Gdzie stosuje się zawory: wszędzie!

8 listopada 2017 r. Napisany przez Grega Johnsona

Zawory można dziś znaleźć niemal wszędzie: w naszych domach, pod ulicami, w budynkach komercyjnych oraz w tysiącach miejsc w elektrowniach i wodociągach, papierniach, rafineriach, zakładach chemicznych oraz innych obiektach przemysłowych i infrastrukturalnych.
Przemysł zaworów jest naprawdę szeroki i obejmuje różne segmenty, od dystrybucji wody, przez energię jądrową, po wydobycie i przetwarzanie ropy i gazu. Każda z tych branż będących użytkownikami końcowymi wykorzystuje pewne podstawowe typy zaworów; jednakże szczegóły konstrukcji i materiałów są często bardzo różne. Oto próbka:

WODA DZIAŁA
W świecie dystrybucji wody ciśnienia są prawie zawsze stosunkowo niskie, a temperatury otoczenia. Te dwa fakty dotyczące zastosowań pozwalają na zastosowanie wielu elementów konstrukcyjnych zaworów, których nie można znaleźć w bardziej wymagających urządzeniach, takich jak wysokotemperaturowe zawory parowe. Temperatura otoczenia sieci wodociągowej pozwala na zastosowanie elastomerów i uszczelek gumowych nieodpowiednich gdzie indziej. Te miękkie materiały umożliwiają wyposażenie zaworów wodnych w sposób szczelnie zamykający krople.

Kolejną kwestią związaną z zaworami do instalacji wodnych jest wybór materiałów konstrukcyjnych. Żeliwo i żeliwo sferoidalne są szeroko stosowane w instalacjach wodnych, zwłaszcza w rurociągach o dużych średnicach zewnętrznych. Bardzo małe przewody można całkiem dobrze obsługiwać w przypadku zaworów z brązu.

Ciśnienie obserwowane przez większość zaworów wodociągowych wynosi zwykle znacznie poniżej 200 psi. Oznacza to, że nie są potrzebne konstrukcje o grubszych ściankach, przeznaczone do wyższych ciśnień. To powiedziawszy, zdarzają się przypadki, w których zawory wodne są zbudowane tak, aby wytrzymać wyższe ciśnienia, do około 300 psi. Zastosowania te dotyczą zwykle długich akweduktów w pobliżu źródła ciśnienia. Czasami w punktach najwyższego ciśnienia w wysokiej tamie znajdują się również zawory wodne o wyższym ciśnieniu.

Amerykańskie stowarzyszenie wodociągów (AWWA) wydało specyfikacje obejmujące wiele różnych typów zaworów i siłowników stosowanych w instalacjach wodociągowych.

ŚCIEKÓW
Drugą stroną świeżej wody pitnej wpływającej do obiektu lub konstrukcji jest odprowadzanie ścieków lub ścieków. Linie te zbierają wszystkie odpady płynne i stałe i kierują je do oczyszczalni ścieków. Oczyszczalnie te wyposażone są w wiele niskociśnieniowych rurociągów i zaworów, które wykonują „brudną robotę”. Wymagania dotyczące zaworów ściekowych są w wielu przypadkach znacznie łagodniejsze niż wymagania dotyczące usług czystej wody. Zasuwy żelazne i zawory zwrotne są najpopularniejszym wyborem w przypadku tego typu usług. Standardowe zawory w tym serwisie budowane są zgodnie ze specyfikacjami AWWA.

ENERGETYKA
Większość energii elektrycznej wytwarzanej w Stanach Zjednoczonych wytwarzana jest w elektrowniach parowych wykorzystujących paliwa kopalne i turbiny wysokoobrotowe. Zdejmowanie pokrywy nowoczesnej elektrowni dałoby widok na systemy rurociągów wysokociśnieniowych i wysokotemperaturowych. Te główne linie są najbardziej krytyczne w procesie wytwarzania energii parowej.

Zawory odcinające pozostają głównym wyborem w przypadku zastosowań włączania/wyłączania w elektrowniach, chociaż można znaleźć również zawory kulowe specjalnego przeznaczenia o układzie Y. Wysokowydajne zawory kulowe do zastosowań krytycznych zyskują popularność wśród niektórych projektantów elektrowni i wkraczają w ten niegdyś zdominowany przez zawory liniowe świat.

Metalurgia ma kluczowe znaczenie dla zaworów w zastosowaniach energetycznych, zwłaszcza tych pracujących w nadkrytycznych lub ultranadkrytycznych zakresach roboczych ciśnienia i temperatury. F91, F92, C12A, a także kilka stopów Inconel i stali nierdzewnej są powszechnie stosowane w dzisiejszych elektrowniach. Klasy ciśnienia obejmują 1500, 2500, a w niektórych przypadkach 4500. Modulacyjny charakter elektrowni szczytowych (tych, które działają tylko w razie potrzeby) również powoduje ogromne obciążenie zaworów i rurociągów, wymagając solidnych konstrukcji, które poradzą sobie z ekstremalną kombinacją cykli, temperatury i ciśnienie.
Oprócz głównych zaworów parowych elektrownie wyposażone są w rurociągi pomocnicze, w których znajduje się niezliczona ilość zaworów zasuwowych, kulowych, zwrotnych, motylkowych i kulowych.

Elektrownie jądrowe działają na tej samej zasadzie turbiny parowej/szybkiej. Podstawowa różnica polega na tym, że w elektrowni jądrowej para powstaje w wyniku ciepła powstającego w procesie rozszczepienia. Zawory do elektrowni jądrowych są podobne do swoich kuzynów zasilanych paliwami kopalnymi, z wyjątkiem ich rodowodu i dodatkowego wymogu absolutnej niezawodności. Zawory nuklearne produkowane są według niezwykle wysokich standardów, a dokumentacja kwalifikacyjna i kontrolna zajmuje setki stron.

PRODUKCJA ROPY I GAZU
Odwierty naftowe i gazowe oraz zakłady produkcyjne intensywnie korzystają z zaworów, w tym wielu zaworów o dużej wytrzymałości. Choć strumienie ropy wyrzucające setki stóp w powietrze raczej już się nie pojawią, zdjęcie ilustruje potencjalne ciśnienie podziemnej ropy i gazu. Z tego powodu głowice studni lub choinki umieszcza się na szczycie długiego ciągu rur studni. Zespoły te, wraz z kombinacją zaworów i specjalnych złączek, są zaprojektowane tak, aby wytrzymać ciśnienia przekraczające 10 000 psi. Chociaż obecnie rzadko można je spotkać w studniach kopanych na lądzie, ekstremalnie wysokie ciśnienia często występują w głębokich studniach przybrzeżnych.

Projekt wyposażenia głowicy odwiertu jest objęty specyfikacjami API, takimi jak 6A, Specyfikacja wyposażenia głowicy odwiertu i wyposażenia choinek. Zawory objęte pozycją 6A są przeznaczone do pracy z ekstremalnie wysokimi ciśnieniami, ale umiarkowanymi temperaturami. Większość choinek zawiera zasuwy i specjalne zawory kulowe zwane dławikami. Dławiki służą do regulacji wypływu ze studni.

Oprócz samych głowic odwiertów wiele obiektów pomocniczych znajduje się na polach naftowych lub gazowych. Sprzęt procesowy do wstępnej obróbki ropy lub gazu wymaga szeregu zaworów. Zawory te są zwykle wykonane ze stali węglowej przystosowanej do niższych klas.

Czasami w strumieniu surowej ropy naftowej występuje silnie żrący płyn – siarkowodór. Materiał ten, zwany także kwaśnym gazem, może być śmiertelny. Aby sprostać wyzwaniom związanym z kwaśnym gazem, należy przestrzegać specjalnych materiałów lub technik przetwarzania materiałów zgodnie z międzynarodową specyfikacją NACE MR0175.

PRZEMYSŁ MORSKI
Systemy rurociągów dla morskich platform wiertniczych i obiektów produkcyjnych zawierają wiele zaworów zbudowanych według wielu różnych specyfikacji, aby sprostać różnorodnym wyzwaniom związanym z kontrolą przepływu. Obiekty te zawierają również różne pętle systemów sterowania i urządzenia ograniczające ciśnienie.

W przypadku zakładów zajmujących się wydobyciem ropy naftowej sercem tętniczym jest rzeczywisty system rurociągów do odzyskiwania ropy lub gazu. Chociaż nie zawsze na samej platformie, wiele systemów produkcyjnych wykorzystuje choinki i systemy rurociągów, które działają na niegościnnych głębokościach wynoszących 3000 metrów lub więcej. Ten sprzęt produkcyjny jest zbudowany zgodnie z wieloma rygorystycznymi normami Amerykańskiego Instytutu Naftowego (API) i jest wymieniony w kilku zalecanych praktykach API (RP).

Na większości dużych platform wiertniczych surowy płyn pochodzący z głowicy poddawany jest dodatkowym procesom. Obejmują one oddzielanie wody od węglowodorów oraz oddzielanie gazu i cieczy z gazu ziemnego od strumienia płynu. Te systemy rurociągów poświątecznych są zazwyczaj budowane zgodnie z normami rurociągów Amerykańskiego Stowarzyszenia Inżynierów Mechaników B31.3, a zawory są zaprojektowane zgodnie ze specyfikacjami zaworów API, takimi jak API 594, API 600, API 602, API 608 i API 609.

Niektóre z tych systemów mogą również zawierać zawory zasuwowe, kulowe i zwrotne API 6D. Ponieważ wszelkie rurociągi na platformie lub statku wiertniczym znajdują się wewnątrz obiektu, rygorystyczne wymagania dotyczące stosowania zaworów API 6D w rurociągach nie mają zastosowania. Chociaż w tych instalacjach rurowych stosuje się wiele typów zaworów, preferowanym typem zaworu jest zawór kulowy.

RUROCIĄGI
Chociaż większość rurociągów jest niewidoczna, ich obecność jest zwykle widoczna. Małe tabliczki z informacją „rurociąg naftowy” są oczywistym wskaźnikiem obecności podziemnych rurociągów transportowych. Rurociągi te są wyposażone na całej swojej długości w wiele ważnych zaworów. Awaryjne zawory odcinające rurociągi znajdują się w odstępach określonych przez normy, przepisy i przepisy. Zawory te pełnią istotną funkcję izolowania odcinka rurociągu w przypadku wycieku lub gdy wymagana jest konserwacja.

Wzdłuż trasy rurociągu rozmieszczone są także obiekty, w których linia wychodzi z podłoża i jest do niej dostępny. Na stacjach tych znajduje się sprzęt do wyrzutu „świń”, który składa się z urządzeń wkładanych do rurociągu w celu kontroli lub czyszczenia rurociągu. Te stacje wypuszczania świń zwykle zawierają kilka zaworów, zasuwowych lub kulowych. Wszystkie zawory w systemie rurociągów muszą być całkowicie otwarte (pełne otwarcie), aby umożliwić przejście świń.

Rurociągi również potrzebują energii, aby zwalczyć tarcie rurociągu oraz utrzymać ciśnienie i przepływ w rurociągu. Stosowane są kompresory lub przepompownie, które wyglądają jak małe wersje instalacji procesowej bez wysokich wież krakingowych. Na tych stacjach znajdują się dziesiątki zasuw, kulowych i zwrotnych zaworów rurociągowych.
Same rurociągi są projektowane zgodnie z różnymi normami i przepisami, natomiast zawory rurociągowe są zgodne z zaworami rurociągowymi API 6D.
Istnieją również mniejsze rurociągi prowadzące do domów i obiektów komercyjnych. Linie te dostarczają wodę i gaz i są osłonięte zaworami odcinającymi.
Duże gminy, zwłaszcza w północnej części Stanów Zjednoczonych, dostarczają parę na potrzeby grzewcze klientów komercyjnych. Te linie doprowadzające parę są wyposażone w różne zawory do sterowania i regulacji dopływu pary. Chociaż płynem jest para, ciśnienia i temperatury są niższe niż te występujące w elektrowniach wytwarzających parę. W tej usłudze stosuje się różne typy zaworów, chociaż czcigodny zawór grzybkowy jest nadal popularnym wyborem.

RAFINERIA I PETROCHEMIA
Zawory rafineryjne odpowiadają za większe wykorzystanie zaworów przemysłowych niż jakikolwiek inny segment zaworów. W rafineriach występują zarówno żrące płyny, jak i, w niektórych przypadkach, wysokie temperatury.
Czynniki te decydują o tym, jak zawory są budowane zgodnie ze specyfikacjami konstrukcyjnymi zaworów API, takimi jak API 600 (zawory zasuwowe), API 608 (zawory kulowe) i API 594 (zawory zwrotne). Ze względu na trudne warunki pracy wielu z tych zaworów często wymagany jest dodatkowy naddatek na korozję. Naddatek ten przejawia się w większych grubościach ścianek, które są określone w dokumentach projektowych API.

Praktycznie każdy główny typ zaworów można znaleźć w dużych ilościach w typowej dużej rafinerii. Wszechobecne zasuwy są nadal królem wzgórza z największą populacją, ale zawory ćwierćobrotowe przejmują coraz większy udział w rynku. Produkty ćwierćobrotowe, które z powodzeniem wkroczyły na rynek w tej branży (która kiedyś była również zdominowana przez produkty liniowe), obejmują wysokowydajne zawory motylkowe z potrójnym przesunięciem i zawory kulowe z metalowym gniazdem.

Standardowe zawory zasuwowe, kulowe i zwrotne są nadal powszechnie spotykane i ze względu na solidność ich konstrukcji oraz ekonomiczność produkcji nie znikną w najbliższym czasie.
Zakres ciśnień dla zaworów rafineryjnych obejmuje zakres od klasy 150 do klasy 1500, przy czym najpopularniejszym jest klasa 300.
Zwykłe stale węglowe, takie jak gatunek WCB (odlew) i A-105 (kute) to najpopularniejsze materiały stosowane w zaworach stosowanych w rafineriach. Wiele zastosowań procesów rafinacji przesuwa górne granice temperatur zwykłych stali węglowych i do tych zastosowań stosuje się stopy o wyższej temperaturze. Najpopularniejsze z nich to stale chromowo-molibdenowe, takie jak 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr i 9% Cr. Stale nierdzewne i stopy o wysokiej zawartości niklu są również wykorzystywane w niektórych szczególnie trudnych procesach rafinacji.

CHEMICZNY
Przemysł chemiczny jest dużym użytkownikiem zaworów wszystkich typów i materiałów. Od małych zakładów wsadowych po ogromne kompleksy petrochemiczne znajdujące się na wybrzeżu Zatoki Perskiej, zawory stanowią ogromną część systemów rurociągów do procesów chemicznych.

Większość zastosowań w procesach chemicznych wymaga niższego ciśnienia niż w wielu procesach rafinacji i wytwarzaniu energii. Najpopularniejsze klasy ciśnienia dla zaworów i rurociągów dla zakładów chemicznych to klasy 150 i 300. Zakłady chemiczne były również największą siłą napędową przejęcia udziału w rynku, które zawory kulowe zmagały się z zaworami liniowymi w ciągu ostatnich 40 lat. Zawór kulowy o elastycznym gnieździe i odcinający o zerowym wycieku doskonale nadaje się do wielu zastosowań w zakładach chemicznych. Popularną cechą jest również kompaktowy rozmiar zaworu kulowego.
Nadal istnieją pewne zakłady chemiczne i procesy, w których preferowane są zawory liniowe. W takich przypadkach popularne zawory zaprojektowane zgodnie z API 603, o cieńszych ściankach i mniejszej masie, są zwykle wybieranym zaworem zasuwowym lub kulowym. Kontrolę niektórych substancji chemicznych można również skutecznie osiągnąć za pomocą zaworów membranowych lub zaciskowych.
Ze względu na korozyjny charakter wielu substancji chemicznych i procesów ich wytwarzania, wybór materiału ma kluczowe znaczenie. De facto materiałem jest austenityczna stal nierdzewna 316/316L. Materiał ten dobrze radzi sobie z korozją spowodowaną wieloma czasami nieprzyjemnymi płynami.

W przypadku niektórych trudniejszych zastosowań korozyjnych wymagana jest większa ochrona. W takich sytuacjach często wybierane są inne wysokowydajne gatunki austenitycznej stali nierdzewnej, takie jak 317, 347 i 321. Inne stopy używane od czasu do czasu do kontrolowania płynów chemicznych to Monel, Alloy 20, Inconel i 17-4 PH.

SEPARACJA LNG I GAZU
Zarówno ciekły gaz ziemny (LNG), jak i procesy wymagane do separacji gazu opierają się na rozbudowanych rurociągach. Zastosowania te wymagają zaworów, które mogą pracować w bardzo niskich temperaturach kriogenicznych. Branża LNG, która szybko rozwija się w Stanach Zjednoczonych, nieustannie poszukuje ulepszeń i usprawnień procesu skraplania gazu. W tym celu rurociągi i zawory stały się znacznie większe, a wymagania dotyczące ciśnienia zostały podniesione.

Sytuacja ta zmusiła producentów zaworów do opracowania projektów spełniających bardziej rygorystyczne parametry. W przypadku usług LNG popularne są zawory kulowe i motylkowe ćwierćobrotowe, przy czym najpopularniejszym materiałem jest stal 316ss [stal nierdzewna]. ANSI klasa 600 to zwyczajowy pułap ciśnieniowy dla większości zastosowań LNG. Chociaż najpopularniejszym typem zaworów są zawory ćwierćobrotowe, w zakładach można znaleźć również zawory zasuwowe, grzybkowe i zwrotne.

Usługa separacji gazu polega na podziale gazu na poszczególne jego podstawowe pierwiastki. Na przykład metody separacji powietrza dają azot, tlen, hel i inne gazy śladowe. Bardzo niskotemperaturowy charakter procesu oznacza, że ​​wymaganych jest wiele zaworów kriogenicznych.

Zarówno instalacje LNG, jak i instalacje separacji gazu są wyposażone w zawory niskotemperaturowe, które muszą działać w tych warunkach kriogenicznych. Oznacza to, że układ uszczelnienia zaworu musi zostać uniesiony nad płyn o niskiej temperaturze za pomocą kolumny gazowej lub kondensacyjnej. Kolumna gazu zapobiega tworzeniu się w cieczy kuli lodowej wokół obszaru uszczelnienia, co mogłoby zapobiec obracaniu się lub unoszeniu trzpienia zaworu.

BUDYNKI KOMERCYJNE
Otaczają nas budynki komercyjne, ale jeśli nie będziemy zwracać szczególnej uwagi podczas ich budowy, nie będziemy mieli pojęcia o mnogości płynnych arterii ukrytych w ścianach z kamienia, szkła i metalu.

Wspólnym mianownikiem praktycznie każdego budynku jest woda. Wszystkie te konstrukcje zawierają różnorodne systemy rurociągów przenoszących wiele kombinacji związku wodoru i tlenu w postaci płynów pitnych, ścieków, gorącej wody, wody szarej i środków przeciwpożarowych.

Z punktu widzenia przetrwania budynku najważniejsze są systemy przeciwpożarowe. Ochrona przeciwpożarowa w budynkach jest niemal powszechnie zasilana i napełniana czystą wodą. Aby systemy wody przeciwpożarowej były skuteczne, muszą być niezawodne, mieć odpowiednie ciśnienie i być dogodnie rozmieszczone w całym obiekcie. Systemy te są zaprojektowane tak, aby automatycznie załączać zasilanie w przypadku pożaru.
Wysokie budynki wymagają takiego samego ciśnienia wody na najwyższych piętrach, jak na dolnych piętrach, dlatego do wyniesienia wody do góry należy zastosować pompy wysokociśnieniowe i rurociągi. Systemy rur są zwykle klasy 300 lub 600, w zależności od wysokości budynku. W tych zastosowaniach stosowane są wszystkie typy zaworów; jednakże konstrukcje zaworów muszą zostać zatwierdzone przez Underwriters Laboratories lub Factory Mutual w zakresie obsługi instalacji przeciwpożarowych.

Te same klasy i typy zaworów, co zawory przeciwpożarowe, są stosowane do dystrybucji wody pitnej, chociaż proces zatwierdzania nie jest tak rygorystyczny.
Komercyjne systemy klimatyzacji stosowane w dużych obiektach biznesowych, takich jak budynki biurowe, hotele i szpitale, są zwykle scentralizowane. Mają duży agregat chłodniczy lub kocioł do chłodzenia lub podgrzewania płynu używanego do przenoszenia zimnej lub wysokiej temperatury. Systemy te często muszą obsługiwać czynniki chłodnicze, takie jak R-134a, fluorowęglowodory lub, w przypadku głównych systemów grzewczych, parę. Ze względu na niewielkie rozmiary zaworów motylkowych i kulowych, typy te stały się popularne w systemach agregatów chłodniczych HVAC.

Po stronie pary popularne są zawory ćwierćobrotowe, jednak wielu inżynierów hydrauliki nadal polega na liniowych zasuwach i zaworach kulowych, szczególnie jeśli rurociągi wymagają końcówek spawanych doczołowo. W tych umiarkowanych zastosowaniach parowych stal zastąpiła żeliwo ze względu na spawalność stali.

Niektóre systemy grzewcze wykorzystują gorącą wodę zamiast pary jako płyn transferowy. Systemy te są dobrze obsługiwane przez zawory z brązu lub żelaza. Bardzo popularne są zawory kulowe i przepustnice ćwierćobrotowe z elastycznym gniazdem, chociaż nadal stosowane są niektóre konstrukcje liniowe.

WNIOSEK
Chociaż dowody zastosowania zaworów wspomniane w tym artykule mogą nie być widoczne podczas wycieczki do Starbucks lub do domu babci, niektóre bardzo ważne zawory są zawsze w pobliżu. W silniku samochodu znajdują się nawet zawory, które umożliwiają dotarcie do takich miejsc, jak te w gaźniku, które kontrolują przepływ paliwa do silnika, oraz te w silniku, które kontrolują przepływ benzyny do tłoków i z powrotem. A jeśli te zawory nie są wystarczająco blisko naszego codziennego życia, weź pod uwagę rzeczywistość, w której nasze serca bije regularnie poprzez cztery istotne urządzenia kontrolujące przepływ.

To tylko kolejny przykład rzeczywistości, w której: zawory są naprawdę wszędzie. maszyna wirtualna
Część II tego artykułu obejmuje dodatkowe branże, w których stosuje się zawory. Wejdź na stronę www.valvemagazine.com, aby przeczytać o przemyśle celulozowo-papierniczym, zastosowaniach morskich, tamach i energii wodnej, energii słonecznej, żelazie i stali, przemyśle lotniczym, geotermalnym oraz browarnictwie i destylacji rzemieślniczej.

GREG JOHNSON jest prezesem United Valve (www.unitedvalve.com) w Houston. Jest redaktorem magazynu VALVE, byłym przewodniczącym Rady ds. Naprawy Zaworów i obecnym członkiem zarządu VRC. Zasiada także w Komisji ds. Edukacji i Szkoleń VMA, jest wiceprzewodniczącym Komisji ds. Komunikacji VMA i byłym prezesem Towarzystwa Normalizacyjnego Producentów.