Gdzie stosuje się zawory: wszędzie!

08 listopada 2017 r. Napisane przez Grega Johnsona

Zawory można dziś znaleźć niemal wszędzie: w domach, pod ulicą, w budynkach komercyjnych, a także w tysiącach miejsc w elektrowniach, zakładach wodociągowych, papierniach, rafineriach, zakładach chemicznych i innych obiektach przemysłowych oraz infrastrukturalnych.
Branża zaworów jest naprawdę szeroka, z segmentami obejmującymi wiele branż, od dystrybucji wody, przez energetykę jądrową, po wydobycie i dystrybucję ropy naftowej i gazu. Każda z tych branż wykorzystuje podstawowe typy zaworów; jednak szczegóły konstrukcji i materiałów często bardzo się różnią. Oto kilka przykładów:

WODOCIĄGI
W świecie dystrybucji wody ciśnienia są prawie zawsze stosunkowo niskie, a temperatury otoczenia – zbliżone do otoczenia. Te dwa aspekty zastosowania pozwalają na zastosowanie szeregu elementów konstrukcyjnych zaworów, których nie można znaleźć w bardziej wymagających urządzeniach, takich jak zawory parowe wysokotemperaturowe. Temperatura otoczenia wody użytkowej pozwala na stosowanie elastomerów i uszczelek gumowych, które nie nadają się do innych zastosowań. Te miękkie materiały pozwalają na zastosowanie zaworów wodnych w celu szczelnego zamknięcia kapiącego płynu.

Kolejnym czynnikiem branym pod uwagę przy wyborze zaworów do wody jest wybór materiałów konstrukcyjnych. Żeliwa i żeliwa sferoidalne są szeroko stosowane w systemach wodnych, zwłaszcza w rurociągach o dużej średnicy zewnętrznej. Do bardzo małych rurociągów można zastosować zawory z brązu.

Ciśnienia, którym poddawane są większość zaworów wodociągowych, są zazwyczaj znacznie niższe niż 200 psi. Oznacza to, że nie ma potrzeby stosowania grubszych konstrukcji o wyższym ciśnieniu. Zdarzają się jednak przypadki, w których zawory wodne są budowane do pracy przy wyższych ciśnieniach, nawet do około 300 psi. Takie zastosowania występują zazwyczaj w długich akweduktach, blisko źródła ciśnienia. Czasami zawory wodne o wyższym ciśnieniu znajdują się również w punktach najwyższego ciśnienia w wysokiej zaporze.

Amerykańskie Stowarzyszenie Wodociągów (AWWA) wydało specyfikacje obejmujące wiele różnych typów zaworów i siłowników stosowanych w aplikacjach wodociągowych.

ŚCIEKÓW
Odwrotną stroną świeżej wody pitnej doprowadzanej do obiektu lub budynku są ścieki lub odprowadzane kanały ściekowe. Rurociągi te zbierają wszystkie ścieki i ciała stałe i kierują je do oczyszczalni ścieków. Oczyszczalnie te wyposażone są w wiele niskociśnieniowych rurociągów i zaworów, które wykonują swoją „brudną robotę”. Wymagania dotyczące zaworów ściekowych są w wielu przypadkach znacznie łagodniejsze niż wymagania dotyczące czystej wody. Najpopularniejszym wyborem w tego typu instalacjach są żeliwne zasuwy i zawory zwrotne. Standardowe zawory w tej instalacji są budowane zgodnie ze specyfikacjami AWWA.

PRZEMYSŁ ENERGETYCZNY
Większość energii elektrycznej wytwarzanej w Stanach Zjednoczonych pochodzi z elektrowni parowych, wykorzystujących paliwa kopalne i turbiny wysokoobrotowe. Zdejmując pokrywę nowoczesnej elektrowni, można zobaczyć systemy rurociągów wysokociśnieniowych i wysokotemperaturowych. Te główne linie są najważniejsze w procesie wytwarzania energii parowej.

Zawory zasuwowe pozostają głównym wyborem w zastosowaniach typu on/off w elektrowniach, choć dostępne są również zawory kulowe specjalnego przeznaczenia, w kształcie litery Y. Wysokowydajne zawory kulowe do zastosowań krytycznych zyskują na popularności wśród niektórych projektantów elektrowni i torują sobie drogę w świecie zdominowanym niegdyś przez zawory liniowe.

Metalurgia ma kluczowe znaczenie dla zaworów w zastosowaniach energetycznych, zwłaszcza tych pracujących w nadkrytycznych lub ultrakrytycznych zakresach ciśnienia i temperatury. Stopy F91, F92, C12A, a także kilka stopów Inconel i stali nierdzewnej są powszechnie stosowane we współczesnych elektrowniach. Klasy ciśnienia obejmują 1500, 2500, a w niektórych przypadkach 4500. Modulacyjny charakter elektrowni szczytowych (działających tylko w razie potrzeby) również wywiera ogromne obciążenie na zawory i rurociągi, wymagając solidnych konstrukcji, aby sprostać ekstremalnym warunkom cykli, temperatury i ciśnienia.
Oprócz głównych zaworów parowych, elektrownie są obciążone rurociągami pomocniczymi, wyposażonymi w niezliczoną ilość zaworów zasuwowych, kulowych, zwrotnych, motylkowych i kulowych.

Elektrownie jądrowe działają na tej samej zasadzie – turbiny parowej/wysokoobrotowej. Podstawowa różnica polega na tym, że w elektrowni jądrowej para wodna powstaje w wyniku ciepła z procesu rozszczepienia. Zawory w elektrowniach jądrowych są podobne do zaworów zasilanych paliwami kopalnymi, z wyjątkiem rodowodu i dodatkowego wymogu absolutnej niezawodności. Zawory jądrowe są produkowane zgodnie z niezwykle wysokimi standardami, a dokumentacja kwalifikacyjna i inspekcyjna zajmuje setki stron.

PRODUKCJA ROPY NAFTOWEJ I GAZU
Odwierty ropy naftowej i gazu oraz zakłady produkcyjne intensywnie wykorzystują zawory, w tym wiele zaworów o dużej wytrzymałości. Chociaż tryskające strumienie ropy na wysokość setek stóp (ok. 100 m) w górę złoża nie są już tak powszechne, zdjęcie ilustruje potencjalne ciśnienie podziemnej ropy naftowej i gazu. Właśnie dlatego głowice odwiertu, czyli tzw. choinki, umieszcza się na szczycie długiego ciągu rur odwiertu. Zespoły te, wyposażone w kombinację zaworów i specjalnych złączek, są zaprojektowane do pracy przy ciśnieniach przekraczających 10 000 psi (ok. 10 000 psi). Choć obecnie rzadko spotykane w odwiertach lądowych, ekstremalnie wysokie ciśnienia często występują w głębokich odwiertach morskich.

Projektowanie urządzeń głowicowych jest objęte specyfikacjami API, takimi jak 6A, Specyfikacja dla głowic głowicowych i urządzeń choinkowych. Zawory objęte 6A są zaprojektowane do pracy przy ekstremalnie wysokich ciśnieniach i umiarkowanych temperaturach. Większość choinek zawiera zasuwy i specjalne zawory kulowe zwane dławikami. Dławiki służą do regulacji przepływu z odwiertu.

Oprócz samych głowic odwiertu, na złożu ropy naftowej lub gazu znajduje się wiele instalacji pomocniczych. Urządzenia procesowe do wstępnego oczyszczania ropy naftowej lub gazu wymagają szeregu zaworów. Zawory te są zazwyczaj wykonane ze stali węglowej o niższej klasie czystości.

Czasami w strumieniu surowej ropy naftowej obecny jest silnie żrący płyn – siarkowodór. Substancja ta, zwana również gazem kwaśnym, może być śmiertelnie niebezpieczna. Aby sprostać wyzwaniom związanym z gazem kwaśnym, należy stosować specjalne materiały lub techniki obróbki materiałów zgodne ze specyfikacją NACE International MR0175.

PRZEMYSŁ OFFSHORE
Systemy rurociągów dla platform wiertniczych i obiektów produkcyjnych na morzu zawierają wiele zaworów o zróżnicowanych parametrach, aby sprostać różnorodnym wyzwaniom związanym z kontrolą przepływu. Obiekty te zawierają również różnorodne pętle układu sterowania i urządzenia bezpieczeństwa.

W przypadku obiektów wydobywczych ropy naftowej, sercem układu jest rzeczywisty system rurociągów do wydobycia ropy lub gazu. Choć nie zawsze znajduje się on na samej platformie, wiele systemów produkcyjnych wykorzystuje systemy rurowe i choinkowe, które działają na niesprzyjających głębokościach 10 000 stóp (3000 m) lub większych. Ten sprzęt produkcyjny jest budowany zgodnie z wieloma rygorystycznymi normami Amerykańskiego Instytutu Naftowego (API) i jest wymieniony w kilku Zalecanych Praktykach API (RP).

Na większości dużych platform wiertniczych surowe płyny wydobywające się z głowicy odwiertu poddawane są dodatkowym procesom. Obejmują one oddzielanie wody od węglowodorów oraz oddzielanie gazu i płynów gazu ziemnego od strumienia płynu. Te systemy rurociągów po okresie świątecznym są zazwyczaj budowane zgodnie z normami rurociągowymi American Society of Mechanical Engineers 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, surowe wymagania dotyczące stosowania zaworów API 6D dla rurociągów nie mają zastosowania. Chociaż w tych systemach rurociągowych stosuje się wiele typów zaworów, preferowanym typem zaworu jest zawór kulowy.

RUROCIĄGI
Chociaż większość rurociągów jest niewidoczna, ich obecność jest zazwyczaj oczywista. Małe tabliczki z napisem „rurociąg naftowy” są jednym z oczywistych wskaźników obecności podziemnych rurociągów transportowych. Rurociągi te są wyposażone w wiele ważnych zaworów na całej swojej długości. Awaryjne zawory odcinające rurociągi znajdują się w odstępach określonych w normach, przepisach i przepisach. Zawory te pełnią istotną funkcję odcinania odcinka rurociągu w przypadku wycieku lub konieczności przeprowadzenia konserwacji.

Wzdłuż trasy rurociągu znajdują się również obiekty, w których rurociąg wychodzi z ziemi i do którego jest dostęp. Stacje te są miejscem instalacji urządzeń do wodowania „tłoków”, czyli urządzeń umieszczanych w rurociągach w celu ich inspekcji lub czyszczenia. Stacje te zazwyczaj zawierają kilka zaworów, zasuwowych lub kulowych. Wszystkie zawory w systemie rurociągów muszą być pełnoprzelotowe (w pełni otwarte), aby umożliwić przepływ tłoków.

Rurociągi również potrzebują energii, aby przeciwdziałać tarciu i utrzymać ciśnienie oraz przepływ w rurociągu. Stosowane są sprężarki lub stacje pomp, które wyglądają jak małe wersje instalacji procesowych bez wysokich wież krakingowych. W stacjach tych znajdują się dziesiątki zaworów zasuwowych, kulowych i zwrotnych.
Same rurociągi są projektowane zgodnie z różnymi normami i przepisami, natomiast zawory rurociągowe są zgodne z normą API 6D Pipeline Valves.
Istnieją również mniejsze rurociągi doprowadzające wodę i gaz do domów i budynków komercyjnych. Linie te są wyposażone w zawory odcinające.
Duże gminy, szczególnie w północnej części Stanów Zjednoczonych, dostarczają parę do ogrzewania odbiorców komercyjnych. Te linie zasilania parą są wyposażone w różnorodne zawory do sterowania i regulacji dopływu pary. Chociaż cieczą jest para, ciśnienia i temperatury są niższe niż w przypadku wytwarzania pary w elektrowniach. W tym systemie stosuje się różnorodne typy zaworów, choć popularnym wyborem jest nadal zawór czopowy.

RAFINERIA I PETROCHEMIA
Zawory rafineryjne stanowią większy segment zastosowań zaworów przemysłowych niż jakikolwiek inny segment zaworów. W rafineriach występują zarówno ciecze korozyjne, jak i w niektórych przypadkach wysokie temperatury.
Czynniki te determinują sposób konstrukcji zaworów zgodnie ze specyfikacjami projektowymi API, takimi jak API 600 (zasuwy), API 608 (zawory kulowe) i API 594 (zawory zwrotne). Ze względu na trudne warunki pracy, którym poddawane są wiele z tych zaworów, często wymagany jest dodatkowy margines korozji. Ten margines przejawia się w większych grubościach ścianek, określonych w dokumentach projektowych API.

Praktycznie każdy główny typ zaworu można znaleźć w dużych ilościach w typowej dużej rafinerii. Wszechobecny zawór zasuwowy nadal króluje na rynku i cieszy się największą popularnością, ale zawory ćwierćobrotowe zdobywają coraz większą część rynku. Produkty ćwierćobrotowe, które z powodzeniem podbijają tę branżę (w której kiedyś dominowały również produkty liniowe), to m.in. wysokowydajne zawory motylkowe z potrójnym offsetem oraz zawory kulowe z metalowym gniazdem.

Standardowe zawory zasuwowe, kulowe i zwrotne są nadal stosowane masowo i ze względu na solidną konstrukcję oraz ekonomikę produkcji, nie znikną z rynku w najbliższym czasie.
Zakres ciśnień zaworów rafineryjnych mieści się w przedziale od klasy 150 do klasy 1500, przy czym najpopularniejsza jest klasa 300.
Zwykłe stale węglowe, takie jak gatunek WCB (odlew) i A-105 (kute), to najpopularniejsze materiały stosowane w zaworach rafineryjnych. Wiele zastosowań w procesach rafinacji przekracza górne granice temperaturowe dla zwykłych stali węglowych, dlatego do takich zastosowań stosuje się stopy wysokotemperaturowe. Najpopularniejsze z nich to stale chromowo-molibdenowe, takie jak 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr i 9% Cr. W niektórych szczególnie wymagających procesach rafinacji stosuje się również stale nierdzewne i stopy wysokoniklowe.

CHEMICZNY
Przemysł chemiczny jest dużym użytkownikiem zaworów wszelkiego typu i materiałów. Od małych zakładów produkcyjnych po ogromne kompleksy petrochemiczne na wybrzeżu Zatoki Meksykańskiej, zawory stanowią istotną część systemów rurociągów w procesach chemicznych.

Większość zastosowań w procesach chemicznych charakteryzuje się niższym ciśnieniem niż w wielu procesach rafineryjnych i energetycznych. Najpopularniejsze klasy ciśnienia dla zaworów i rurociągów w zakładach chemicznych to klasy 150 i 300. Zakłady chemiczne odegrały również największą rolę w przejęciu przez zawory kulowe udziału w rynku, jakie w ciągu ostatnich 40 lat zawory kulowe wyparły zawory liniowe. Zawór kulowy z elastycznym gniazdem i szczelnym zamknięciem idealnie nadaje się do wielu zastosowań w zakładach chemicznych. Kompaktowy rozmiar zaworu kulowego również jest jego popularną cechą.
Nadal istnieją pewne zakłady chemiczne i procesy, w których preferowane są zawory liniowe. W takich przypadkach, popularne zawory zaprojektowane zgodnie z normą API 603, o cieńszych ściankach i mniejszej masie, są zazwyczaj preferowanym wyborem zaworów zasuwowych lub grzybkowych. Sterowanie niektórymi substancjami chemicznymi jest również skutecznie realizowane za pomocą zaworów membranowych lub zaciskowych.
Ze względu na korozyjny charakter wielu substancji chemicznych i procesów chemicznych, dobór materiałów jest kluczowy. Standardowym materiałem jest austenityczna stal nierdzewna gatunku 316/316L. Materiał ten doskonale sprawdza się w walce z korozją powodowaną przez wiele, niekiedy szkodliwych, płynów.

W przypadku niektórych bardziej korozyjnych zastosowań wymagana jest większa ochrona. W takich sytuacjach często wybierane są inne gatunki wysokowydajnej stali austenitycznej, takie jak 317, 347 i 321. Inne stopy stosowane od czasu do czasu w celu kontroli płynów chemicznych to Monel, Alloy 20, Inconel i 17-4 PH.

ROZDZIELANIE LNG I GAZU
Zarówno skroplony gaz ziemny (LNG), jak i procesy separacji gazu wymagają rozległych rurociągów. Zastosowania te wymagają zaworów, które mogą pracować w bardzo niskich temperaturach kriogenicznych. Branża LNG, która dynamicznie się rozwija w Stanach Zjednoczonych, stale dąży do modernizacji i udoskonalania procesu skraplania gazu. W tym celu rurociągi i zawory stały się znacznie większe, a wymagania dotyczące ciśnienia wzrosły.

Sytuacja ta zmusiła producentów zaworów do opracowania konstrukcji spełniających wyższe parametry. Zawory kulowe i motylkowe ćwierćobrotowe cieszą się popularnością w instalacjach LNG, a najpopularniejszym materiałem jest stal nierdzewna 316ss. Klasa ANSI 600 to standardowy górny limit ciśnienia dla większości zastosowań LNG. Chociaż najpopularniejszymi typami zaworów są zawory ćwierćobrotowe, w zakładach można również znaleźć zawory zasuwowe, grzybkowe i zwrotne.

Usługa separacji gazów polega na rozdzieleniu gazu na poszczególne pierwiastki. Na przykład, metody separacji powietrza pozwalają uzyskać azot, tlen, hel i inne gazy śladowe. Bardzo niska temperatura tego procesu oznacza, że ​​potrzeba wielu zaworów kriogenicznych.

Zarówno instalacje LNG, jak i instalacje separacji gazu posiadają zawory niskotemperaturowe, które muszą działać w tych kriogenicznych warunkach. Oznacza to, że układ uszczelnienia zaworu musi być odsunięty od płynu o niskiej temperaturze za pomocą kolumny gazowej lub kondensacyjnej. Kolumna gazowa zapobiega tworzeniu się bryły lodu wokół obszaru uszczelnienia, co uniemożliwiłoby obrót lub uniesienie się trzpienia zaworu.

BUDYNKI KOMERCYJNE
Budynki komercyjne otaczają nas zewsząd, ale jeśli nie przyjrzymy się uważnie ich budowie, nie będziemy w stanie dostrzec mnóstwa płynnych tętnic ukrytych w ich ścianach wykonanych z muru, szkła i metalu.

Wspólnym mianownikiem praktycznie każdego budynku jest woda. Wszystkie te obiekty zawierają różnorodne systemy rur transportujące wiele kombinacji związków wodoru i tlenu w postaci płynów pitnych, ścieków, ciepłej wody, szarej wody i systemów przeciwpożarowych.

Z punktu widzenia przetrwania budynku, systemy przeciwpożarowe są najważniejsze. 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 budynku. Systemy te są zaprojektowane tak, aby automatycznie się uruchamiały w przypadku pożaru.
W budynkach wysokich ciśnienie wody na najwyższych piętrach jest takie samo, jak na niższych, dlatego do pompowania wody w górę konieczne jest zastosowanie pomp wysokociśnieniowych i rur. Systemy rurowe mają zazwyczaj klasę 300 lub 600, w zależności od wysokości budynku. W tego typu zastosowaniach stosuje się wszystkie typy zaworów, jednak ich konstrukcja musi być zatwierdzona przez Underwriters Laboratories lub Factory Mutual w celu zapewnienia zasilania głównego systemu przeciwpożarowego.

Do dystrybucji wody pitnej stosuje się te same klasy i typy zaworów, co w przypadku zaworów przeciwpożarowych, choć proces zatwierdzania nie jest tak rygorystyczny.
Komercyjne systemy klimatyzacji stosowane w dużych budynkach komercyjnych, takich jak budynki biurowe, hotele i szpitale, są zazwyczaj scentralizowane. Posiadają one dużą jednostkę chłodzącą lub kocioł do chłodzenia lub podgrzewania płynu wykorzystywanego do transportu chłodu lub wysokiej temperatury. Systemy te często muszą obsługiwać czynniki chłodnicze, takie jak R-134a, fluorowęglowodór, lub w przypadku dużych systemów grzewczych, parę wodną. Ze względu na kompaktowe rozmiary zaworów motylkowych i kulowych, typy te stały się popularne w systemach chłodzenia HVAC.

W przypadku pary wodnej, niektóre zawory ćwierćobrotowe zyskały popularność, jednak wielu inżynierów hydrauliki nadal polega na liniowych zasuwach i zaworach grzybkowych, szczególnie jeśli rurociąg wymaga spawania doczołowego. W przypadku tych zastosowań z umiarkowaną ilością pary wodnej, stal zastąpiła żeliwo ze względu na jej spawalność.

Niektóre systemy grzewcze wykorzystują gorącą wodę zamiast pary wodnej jako czynnika przenoszącego. W takich systemach dobrze sprawdzają się zawory z brązu lub żeliwa. Zawory kulowe i motylkowe z elastycznym uszczelnieniem ćwierćobrotowym są bardzo popularne, choć nadal stosuje się niektóre konstrukcje liniowe.

WNIOSEK
Chociaż dowody na zastosowanie zaworów, o których mowa w tym artykule, mogą nie być widoczne podczas wizyty w Starbucksie czy u babci, zawsze w pobliżu znajdują się bardzo ważne zawory. W silniku samochodu znajdują się nawet zawory, które umożliwiają dotarcie do takich miejsc, jak zawory w gaźniku, które kontrolują przepływ paliwa do silnika, oraz zawory w silniku, które kontrolują przepływ benzyny do tłoków i z powrotem. A jeśli te zawory nie są wystarczająco blisko naszego codziennego życia, pomyślmy o tym, że nasze serca biją regularnie dzięki czterem kluczowym urządzeniom kontrolującym przepływ.

To jest kolejny przykład potwierdzający, że zawory są naprawdę wszędzie. VM
Część II tego artykułu omawia inne branże, w których stosuje się zawory. Odwiedź stronę www.valvemagazine.com, aby dowiedzieć się więcej o przemyśle celulozowo-papierniczym, zastosowaniach morskich, zaporach i elektrowniach wodnych, energii słonecznej, hutnictwie żelaza i stali, przemyśle lotniczym, geotermalnym oraz browarnictwie i gorzelnictwie rzemieślniczym.

GREG JOHNSON jest prezesem United Valve (www.unitedvalve.com) w Houston. Jest redaktorem współpracującym z magazynem VALVE, byłym przewodniczącym Valve Repair Council i obecnym członkiem zarządu VRC. Jest również członkiem Komitetu ds. Edukacji i Szkoleń VMA, wiceprzewodniczącym Komitetu ds. Komunikacji VMA i byłym prezesem Manufacturers Standardization Society.