Missä venttiilejä käytetään: Kaikkialla!

08. marraskuuta 2017 Kirjoittanut Greg Johnson

Venttiilejä löytyy nykyään lähes mistä tahansa: kodeistamme, katujen alta, liikerakennuksista ja tuhansista paikoista voima- ja vesilaitoksissa, paperitehtaissa, jalostamoissa, kemiantehtaissa ja muissa teollisuus- ja infrastruktuurilaitoksissa.
Venttiiliteollisuus on todella laaja-alainen, ja sen segmentit vaihtelevat vedenjakelusta ydinvoimaan sekä öljy- ja kaasuteollisuuden ylä- ja alavirtaan. Jokainen näistä loppukäyttäjäteollisuudenaloista käyttää joitakin perustyyppisiä venttiilejä, mutta niiden rakenne ja materiaalit ovat usein hyvin erilaisia. Tässä on esimerkki:

Vesilaitokset
Vesijakelussa paineet ovat lähes aina suhteellisen alhaiset ja lämpötilat ympäristön lämpötilat. Nämä kaksi sovelluskohtaista seikkaa mahdollistavat useita venttiilisuunnitteluelementtejä, joita ei löydy haastavammista laitteista, kuten korkean lämpötilan höyryventtiileistä. Vesijärjestelmän ympäristön lämpötila mahdollistaa elastomeerien ja kumitiivisteiden käytön, jotka eivät sovellu muualle. Nämä pehmeät materiaalit mahdollistavat vesiventtiilien varustamisen tiputusten tiivistämiseksi.

Toinen vesihuoltoventtiileissä huomioon otettava seikka on valmistusmateriaalien valinta. Valettua ja pallografiittivalurautaa käytetään laajasti vesijärjestelmissä, erityisesti suurikokoisissa putkissa. Hyvin pieniä putkia voidaan käsitellä varsin hyvin pronssisista venttiilimateriaaleista valmistetuilla materiaaleilla.

Useimpien vesilaitosventtiilien käsittelemät paineet ovat yleensä selvästi alle 200 psi:n. Tämä tarkoittaa, että paksuseinäisiä korkeamman paineen rakenteita ei tarvita. On kuitenkin tapauksia, joissa vesiventtiilit on rakennettu kestämään korkeampia paineita, jopa noin 300 psi:iin asti. Näitä sovelluksia ovat yleensä pitkiä vesijohtoja lähellä painelähdettä. Joskus korkeamman paineen vesiventtiilejä löytyy myös korkean padon korkeimmista painekohdista.

American Water Works Association (AWWA) on julkaissut spesifikaatiot, jotka kattavat monia erityyppisiä venttiilejä ja toimilaitteita, joita käytetään vesilaitossovelluksissa.

JÄTEVESI
Laitoksiin tai rakenteisiin menevän makean juomaveden kääntöpuoli on jätevesi- tai viemärivirtaus. Nämä putket keräävät kaikki jätevedet ja kiinteät aineet ja ohjaavat ne jätevedenpuhdistamoon. Näissä käsittelylaitoksissa on paljon matalapaineputkistoja ja venttiilejä "likaisen työnsä" suorittamiseksi. Jätevesiventtiileille asetetut vaatimukset ovat monissa tapauksissa paljon lievemmät kuin puhtaan veden käsittelylle asetetut vaatimukset. Rautaportti- ja takaiskuventtiilit ovat suosituimpia vaihtoehtoja tämän tyyppiseen palveluun. Tämän palvelun vakioventtiilit on rakennettu AWWA-spesifikaatioiden mukaisesti.

ENERGIATEOLLISUUS
Suurin osa Yhdysvalloissa tuotetusta sähköstä tuotetaan fossiilisia polttoaineita ja suurnopeuksisia turbiineja käyttävissä höyrylaitoksissa. Nykyaikaisen voimalaitoksen kannen avaaminen antaisi kuvan korkeapaineisista ja korkean lämpötilan putkistojärjestelmistä. Nämä päälinjat ovat kriittisimpiä höyryvoiman tuotantoprosessissa.

Sulkuventtiilit ovat edelleen ensisijainen valinta voimalaitosten päälle/pois-sovelluksissa, vaikka saatavilla on myös erikoistarkoituksiin tarkoitettuja Y-kuvioisia sulkuventtiilejä. Korkean suorituskyvyn omaavat, kriittisiin tarkoituksiin tarkoitetut kuulaventtiilit ovat kasvattaneet suosiotaan joidenkin voimalaitossuunnittelijoiden keskuudessa ja tekevät jalansijaa tässä aiemmin lineaaristen venttiilien hallitsemassa maailmassa.

Metallurgia on kriittistä voimalaitossovellusten venttiileille, erityisesti niille, jotka toimivat superkriittisillä tai ultrasuperkriittisillä paine- ja lämpötila-alueilla. Nykypäivän voimalaitoksissa käytetään yleisesti F91-, F92- ja C12A-teräksiä sekä useita Inconel- ja ruostumattomasta teräksestä valmistettuja seoksia. Paineluokat ovat 1500, 2500 ja joissakin tapauksissa 4500. Huippuvoimalaitosten (jotka toimivat vain tarvittaessa) moduloiva luonne rasittaa myös venttiilejä ja putkistoja valtavasti, mikä vaatii kestäviä rakenteita äärimmäisten syklien, lämpötilan ja paineen yhdistelmien käsittelemiseksi.
Päähöyryventtiilien lisäksi voimalaitoksissa on apuputkistoja, joissa on lukemattomia luisti-, istukka-, takaisku-, läppä- ja palloventtiilejä.

Ydinvoimalaitokset toimivat samalla höyry/nopea turbiini -periaatteella. Ensisijainen ero on, että ydinvoimalaitoksessa höyry syntyy fissioprosessin lämmöstä. Ydinvoimalaitosten venttiilit ovat samanlaisia kuin fossiilisia polttoaineita käyttävät serkkunsa, lukuun ottamatta niiden alkuperää ja ehdottoman luotettavuuden vaatimusta. Ydinvoimalaitosten venttiilit valmistetaan erittäin korkeiden standardien mukaisesti, ja hyväksyntä- ja tarkastusdokumentaatio täyttää satoja sivuja.

ÖLJYN JA KAASUN TUOTANTO
Öljy- ja kaasukaivot sekä tuotantolaitokset käyttävät paljon venttiilejä, mukaan lukien monia raskaita venttiilejä. Vaikka öljynpurkaukset satojen metrien korkeuteen ilmaan eivät ole enää todennäköisiä, kuva havainnollistaa maanalaisen öljyn ja kaasun mahdollista painetta. Siksi kaivon pitkän putkiston päälle asetetaan kaivon suutin tai joulukuusia. Nämä kokoonpanot, joissa on venttiilien ja erikoisliittimien yhdistelmä, on suunniteltu kestämään yli 10 000 psi:n paineen. Vaikka niitä esiintyy harvoin maalle kaivetuissa kaivoissa nykyään, erittäin korkeita paineita esiintyy usein syvissä avomerikaivoissa.

Kaivonpään laitteiden suunnittelua käsitellään API-spesifikaatioissa, kuten 6A, Spesifikaatio kaivonpää- ja joulukuusilaitteisiin. 6A:ssa käsitellyt venttiilit on suunniteltu erittäin korkeille paineille, mutta kohtuullisille lämpötiloille. Useimmissa joulukuusissa on sulkuventtiilit ja erityiset istukkaventtiilit, joita kutsutaan kuristimiksi. Kuristimia käytetään kaivosta tulevan virtauksen säätämiseen.

Öljy- tai kaasukentillä on itse porausreikien lisäksi monia apulaitteita. Öljyn tai kaasun esikäsittelyyn tarkoitetut prosessilaitteet vaativat useita venttiilejä. Nämä venttiilit ovat yleensä hiiliterästä, joka on luokiteltu alempaan luokkaan.

Raakaöljyvirrassa on toisinaan erittäin syövyttävää nestettä – rikkivetyä. Tämä materiaali, jota kutsutaan myös hapankaasuksi, voi olla tappavaa. Hapankaasun haasteiden voittamiseksi on noudatettava NACE International -spesifikaation MR0175 mukaisia erikoismateriaaleja tai materiaalinkäsittelytekniikoita.

OFFSHORE-TEOLLISUUS
Offshore-öljynporauslauttojen ja tuotantolaitosten putkistojärjestelmät sisältävät useita erilaisia venttiilejä, jotka on rakennettu erilaisten virtauksensäätöhaasteiden käsittelemiseksi. Näissä laitoksissa on myös erilaisia säätöjärjestelmäsilmukoita ja paineenalennuslaitteita.

Öljyntuotantolaitoksissa valtimon sydän on varsinainen öljyn tai kaasun talteenottoputkisto. Vaikka se ei aina sijaitse itse öljynporauslautalla, monet tuotantojärjestelmät käyttävät joulukuusia ja putkistojärjestelmiä, jotka toimivat jopa 3 000 metrin tai sitä korkeammissa syvyyksissä. Nämä tuotantolaitteet on rakennettu monien tiukkojen American Petroleum Instituten (API) standardien mukaisesti, ja niihin viitataan useissa API:n suositelluissa käytännöissä (RP).

Useimmilla suurilla öljynporauslautoilla porausreiästä tulevaan raakanesteeseen sovelletaan lisäprosesseja. Näihin kuuluvat veden erottaminen hiilivedyistä sekä kaasun ja maakaasun nesteiden erottaminen nestevirrasta. Nämä joulukuusen jälkeiset putkistojärjestelmät rakennetaan yleensä American Society of Mechanical Engineers B31.3 -putkistomääräysten mukaisesti, ja venttiilit suunnitellaan API-venttiilispesifikaatioiden, kuten API 594, API 600, API 602, API 608 ja API 609, mukaisesti.

Joissakin näistä järjestelmistä voi olla myös API 6D -luisti-, kuula- ja takaiskuventtiilejä. Koska kaikki porauslautan tai porausaluksen putkistot ovat laitoksen sisäisiä, API 6D -venttiilien käyttöä putkistoissa koskevat tiukat vaatimukset eivät koske niitä. Vaikka näissä putkistojärjestelmissä käytetään useita venttiilityyppejä, valittu venttiilityyppi on kuulaventtiili.

PUTKISTOT
Vaikka useimmat putkilinjat ovat piilossa, niiden läsnäolo on yleensä ilmeinen. Pienet kyltit, joissa lukee "öljyputki", ovat yksi selvä osoitus maanalaisten siirtoputkien olemassaolosta. Nämä putkilinjat on varustettu monilla tärkeillä venttiileillä koko pituudeltaan. Putkien hätäsulkuventtiilejä löytyy standardien, määräysten ja lakien määrittelemin välein. Nämä venttiilit palvelevat elintärkeää tehtävää eristää putkilinjan osa vuodon sattuessa tai huoltotoimenpiteiden yhteydessä.

Putkilinjan reitillä on myös hajallaan laitoksia, joissa putkilinja nousee maan pinnalle ja joihin putkilinjaan on pääsy. Näillä asemilla sijaitsee tarkastuslaitteiden laukaisulaitteisto, joka koostuu putkistoon asennetuista laitteista, joilla joko tarkastetaan tai puhdistetaan putkilinja. Näissä tarkastuslaitteiden laukaisuasemissa on yleensä useita venttiilejä, joko luisti- tai palloventtiilejä. Kaikkien putkistojärjestelmän venttiilien on oltava täysaukkoisia, jotta tarkastuslaitteet pääsevät kulkemaan.

Putkistot tarvitsevat energiaa myös putkiston kitkan torjumiseksi ja linjan paineen ja virtauksen ylläpitämiseksi. Käytetään kompressori- tai pumppausasemia, jotka näyttävät pieniltä versioilta prosessilaitoksesta ilman korkeita krakkaustorneja. Näissä asemissa on kymmeniä luisti-, kuula- ja takaiskuventtiilejä putkistossa.
Itse putkistot on suunniteltu erilaisten standardien ja määräysten mukaisesti, kun taas putkistoventtiilit noudattavat API 6D -putkistoventtiilejä.
On myös pienempiä putkistoja, jotka syöttävät vettä koteihin ja liikerakennuksiin. Nämä linjat toimittavat vettä ja kaasua, ja niitä suojaavat sulkuventtiilit.
Suuret kunnat, erityisesti Yhdysvaltojen pohjoisosassa, tarjoavat höyryä kaupallisten asiakkaiden lämmitystarpeisiin. Nämä höyrynsyöttölinjat on varustettu erilaisilla venttiileillä höyrynsyötön ohjaamiseksi ja säätämiseksi. Vaikka neste on höyryä, paineet ja lämpötilat ovat alhaisemmat kuin voimalaitosten höyryntuotannossa. Tässä palvelussa käytetään useita erityyppisiä venttiilejä, vaikka arvostettu tulppaventtiili on edelleen suosittu valinta.

JALOSTAMO JA PETROKEMIAN TEOLLISUUS
Jalostamoissa käytetään teollisuudessa enemmän venttiilejä kuin missään muussa venttiilisegmentissä. Jalostamoissa esiintyy sekä syövyttäviä nesteitä että joissakin tapauksissa korkeita lämpötiloja.
Nämä tekijät sanelevat, miten venttiilit rakennetaan API-venttiilien suunnitteluvaatimusten, kuten API 600 (läppäventtiilit), API 608 (palloventtiilit) ja API 594 (takaiskuventtiilit), mukaisesti. Koska monet näistä venttiileistä kohtaavat vaativia käyttöolosuhteita, tarvitaan usein ylimääräistä korroosiovaraa. Tämä vara ilmenee suurempina seinämänpaksuuksina, jotka on määritelty API-suunnitteluasiakirjoissa.

Lähes kaikkia tärkeimpiä venttiilityyppejä löytyy runsaasti tyypillisestä suuresta jalostamosta. Kaikkialla läsnä oleva luistiventtiili on edelleen kukkulan kuningas ja sillä on eniten käyttäjiä, mutta neljänneskierrosventtiilit valtaavat yhä suuremman osan markkinaosuudestaan. Neljänneskierrosventtiilit, jotka ovat tehneet menestystä tällä toimialalla (jota aikoinaan hallitsivat myös lineaariset tuotteet), sisältävät tehokkaita kolmoiseksoffset-läppäventtiilejä ja metallitiivisteisiä palloventtiilejä.

Tavallisia sulku-, pallo- ja takaiskuventtiilejä löytyy edelleen joukoittain, eivätkä ne katoa markkinoilta lähitulevaisuudessa niiden rakenteen ja valmistuksen taloudellisuuden vuoksi.
Jalostamoventtiilien paineluokat vaihtelevat luokasta 150 luokkaan 1500, ja luokka 300 on suosituin.
Jalostamoissa käytettävien venttiilien valmistuksessa käytetyt suosituimmat materiaalit ovat valkoiset hiiliteräkset, kuten WCB-teräs (valettu) ja A-105-teräs (taottu). Monet jalostusprosessien sovellukset ylittävät valkoisten hiiliterästen lämpötilan ylärajat, ja näihin sovelluksiin suositellaan korkeamman lämpötilan seoksia. Näistä suosituimpia ovat kromi-/molybdeeniteräkset, kuten 1-1/4 % Cr, 2-1/4 % Cr, 5 % Cr ja 9 % Cr. Myös ruostumattomia teräksiä ja runsasnikkelisiä seoksia käytetään joissakin erityisen vaativissa jalostusprosesseissa.

KEMIKAALI
Kemianteollisuus on kaikenlaisten ja -materiaalisten venttiilien suuri käyttäjä. Pienistä erätehtaista valtaviin petrokemian komplekseihin Meksikonlahden rannikolla, venttiilit ovat valtava osa kemiallisten prosessien putkistojärjestelmiä.

Useimmat kemianteollisuuden sovellukset ovat paineeltaan alhaisempia kuin monet jalostusprosessit ja energiantuotanto. Kemiantehtaiden venttiilien ja putkistojen suosituimmat paineluokat ovat luokat 150 ja 300. Kemiantehtaat ovat myös olleet suurin tekijä markkinaosuuksien valtauksessa, jonka palloventtiilit ovat paenneet lineaariventtiileiltä viimeisten 40 vuoden aikana. Joustava tiivisteinen palloventtiili, jossa on vuotamaton sulkutoiminto, sopii täydellisesti moniin kemiantehtaiden sovelluksiin. Myös palloventtiilin kompakti koko on suosittu ominaisuus.
On edelleen joitakin kemiantehtaita ja tehdasprosesseja, joissa lineaariventtiilejä suositaan. Näissä tapauksissa suositut API 603 -standardin mukaiset venttiilit, joissa on ohuemmat seinämät ja kevyempi paino, ovat yleensä valittuja luisti- tai istukkaventtiilejä. Joidenkin kemikaalien säätö onnistuu tehokkaasti myös kalvo- tai puristusventtiileillä.
Koska monet kemikaalit ja kemikaalien valmistusprosessit ovat syövyttäviä, materiaalin valinta on kriittistä. Käytännössä materiaali on austeniittista ruostumatonta terästä 316/316L. Tämä materiaali toimii hyvin useiden joskus ikävien nesteiden aiheuttaman korroosion torjunnassa.

Joissakin vaativammissa korroosiota aiheuttavissa sovelluksissa tarvitaan enemmän suojaa. Näissä tilanteissa valitaan usein muita austeniittisen ruostumattoman teräksen korkean suorituskyvyn laatuja, kuten 317, 347 ja 321. Muita seoksia, joita käytetään ajoittain kemiallisten nesteiden säätöön, ovat monel, alloy 20, inconel ja 17-4 PH.

LNG:N JA KAASUN EROTUS
Sekä nesteytetty maakaasu (LNG) että kaasun erotteluun tarvittavat prosessit edellyttävät laajaa putkistoa. Nämä sovellukset vaativat venttiilejä, jotka voivat toimia erittäin alhaisissa kryogeenisissä lämpötiloissa. Yhdysvalloissa nopeasti kasvava LNG-teollisuus pyrkii jatkuvasti päivittämään ja parantamaan kaasun nesteytysprosessia. Tätä varten putkistot ja venttiilit ovat kasvaneet huomattavasti ja painevaatimukset ovat nousseet.

Tämä tilanne on vaatinut venttiilivalmistajia kehittämään malleja, jotka täyttävät tiukemmat parametrit. Neljänneskierrosventtiilit pallo- ja läppäventtiilit ovat suosittuja LNG-käytössä, ja 316ss [ruostumaton teräs] on suosituin materiaali. ANSI-luokka 600 on tavanomainen painekatto useimmissa LNG-sovelluksissa. Vaikka neljänneskierrosventtiilit ovat suosituimpia venttiilityyppejä, tehtailla on saatavilla myös luisti-, istukka- ja takaiskuventtiilejä.

Kaasunerotuspalvelussa kaasu jaetaan yksittäisiin perusalkuaineisiinsa. Esimerkiksi ilmaerotusmenetelmät tuottavat typpeä, happea, heliumia ja muita jälkikaasuja. Prosessin erittäin matalan lämpötilan vuoksi tarvitaan useita kryogeenisiä venttiilejä.

Sekä LNG- että kaasunerotuslaitoksissa on matalan lämpötilan venttiilit, joiden on pysyttävä toiminnassa näissä kryogeenisissä olosuhteissa. Tämä tarkoittaa, että venttiilin pakkausjärjestelmä on nostettava pois matalan lämpötilan nesteestä kaasu- tai lauhdutuspatsaan avulla. Tämä kaasupatsas estää nestettä muodostamasta jääkakkua pakkausalueen ympärille, mikä estäisi venttiilin vartta kääntymästä tai nousemasta.

LIIKERAKENNUKSIA
Liikerakennukset ympäröivät meitä, mutta ellemme kiinnitä tarkkaa huomiota niiden rakentamiseen, meillä on vain vähän aavistustakaan niiden muurattujen, lasisten ja metallisten seinien sisällä piilevistä lukuisista nestemäisistä valtimoista.

Yhteinen nimittäjä käytännössä jokaisessa rakennuksessa on vesi. Kaikissa näissä rakenteissa on erilaisia putkistoja, jotka kuljettavat monia vety/happi-yhdisteiden yhdistelmiä juomakelpoisten nesteiden, jäteveden, kuuman veden, harmaan veden ja palosuojauksen muodossa.

Rakennuksen selviytymisen kannalta palojärjestelmät ovat kriittisimpiä. Rakennusten palosuojeluun käytetään lähes kaikkialla puhdasta vettä. Jotta sammutusvesijärjestelmät olisivat tehokkaita, niiden on oltava luotettavia, niissä on oltava riittävä paine ja ne on sijaittava kätevästi koko rakenteessa. Nämä järjestelmät on suunniteltu aktivoitumaan automaattisesti tulipalon sattuessa.
Korkeat rakennukset tarvitsevat saman vedenpaineen ylimmissä kerroksissa kuin alimmissakin, joten veden nostamiseksi ylöspäin on käytettävä korkeapainepumppuja ja -putkistoja. Putkistojärjestelmät ovat yleensä luokkaa 300 tai 600 rakennuksen korkeudesta riippuen. Näissä sovelluksissa käytetään kaikenlaisia venttiilejä; venttiilien suunnittelulla on kuitenkin oltava Underwriters Laboratoriesin tai Factory Mutualin hyväksyntä paloputkistoa varten.

Samoja venttiililuokkia ja -tyyppejä kuin palopalveluventtiileissä käytetään myös juomaveden jakelussa, vaikka hyväksyntäprosessi ei olekaan yhtä tiukka.
Suurissa liikerakennuksissa, kuten toimistorakennuksissa, hotelleissa ja sairaaloissa, käytettävät kaupalliset ilmastointijärjestelmät ovat yleensä keskitettyjä. Niissä on suuri jäähdytysyksikkö tai kattila kylmän tai korkean lämpötilan siirtämiseen käytettävän nesteen jäähdyttämiseen tai lämmittämiseen. Näiden järjestelmien on usein käsiteltävä kylmäaineita, kuten R-134a:ta, fluorihiilivetyä tai suurten lämmitysjärjestelmien tapauksessa höyryä. Läppä- ja palloventtiilien kompaktin koon ansiosta näistä tyypeistä on tullut suosittuja LVI-jäähdytysjärjestelmissä.

Höyrypuolella jotkut neljänneskierroksen venttiilit ovat tehneet jalansijaa käytössä, mutta monet LVI-insinöörit luottavat edelleen lineaarisiin luisti- ja istukkaventtiileihin, erityisesti jos putkisto vaatii hitsausliitoksia. Näissä kohtalaisen höyryn sovelluksissa teräs on korvannut valuraudan teräksen hitsattavuuden ansiosta.

Joissakin lämmitysjärjestelmissä käytetään siirtonesteenä kuumaa vettä höyryn sijaan. Näissä järjestelmissä pronssi- tai rautaventtiilit toimivat hyvin. Neljänneskierroksella toimivat joustavasti istuvat pallo- ja läppäventtiilit ovat erittäin suosittuja, vaikka joitakin lineaarisia malleja käytetään edelleen.

JOHTOPÄÄTÖS
Vaikka tässä artikkelissa mainittujen venttiilien sovellusten todisteita ei ehkä ole nähtävissä Starbucks-reissulla tai mummon luona, jotkin erittäin tärkeät venttiilit ovat aina lähellä. Auton moottorissa on jopa venttiilejä, joita käytetään näihin paikkoihin pääsemiseen, kuten kaasuttimessa olevat venttiilit, jotka säätelevät polttoaineen virtausta moottoriin, ja moottorissa olevat venttiilit, jotka säätelevät bensiinin virtausta mäntiin ja takaisin ulos. Ja jos nämä venttiilit eivät ole tarpeeksi lähellä jokapäiväistä elämäämme, mieti sitä tosiasiaa, että sydämemme lyö säännöllisesti neljän elintärkeän virtauksenohjauslaitteen kautta.

Tämä on vain yksi esimerkki siitä todellisuudesta, että venttiilejä on todella kaikkialla. VM
Tämän artikkelin II osa käsittelee muita teollisuudenaloja, joilla venttiilejä käytetään. Osoitteessa www.valvemagazine.com on tietoa sellu- ja paperiteollisuudesta, merisovelluksista, pato- ja vesivoimasta, aurinko-, rauta- ja terästeollisuudesta, ilmailusta, maalämpöstä sekä pienpanimo- ja tislaamosta.

GREG JOHNSON on United Valven (www.unitedvalve.com) puheenjohtaja Houstonissa. Hän on VALVE Magazinen avustava toimittaja, Valve Repair Councilin entinen puheenjohtaja ja nykyinen VRC:n hallituksen jäsen. Hän toimii myös VMA:n koulutus- ja valmennuskomiteassa, on VMA:n viestintäkomitean varapuheenjohtaja ja Manufacturers Standardization Societyn entinen puheenjohtaja.