fortsatt er et populært valg.

RAFFINERI OG PETROKJEMI
Raffineriventiler står for mer industriell ventilbruk enn noe annet ventilsegment. Raffinerier er hjemsted for både korrosive væsker og i noen tilfeller høye temperaturer.
Disse faktorene dikterer hvordan ventiler bygges i samsvar med API-ventildesignspesifikasjoner som API 600 (sluseventiler), API 608 (kuleventiler) og API 594 (tilbakeslagsventiler). På grunn av den tøffe driften mange av disse ventilene utsettes for, er det ofte behov for ekstra korrosjonsmotstand. Denne motstanden manifesteres gjennom større veggtykkelser som er spesifisert i API-designdokumentene.

Så å si alle større ventiltyper finnes i overflod i et typisk stort raffineri. Den allestedsnærværende sluseventilen er fortsatt kongen av haugen med den største populasjonen, men kvartsvingeventiler tar en stadig større del av markedsandelen deres. Kvartsvingeproduktene som gjør vellykkede inntog i denne bransjen (som også en gang var dominert av lineære produkter) inkluderer høyytelses trippeloffset-snurreventiler og metallsete-kuleventiler.

Standard sluseventiler, kuleventiler og tilbakeslagsventiler finnes fortsatt i massevis, og på grunn av den solide designen og den økonomiske produksjonen vil de ikke forsvinne med det første.
Trykkklassifiseringer for raffineriventiler spenner fra klasse 150 til klasse 1500, med klasse 300 som den mest populære.
Uformede karbonstål, som klasse WCB (støpt) og A-105 (smidd), er de mest populære materialene som er spesifisert og brukt i ventiler for raffineritjenester. Mange raffineringsprosessapplikasjoner presser de øvre temperaturgrensene for uformede karbonstål, og legeringer med høyere temperaturer er spesifisert for disse bruksområdene. De mest populære av disse er krom/moly-stål som 1-1/4 % Cr, 2-1/4 % Cr, 5 % Cr og 9 % Cr. Rustfritt stål og høynikkellegeringer brukes også i noen spesielt tøffe raffineringsprosesser.

KJEMISK
Kjemisk industri er en stor bruker av ventiler av alle typer og materialer. Fra små batchanlegg til de enorme petrokjemiske kompleksene som finnes på Gulfkysten, er ventiler en stor del av rørsystemer for kjemiske prosesser.

De fleste bruksområder i kjemiske prosesser har lavere trykk enn mange raffineringsprosesser og kraftproduksjon. De mest populære trykklassene for ventiler og rør i kjemiske anlegg er klasse 150 og 300. Kjemiske anlegg har også vært den største driveren for markedsandelsovertakelsen som kuleventiler har kjempet mot fra lineære ventiler de siste 40 årene. Den fjærende kuleventilen, med sin lekkasjefrie avstengning, passer perfekt for mange kjemiske anleggsapplikasjoner. Den kompakte størrelsen på kuleventilen er også en populær funksjon.
Det finnes fortsatt noen kjemiske anlegg og anleggsprosesser der lineære ventiler foretrekkes. I disse tilfellene er de populære API 603-designede ventilene, med tynnere vegger og lettere vekt, vanligvis den foretrukne sluse- eller kuleventilen. Kontroll av noen kjemikalier oppnås også effektivt med membran- eller klemmeventiler.
På grunn av den korrosive naturen til mange kjemikalier og kjemiske produksjonsprosesser, er materialvalg avgjørende. Standardmaterialet er austenittisk rustfritt stål av typen 316/316L. Dette materialet fungerer godt for å bekjempe korrosjon fra en rekke til tider ekle væsker.

For noen mer krevende korrosive applikasjoner er det behov for mer beskyttelse. Andre høytytende kvaliteter av austenittisk rustfritt stål, som 317, 347 og 321, velges ofte i disse situasjonene. Andre legeringer som brukes fra tid til annen for å kontrollere kjemiske væsker inkluderer Monel, Alloy 20, Inconel og 17-4 PH.

LNG- OG GASSSEPARASJON
Både flytende naturgass (LNG) og prosessene som kreves for gassseparasjon er avhengige av omfattende rørledninger. Disse applikasjonene krever ventiler som kan operere ved svært lave kryogene temperaturer. LNG-industrien, som vokser raskt i USA, ser kontinuerlig etter å oppgradere og forbedre prosessen med gassflytendegjøring. For å oppnå dette har rør og ventiler blitt mye større, og trykkkravene har blitt økt.

Denne situasjonen har krevd at ventilprodusenter har utviklet design som oppfyller strengere parametere. Kvartsvings kule- og butterflyventiler er populære for LNG-tjenester, med 316ss [rustfritt stål] som det mest populære materialet. ANSI klasse 600 er det vanlige trykktaket for de fleste LNG-applikasjoner. Selv om kvartsvingsprodukter er de mest populære ventiltypene, kan man også finne sluseventiler, kuleventiler og tilbakeslagsventiler i anleggene.

Gassseparasjon innebærer å dele gass inn i de individuelle grunnelementene. For eksempel gir luftseparasjonsmetoder nitrogen, oksygen, helium og andre sporgasser. Prosessens svært lave temperatur betyr at det kreves mange kryogene ventiler.

Både LNG- og gasseparasjonsanlegg har lavtemperaturventiler som må forbli i drift under disse kryogene forholdene. Dette betyr at ventilpakningssystemet må løftes bort fra lavtemperaturvæsken ved bruk av en gass- eller kondenseringskolonne. Denne gasskolonnen forhindrer at væsken danner en isball rundt pakningsområdet, noe som ville forhindre at ventilstammen dreier eller hever seg.

NÆRINGSBYGNINGER
Næringsbygg omgir oss, men med mindre vi følger nøye med mens de bygges, har vi liten anelse om de mange flytende arteriene som er skjult i veggene deres av mur, glass og metall.

En fellesnevner i så godt som alle bygninger er vann. Alle disse konstruksjonene inneholder en rekke rørsystemer som fører mange kombinasjoner av hydrogen/oksygenforbindelsen i form av drikkevann, avløpsvann, varmtvann, gråvann og brannvern.

Fra et bygningsoverlevelsesperspektiv er brannsystemer svært kritiske. Brannvern i bygninger er nesten universelt matet og fylt med rent vann. For at brannvannssystemer skal være effektive, må de være pålitelige, ha tilstrekkelig trykk og være praktisk plassert i hele konstruksjonen. Disse systemene er konstruert for å automatisk aktiveres i tilfelle brann.
Høyhus krever samme vanntrykk i de øverste etasjene som i de nederste, så høytrykkspumper og rør må brukes for å få vannet oppover. Rørsystemene er vanligvis klasse 300 eller 600, avhengig av bygningshøyde. Alle typer ventiler brukes i disse applikasjonene; ventildesignene må imidlertid godkjennes av Underwriters Laboratories eller Factory Mutual for brannledningstjeneste.

De samme klassene og typene ventiler som brukes for brannvesenets ventiler brukes for distribusjon av drikkevann, selv om godkjenningsprosessen ikke er like streng.
Kommersielle klimaanlegg som finnes i store forretningsstrukturer som kontorbygg, hoteller og sykehus er vanligvis sentraliserte. De har en stor kjøleenhet eller kjele for å kjøle eller varme opp væske som brukes til å overføre kulde eller høy temperatur. Disse systemene må ofte håndtere kjølemidler som R-134a, et hydrofluorkarbon, eller i tilfelle av store varmesystemer, damp. På grunn av den kompakte størrelsen på butterfly- og kuleventiler har disse typene blitt populære i HVAC-kjølesystemer.

På dampsiden har noen kvartomdreiningventiler gjort fremskritt i bruk, men mange rørleggeringeniører er fortsatt avhengige av lineære sluse- og kuleventiler, spesielt hvis rørene krever sveiseender. For disse moderate dampapplikasjonene har stål erstattet støpejern på grunn av stålets sveiseevne.

Noen varmesystemer bruker varmtvann i stedet for damp som overføringsvæske. Disse systemene betjenes godt av ventiler i bronse eller jern. Kule- og butterflyventiler med fjærende sete og kvart omdreining er svært populære, selv om noen lineære design fortsatt brukes.

KONKLUSJON
Selv om bevis på ventilapplikasjonene som er nevnt i denne artikkelen kanskje ikke er synlige på en tur til Starbucks eller til bestemors hus, er det alltid noen svært viktige ventiler i nærheten. Det finnes til og med ventiler i bilens motor som brukes til å komme til disse stedene, som de i forgasseren som kontrollerer drivstoffstrømmen inn i motoren, og de i motoren som kontrollerer bensinstrømmen inn i stemplene og ut igjen. Og hvis disse ventilene ikke er nært nok hverdagslivet vårt, bør du vurdere det faktum at hjertene våre slår regelmessig gjennom fire viktige strømningskontrollenheter.

Dette er bare et annet eksempel på realiteten at: ventiler virkelig finnes overalt. VM
Del II av denne artikkelen dekker flere bransjer der ventiler brukes. Gå til www.valvemagazine.com for å lese om masse og papir, marine applikasjoner, demninger og vannkraft, solenergi, jern og stål, luftfart, geotermisk energi og håndverksbrygging og destillasjon.

GREG JOHNSON er president i United Valve (www.unitedvalve.com) i Houston. Han er en bidragsyter til VALVE Magazine, tidligere styreleder i Valve Repair Council og nåværende styremedlem i VRC. Han sitter også i VMAs utdannings- og opplæringskomité, er nestleder i VMAs kommunikasjonskomité og er tidligere president i Manufacturers Standardization Society.