היכן משתמשים בשסתומים: בכל מקום!

08 נובמבר 2017 נכתב על ידי גרג ג'ונסון

ניתן למצוא שסתומים כמעט בכל מקום כיום: בבתים שלנו, מתחת לרחוב, בבניינים מסחריים ובאלפי מקומות בתוך תחנות כוח ומים, מפעלי נייר, בתי זיקוק, מפעלים כימיים ומתקני תעשייה ותשתית אחרים.
תעשיית השסתומים היא באמת רחבת כתפיים, עם מגזרים הנעים בין חלוקת מים לאנרגיה גרעינית ועד נפט וגז במעלה ובמורד הזרם. כל אחת מתעשיות המשתמשים הסופיות הללו משתמשת בכמה סוגים בסיסיים של שסתומים; עם זאת, פרטי הבנייה והחומרים לרוב שונים מאוד. הנה דוגמה:

עבודות מים
בעולם חלוקת המים, הלחצים כמעט תמיד נמוכים יחסית והטמפרטורות סביבתיות. שתי עובדות יישום אלו מאפשרות מספר אלמנטים של עיצוב שסתומים שלא יימצאו בציוד מאתגר יותר, כגון שסתומי קיטור בטמפרטורה גבוהה. טמפרטורת הסביבה של שירות המים מאפשרת שימוש באלסטומרים ואטמי גומי שאינם מתאימים במקומות אחרים. חומרים רכים אלה מאפשרים לצייד שסתומי מים באטימת טפטופים בצורה הדוקה.

שיקול נוסף בברזי שירות מים הוא בחירת חומרי הבנייה. ברזל יצוק וברזל רקיע נמצאים בשימוש נרחב במערכות מים, במיוחד בקוטר חיצוני גדול בקוטרים גדולים. ניתן לטפל היטב בקווים קטנים מאוד בעזרת חומרי ברזונה.

הלחצים שרוב שסתומי מפעלי המים רואים הם בדרך כלל הרבה מתחת ל-200 psi. משמעות הדבר היא שאין צורך בעיצובים בעלי דופן עבה יותר ללחץ גבוה יותר. עם זאת, ישנם מקרים בהם שסתומי מים בנויים להתמודד עם לחצים גבוהים יותר, עד כ-300 psi. יישומים אלה הם בדרך כלל על אמות מים ארוכות הקרובות למקור הלחץ. לעיתים שסתומי מים בלחץ גבוה יותר נמצאים גם בנקודות הלחץ הגבוה ביותר בסכר גבוה.

איגוד עבודות המים האמריקאי (AWWA) פרסם מפרטים המכסים סוגים רבים ושונים של שסתומים ומפעילים המשמשים ביישומי עבודות מים.

שפכים
הצד השני של מי שתייה טריים הנכנסים למתקן או מבנה הוא יציאת מי השפכים או הביוב. קווים אלה אוספים את כל נוזלי השפכים והמוצקים ומפנים אותם למתקן טיהור שפכים. מתקני טיהור אלה כוללים הרבה צנרת ושסתומים בלחץ נמוך כדי לבצע את "העבודה המלוכלכת" שלהם. הדרישות לשסתומי שפכים במקרים רבים מקלות בהרבה מהדרישות לשירות מים נקיים. שסתומי שער ברזל ושסתומי אל-חזור הם הבחירות הפופולריות ביותר עבור סוג זה של שירות. שסתומים סטנדרטיים בשירות זה בנויים בהתאם למפרטי AWWA.

תעשיית החשמל
רוב החשמל המופק בארצות הברית מופק בתחנות קיטור המשתמשות בדלקים מאובנים וטורבינות במהירות גבוהה. קילוף המכסה של תחנת כוח מודרנית ייתן תמונה של מערכות צנרת בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה. קווים ראשיים אלה הם הקריטיים ביותר בתהליך ייצור הכוח בקיטור.

שסתומי שער נותרו בחירה עיקרית עבור יישומי הפעלה/כיבוי של תחנות כוח, אם כי ניתן למצוא גם שסתומי כדור בצורת Y למטרות מיוחדות. שסתומי כדור בעלי ביצועים גבוהים לשירות קריטי צוברים פופולריות בקרב כמה מתכנני תחנות כוח ועושים פריצת דרך בעולם זה, שבעבר נשלט על ידי שסתומים ליניאריים.

מטלורגיה היא קריטית עבור שסתומים ביישומי חשמל, במיוחד אלו הפועלים בטווחי פעולה סופר-קריטיים או אולטרה-סופר-קריטיים של לחץ וטמפרטורה. F91, F92, C12A, יחד עם מספר סגסוגות אינקונל ופלדת אל-חלד, נמצאים בשימוש נפוץ בתחנות כוח של ימינו. קטגוריות הלחץ כוללות 1500, 2500 ובמקרים מסוימים 4500. האופי המווסת של תחנות כוח שיא (אלה הפועלות רק לפי הצורך) מפעיל גם עומס עצום על שסתומים וצנרת, ודורשים עיצובים חזקים להתמודדות עם השילוב הקיצוני של מחזורי לחץ, טמפרטורה ולחץ.
בנוסף לשסתומי הקיטור העיקריים, תחנות כוח עמוסות בצינורות נלווים, המאוכלסים על ידי מגוון רחב של שסתומי סורג, שסתומי גלוב, שסתומי אל-חזור, שסתומי פרפר ושסתומי כדור.

תחנות כוח גרעיניות פועלות על אותו עיקרון של קיטור/טורבינה במהירות גבוהה. ההבדל העיקרי הוא שבתחנת כוח גרעינית, הקיטור נוצר על ידי חום מתהליך הביקוע. שסתומי תחנות כוח גרעיניות דומים לבני דודיהם המונעים בדלק מאובנים, למעט ייחוסם והדרישה הנוספת לאמינות מוחלטת. שסתומים גרעיניים מיוצרים בסטנדרטים גבוהים ביותר, כאשר מסמכי האישור והבדיקה ממלאים מאות עמודים.

ייצור נפט וגז
בארות נפט וגז ומתקני ייצור משתמשים כבדים בשסתומים, כולל שסתומים כבדים רבים. למרות שפליטי נפט המתנפצים מאות מטרים באוויר אינם צפויים עוד, התמונה ממחישה את הלחץ הפוטנציאלי של נפט וגז תת-קרקעיים. זו הסיבה שראשי בארות או עצי חג המולד ממוקמים בראש שרשרת הצינורות הארוכה של הבאר. מכלולים אלה, עם שילוב של שסתומים ואביזרים מיוחדים, נועדו להתמודד עם לחצים של למעלה מ-10,000 psi. בעוד שהם נדירים בבארות שנחפרו ביבשה בימינו, לחצים גבוהים קיצוניים נמצאים לעתים קרובות בבארות עמוקות ימיות.

תכנון ציוד ראשי באר מכוסה על ידי מפרטי API כגון 6A, מפרט עבור ציוד ראשי באר ועצי חג המולד. השסתומים המכוסים ב-6A מיועדים ללחצים גבוהים במיוחד אך לטמפרטורות מתונות. רוב עצי חג המולד מכילים שסתומי סף ושסתומי כדור מיוחדים הנקראים חונקים. החנקים משמשים לוויסות הזרימה מהבאר.

בנוסף לראשי הבארות עצמם, מתקנים נלווים רבים מאכלסים שדה נפט או גז. ציוד תהליך לטיפול מקדים בנפט או בגז דורש מספר שסתומים. שסתומים אלה עשויים בדרך כלל מפלדת פחמן המדורגת לקטגוריות נמוכות יותר.

לעיתים, נוזל קורוזיבי ביותר - מימן גופרתי - קיים בזרם הנפט הגולמי. חומר זה, המכונה גם גז חמוץ, יכול להיות קטלני. כדי להתגבר על אתגרי הגז החמוץ, יש לפעול לפי חומרים מיוחדים או טכניקות עיבוד חומרים בהתאם למפרט הבינלאומי של NACE MR0175.

תעשייה ימית
מערכות הצנרת עבור אסדות קידוח ומתקני ייצור ימיים מכילות מגוון רחב של שסתומים הבנויים לפי מפרטים רבים ושונים כדי להתמודד עם מגוון רחב של אתגרי בקרת זרימה. מתקנים אלה מכילים גם לולאות מערכות בקרה שונות והתקני הקלה בלחץ.

עבור מתקני ייצור נפט, הלב העורקי הוא מערכת צנרת הוצאת הנפט או הגז בפועל. למרות שלא תמיד נמצאת בפלטפורמה עצמה, מערכות ייצור רבות משתמשות בעצי חג המולד ובמערכות צנרת הפועלות בעומקים בלתי אפשריים של 10,000 רגל או יותר. ציוד ייצור זה בנוי על פי סטנדרטים מחמירים רבים של המכון האמריקאי לנפט (API) ומופיע במספר נהלים מומלצים של ה-API (RPs).

ברוב פלטפורמות הנפט הגדולות, תהליכים נוספים מיושמים על הנוזל הגולמי המגיע מראש הבאר. אלה כוללים הפרדת מים מהפחמימנים והפרדת נוזלי גז וגז טבעי מזרם הנוזל. מערכות צנרת אלו, המיוצרות לאחר תחילת ייצור עץ חג המולד, בנויות בדרך כלל לפי תקנות הצנרת B31.3 של האגודה האמריקאית למהנדסי מכונות, כאשר השסתומים מתוכננים בהתאם למפרטי שסתומי API כגון API 594, API 600, API 602, API 608 ו-API 609.

חלק ממערכות אלו עשויות להכיל גם שסתומי שער, שסתומי כדור ושסתומי אל-חזור API 6D. מכיוון שכל הצינורות בפלטפורמה או בספינת הקידוח נמצאים בתוך המתקן, הדרישות המחמירות לשימוש בשסתומי API 6D עבור צינורות אינן חלות. למרות שסוגי שסתומים מרובים משמשים במערכות צנרת אלו, סוג השסתום המועדף הוא שסתום כדורי.

צינורות
למרות שרוב הצינורות נסתרים מהעין, נוכחותם בדרך כלל ניכרת. שלטים קטנים המציינים "צינור נפט" הם אינדיקציה ברורה לנוכחות צינורות הובלה תת-קרקעיים. צינורות אלה מצוידים בשסתומים חשובים רבים לכל אורכם. שסתומי סגירה חירום של צינורות נמצאים במרווחים כפי שצוין בתקנים, קוד וחוק. שסתומים אלה משמשים את השירות החיוני של בידוד קטע צינור במקרה של דליפה או כאשר נדרשת תחזוקה.

לאורך תוואי הצינור פזורים גם מתקנים שבהם הצינור יוצא מהקרקע וגישה אליו זמינה. תחנות אלו משמשות כבית לציוד שיגור "חזירי", המורכב ממכשירים המוחדרים לצינורות כדי לבדוק או לנקות את הקו. תחנות שיגור "חזירי" אלו מכילות בדרך כלל מספר שסתומים, מסוג שער או כדור. כל השסתומים במערכת הצינורות חייבים להיות בעלי פתח מלא (פתיחה מלאה) כדי לאפשר מעבר של "חזירי" (Pigs).

צינורות זקוקים גם לאנרגיה כדי להתמודד עם החיכוך של הצינור ולשמור על הלחץ והזרימה בקו. נעשה שימוש בתחנות מדחס או שאיבה שנראות כמו גרסאות קטנות של מפעל תהליך ללא מגדלי הסדק הגבוהים. תחנות אלה מכילות עשרות שסתומי סגר, שסתומי כדור ושסתומי אל-חזור בצינור.
הצינורות עצמם מתוכננים בהתאם לתקנים וקודים שונים, בעוד שסתומי הצינור פועלים לפי שסתומי הצינור API 6D.
ישנם גם צינורות קטנים יותר המוזנים לבתים ומבנים מסחריים. קווים אלה מספקים מים וגז ומאובטחים על ידי שסתומי סגירה.
רשויות מקומיות גדולות, במיוחד בחלק הצפוני של ארצות הברית, מספקות קיטור לצורכי חימום של לקוחות מסחריים. קווי אספקת קיטור אלה מצוידים במגוון שסתומים לשליטה וויסות אספקת הקיטור. למרות שהנוזל הוא קיטור, הלחצים והטמפרטורות נמוכים מאלה המצויים בייצור קיטור בתחנות כוח. מגוון סוגי שסתומים משמשים בשירות זה, אם כי שסתום התקע המכובד עדיין בחירה פופולרית.

בית זיקוק ופטרוכימיה
שסתומי בתי זיקוק מהווים שימוש רב יותר בשסתומים תעשייתיים מכל פלח שסתומים אחר. בתי זיקוק הם ביתם של נוזלים קורוזיביים ובמקרים מסוימים, טמפרטורות גבוהות.
גורמים אלה מכתיבים כיצד בונים שסתומים בהתאם למפרטי תכנון שסתומים של API כגון API 600 (שסתומי שער), API 608 (שסתומי כדור) ו-API 594 (שסתומי אל-חזור). בשל השירות הקשה שעוברים רבים משסתומים אלה, נדרשת לעתים קרובות תוספת קורוזיה. תוספת זו מתבטאת בעובי דופן גדול יותר המצוין במסמכי התכנון של API.

כמעט כל סוג שסתומים עיקרי ניתן למצוא בשפע בבית זיקוק גדול טיפוסי. שסתום השער הנפוץ הוא עדיין מלך ההר עם האוכלוסייה הגדולה ביותר, אך שסתומי רבע סיבוב תופסים נתח שוק הולך וגדל שלהם. מוצרי רבע הסיבוב שזוכים לפריצה מוצלחת בתעשייה זו (שבעבר נשלטה גם על ידי מוצרים ליניאריים) כוללים שסתומי פרפר בעלי ביצועים גבוהים בעלי אופסט משולש ושסתומי כדור בעלי מושב מתכת.

שסתומי שער, שסתומי גלובוס ושסתומי אל-חזור סטנדרטיים עדיין נמצאים בהמוניהם, ובגלל עיצובם האיכותי וחסכוני בייצורם, הם לא ייעלמו בקרוב.
דירוגי הלחץ עבור שסתומי זיקוק נעים בין Class 150 ל- Class 1500, כאשר Class 300 הוא הפופולרי ביותר.
פלדות פחמן פשוטות, כגון WCB (יצוק) ו-A-105 (מזויפות), הן החומרים הפופולריים ביותר המשמשים בשסתומים לשירותי זיקוק. יישומי תהליכי זיקוק רבים דוחפים את גבולות הטמפרטורה העליונים של פלדות פחמן פשוטות, וסגסוגות לטמפרטורות גבוהות יותר מוגדרות עבור יישומים אלה. הפופולריות ביותר הן פלדות כרום/מולי כגון 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr ו-9% Cr. פלדות אל-חלד וסגסוגות עתירות ניקל משמשות גם בתהליכי זיקוק קשים במיוחד.

כִּימִי
התעשייה הכימית היא משתמשת גדולה של שסתומים מכל הסוגים והחומרים. ממפעלי ייצור קטנים ועד למתחמים פטרוכימיים ענקיים הנמצאים בחוף המפרץ, שסתומים מהווים חלק עצום ממערכות צנרת של תהליכים כימיים.

רוב היישומים בתהליכים כימיים הם בעלי לחץ נמוך יותר מאשר תהליכי זיקוק רבים וייצור חשמל. קטגוריות הלחץ הפופולריות ביותר עבור שסתומים וצנרת של מפעלים כימיים הן קטגוריות 150 ו-300. מפעלים כימיים היו גם הגורם המניע הגדול ביותר להשתלטות נתח השוק ששסתומי הכדורים נאבקו עליהם משסתומי הכדורים הליניאריים ב-40 השנים האחרונות. שסתום הכדור בעל המושב הגמיש, עם סגירה ללא דליפות, מתאים באופן מושלם ליישומים רבים של מפעלים כימיים. הגודל הקומפקטי של שסתום הכדור הוא גם מאפיין פופולרי.
עדיין ישנם כמה מפעלים כימיים ותהליכים במפעלים שבהם עדיפים שסתומים ליניאריים. במקרים אלה, השסתומים הפופולריים שתוכננו בתקן API 603, בעלי דפנות דקות ומשקלים קלים יותר, הם בדרך כלל שסתום השער או שסתום הגלוב המועדף. שליטה על כימיקלים מסוימים מושגת ביעילות גם באמצעות שסתומי דיאפרגמה או שסתומי צביטה.
בשל אופיים הקורוזי של כימיקלים רבים ותהליכי ייצור כימיים, בחירת החומרים היא קריטית. החומר הרגיל הוא פלדת אל-חלד אוסטניטית בדרגה 316/316L. חומר זה יעיל היטב במאבק בקורוזיה ממגוון נוזלים, שלעיתים עלולים להיות מזיקים.

עבור יישומים קורוזיביים קשים יותר, נדרשת הגנה רבה יותר. דרגות אחרות בעלות ביצועים גבוהים של פלדת אל-חלד אוסטניטית, כגון 317, 347 ו-321, נבחרות לעתים קרובות במצבים אלה. סגסוגות אחרות המשמשות מעת לעת לשליטה בנוזלים כימיים כוללות מונל, סגסוגת 20, אינקונל ו-17-4 PH.

הפרדת גז טבעי נוזלי (LNG) וגז
גם גז טבעי נוזלי (LNG) וגם התהליכים הנדרשים להפרדת גז מסתמכים על צנרת נרחבת. יישומים אלה דורשים שסתומים שיכולים לפעול בטמפרטורות קריוגניות נמוכות מאוד. תעשיית ה-LNG, הצומחת במהירות בארצות הברית, מחפשת ללא הרף שדרוג ושיפור תהליך הנזלת הגז. לשם כך, צנרת ושסתומים הפכו גדולים בהרבה ודרישות הלחץ עלו.

מצב זה חייב את יצרני השסתומים לפתח עיצובים שיעמדו בפרמטרים מחמירים יותר. שסתומי כדור ופרפר רבע סיבוב פופולריים לשירותי גז טבעי נוזלי (LNG), כאשר 316ss [פלדת אל-חלד] הוא החומר הפופולרי ביותר. ANSI Class 600 הוא תקרת הלחץ הרגילה עבור רוב יישומי הגז הטבעי. למרות שמוצרי רבע סיבוב הם סוגי השסתומים הפופולריים ביותר, ניתן למצוא גם שסתומי סורג, שסתומי גלוב ושסתומי אל-חזור במפעלים.

שירות הפרדת גזים כרוך בחלוקת גז ליסודות הבסיסיים שלו. לדוגמה, שיטות הפרדת אוויר מניבות חנקן, חמצן, הליום וגזים זעירים אחרים. אופי התהליך בטמפרטורה נמוכה מאוד פירושו שנדרשות שסתומים קריוגניים רבים.

גם למפעלי הפרדת גז טבעי נוזלי (LNG) וגם למפעלי הפרדת גז יש שסתומים בטמפרטורה נמוכה שחייבים להישאר פעילים בתנאים קריוגניים אלה. משמעות הדבר היא שמערכת האריזה של השסתומים חייבת להיות מורמת הרחק מהנוזל בטמפרטורה נמוכה באמצעות עמודת גז או עיבוי. עמודת גז זו מונעת מהנוזל ליצור כדור קרח סביב אזור האריזה, מה שימנע מגזע השסתום להסתובב או לעלות.

מבני מסחר
מבנים מסחריים מקיפים אותנו, אך אלא אם כן נשים לב היטב בזמן בנייתם, אין לנו מושג רב על שלל עורקי הנוזלים החבויים בתוך קירותיהם, העשויים בנייה, זכוכית ומתכת.

מכנה משותף כמעט בכל בניין הוא מים. כל המבנים הללו מכילים מגוון מערכות צנרת הנושאות שילובים רבים של תרכובות מימן/חמצן בצורת נוזלים ראויים לשתייה, מי שפכים, מים חמים, מים אפורים וכיבוי אש.

מנקודת מבט של הישרדות מבנים, מערכות כיבוי אש הן קריטיות ביותר. מערכות כיבוי אש בבניינים כמעט תמיד מוזנות וממולאות במים נקיים. כדי שמערכות מי כיבוי אש יהיו יעילות, עליהן להיות אמינות, בעלות לחץ מספיק וממוקמות בנוחות ברחבי המבנה. מערכות אלו מתוכננות להפעיל את עצמן באופן אוטומטי במקרה של שריפה.
בניינים רבי קומות דורשים את אותו שירות לחץ מים בקומות העליונות כמו בקומות התחתונות, ולכן יש להשתמש במשאבות וצנרת בלחץ גבוה כדי להעלות את המים כלפי מעלה. מערכות הצנרת הן בדרך כלל מסוג 300 או 600, בהתאם לגובה הבניין. כל סוגי השסתומים משמשים ביישומים אלה; עם זאת, עיצובי השסתומים חייבים להיות מאושרים על ידי Underwriters Laboratories או Factory Mutual עבור שירות כיבוי אש ראשי.

אותם סוגים וקבוצות של שסתומים המשמשים לשסתומי שירותי כיבוי אש משמשים גם לחלוקת מי שתייה, אם כי תהליך האישור אינו קפדני באותה מידה.
מערכות מיזוג אוויר מסחריות הנמצאות במבני עסקים גדולים כמו בנייני משרדים, בתי מלון ובתי חולים הן בדרך כלל מרכזיות. יש להן יחידת צ'ילר גדולה או דוד לקירור או חימום נוזלים המשמשים להעברת קור או טמפרטורה גבוהה. מערכות אלו נדרשות לעיתים קרובות להתמודד עם מקררים כגון R-134a, הידרופלואורוקרבון, או במקרה של מערכות חימום גדולות, קיטור. בשל גודלם הקומפקטי של שסתומי פרפר וכדור, סוגים אלה הפכו פופולריים במערכות צ'ילר HVAC.

בצד הקיטור, חלק מברזי רבע סיבוב עשו פריצת דרך בשימוש, אך מהנדסי אינסטלציה רבים עדיין מסתמכים על ברזי שער ליניאריים ושסתומי כדור, במיוחד אם הצנרת דורשת קצוות ריתוך קת. עבור יישומי קיטור מתונים אלה, פלדה תפסה את מקומו של ברזל יצוק בגלל יכולת הריתוך של הפלדה.

חלק ממערכות החימום משתמשות במים חמים במקום בקיטור כנוזל העברה. מערכות אלו משרתות היטב את שסתומי הברונזה או הברזל. שסתומי כדור ופרפר בעלי מושב גמיש ברבע סיבוב פופולריים מאוד, אם כי עדיין נעשה שימוש בכמה עיצובים ליניאריים.

מַסְקָנָה
למרות שעדויות ליישומי השסתומים המוזכרים במאמר זה עשויות שלא להיות נראות במהלך נסיעה לסטארבקס או לבית סבתא, כמה שסתומים חשובים מאוד נמצאים תמיד בקרבת מקום. ישנם אפילו שסתומים במנוע המכונית המשמשים להגעה למקומות אלה, כמו אלה בקרבורטור השולטים בזרימת הדלק למנוע ואלה במנוע השולטים בזרימת הדלק לתוך הבוכנות ויוצאת שוב. ואם שסתומים אלה אינם קרובים מספיק לחיי היומיום שלנו, קחו בחשבון את המציאות שהלב שלנו פועם באופן קבוע דרך ארבעה התקני בקרת זרימה חיוניים.

זוהי רק דוגמה נוספת למציאות שבה: שסתומים נמצאים באמת בכל מקום. VM
חלק ב' של מאמר זה מכסה תעשיות נוספות בהן נעשה שימוש בשסתומים. בקרו באתר www.valvemagazine.com כדי לקרוא על נייר ועיסה, יישומים ימיים, סכרים ואנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיה סולארית, ברזל ופלדה, תעופה וחלל, גיאותרמית, ובישול וזיקוק בוטיק.

גרג ג'ונסון הוא נשיא United Valve (www.unitedvalve.com) ביוסטון. הוא עורך תורם למגזין VALVE, יו"ר לשעבר של מועצת תיקון השסתומים וחבר דירקטוריון נוכחי ב-VRC. הוא גם מכהן בוועדת החינוך וההכשרה של VMA, סגן יו"ר ועדת התקשורת של VMA ונשיא לשעבר של אגודת התקינה של היצרנים.