היכן משתמשים בשסתומים: בכל מקום!

08 בנובמבר 2017 נכתב על ידי גרג ג'ונסון

ניתן למצוא שסתומים כמעט בכל מקום כיום: בבתים שלנו, מתחת לרחוב, במבנים מסחריים ובאלפי מקומות בתוך תחנות כוח ומים, מפעלי נייר, בתי זיקוק, מפעלים כימיים ומתקני תעשייה ותשתית אחרים.
תעשיית השסתומים היא באמת בעלת כתפיים רחבות, עם מקטעים משתנים מחלוקת מים לאנרגיה גרעינית ועד נפט וגז במעלה הזרם ובמורד הזרם. כל אחת מתעשיות משתמש קצה אלה משתמשות בכמה סוגים בסיסיים של שסתומים; עם זאת, פרטי הבנייה והחומרים לעתים קרובות שונים מאוד. הנה דגימה:

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

שיקול נוסף בשסתומי שירות מים הוא בחירה בחומרי בנייה. ברזלים יצוקים וברזלים רקיעים נמצאים בשימוש נרחב במערכות מים, במיוחד קווים בקוטר חיצוני גדול. קווים קטנים מאוד יכולים להיות מטופלים די טוב עם חומרי שסתום ברונזה.

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

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

מי שפכים
הצד השני של מי שתייה טריים הנכנסים למתקן או למבנה הוא תפוקת השפכים או הביוב. קווים אלו אוספים את כל פסולת הנוזלים והמוצקים ומפנים אותם למכון טיהור שפכים. מתקני טיהור אלה כוללים הרבה צנרת ושסתומים בלחץ נמוך לביצוע "העבודה המלוכלכת" שלהם. הדרישות לשסתומי שפכים במקרים רבים הרבה יותר מקלות מהדרישות לשירות מים נקיים. שער ברזל ושסתומי סימון הם האפשרויות הפופולריות ביותר עבור שירות מסוג זה. שסתומים סטנדרטיים בשירות זה בנויים בהתאם למפרטי AWWA.

תעשיית החשמל
רוב הכוח החשמלי הנוצר בארצות הברית מופק במפעלי קיטור באמצעות דלק מאובנים וטורבינות מהירות. קילוף הכיסוי של תחנת כוח מודרנית יניב נוף של מערכות צנרת בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה. קווים עיקריים אלו הם הקריטיים ביותר בתהליך ייצור כוח הקיטור.

שסתומי שער נשארים בחירה עיקרית עבור יישומי הפעלה/כיבוי של תחנות כוח, אם כי ניתן למצוא גם שסתומי גלובוס בתבנית Y למטרות מיוחדות. שסתומים כדוריים בעלי ביצועים גבוהים, בעלי שירות קריטי, צוברים פופולריות בקרב מתכנני תחנות כוח, ועושים פריצה בעולם הזה שנשלט בעבר על ידי שסתומים ליניאריים.

מטלורגיה היא קריטית עבור שסתומים ביישומי חשמל, במיוחד אלה הפועלים בטווחי הפעולה העל-קריטיים או העל-קריטיים של לחץ וטמפרטורה. F91, F92, C12A, יחד עם מספר Inconel וסגסוגות נירוסטה נמצאים בשימוש נפוץ בתחנות הכוח של היום. מחלקות הלחץ כוללות 1500, 2500 ובמקרים מסוימים 4500. האופי המווסת של תחנות כוח שיא (אלו הפועלות רק לפי הצורך) גם מפעיל עומס עצום על שסתומים וצנרת, ומצריך תכנונים חזקים כדי להתמודד עם השילוב הקיצוני של רכיבה על אופניים, טמפרטורה ו לַחַץ.
בנוסף לשסתומי הקיטור הראשיים, תחנות כוח עמוסות בצינורות נלווים, המאוכלסים במספר עצום של שסתומי שער, גלובוס, סימון, פרפר וכדור.

תחנות כוח גרעיניות פועלות על אותו עקרון קיטור/טורבינה מהירה. ההבדל העיקרי הוא שבתחנת כוח גרעינית, הקיטור נוצר על ידי חום מתהליך הביקוע. שסתומי תחנת כוח גרעינית דומים לבני דודיהם המונעים בדלק מאובנים, מלבד ייחוסם והדרישה הנוספת של אמינות מוחלטת. שסתומים גרעיניים מיוצרים בסטנדרטים גבוהים במיוחד, כאשר תיעוד הכשירות והבדיקה ממלא מאות עמודים.

ייצור נפט וגז
בארות נפט וגז ומתקני ייצור הם משתמשים כבדים של שסתומים, לרבות שסתומים כבדים רבים. אף על פי שכבר לא צפויים להתרחש יציאות של נפט הפולחות מאות מטרים באוויר, התמונה ממחישה את הלחץ הפוטנציאלי של נפט וגז תת-קרקעיים. זו הסיבה שראשי באר או עצי חג המולד ממוקמים בחלק העליון של מחרוזת צינור ארוכה של באר. מכלולים אלה, עם שילובם של שסתומים ואביזרים מיוחדים, מתוכננים להתמודד עם לחצים של מעל 10,000 psi. בעוד שלעתים נדירות נמצא בבארות שנחפרו ביבשה בימינו, הלחצים הגבוהים הקיצוניים נמצאים לעתים קרובות בבארות עמוקות מהחוף.

עיצוב ציוד Wellhead מכוסה במפרטי API כגון 6A, מפרט לציוד Wellhead ועץ חג המולד. השסתומים המכוסים ב-6A מיועדים ללחצים גבוהים במיוחד אך לטמפרטורות מתונות. רוב עצי חג המולד מכילים שסתומי שער ושסתומי גלובוס מיוחדים הנקראים משנקים. המשנקים משמשים לוויסות הזרימה מהבאר.

בנוסף לראשי הבארות עצמם, מתקנים נלווים רבים מאכלסים שדה נפט או גז. ציוד עיבוד לטיפול מוקדם בנפט או בגז דורש מספר שסתומים. שסתומים אלה הם בדרך כלל פלדת פחמן המדורגת למעמדות נמוכים יותר.

מדי פעם, נוזל מאכל מאוד - מימן גופרתי - קיים בזרם הנפט הגולמי. חומר זה, הנקרא גם גז חמוץ, יכול להיות קטלני. כדי לנצח את האתגרים של גז חמוץ, יש לעקוב אחר חומרים מיוחדים או טכניקות עיבוד חומרים בהתאם למפרט הבינלאומי של NACE MR0175.

תעשיית החוץ
מערכות הצנרת עבור אסדות נפט ומתקני ייצור בים מכילות שפע של שסתומים שנבנו לפי מפרטים רבים ושונים כדי להתמודד עם המגוון הרחב של אתגרי בקרת הזרימה. מתקנים אלה מכילים גם לולאות שונות של מערכת בקרה והתקני שחרור לחץ.

עבור מתקני הפקת נפט, הלב העורקי הוא מערכת הצנרת האמיתית של נפט או גז. למרות שלא תמיד על הפלטפורמה עצמה, מערכות ייצור רבות משתמשות בעצי חג המולד ובמערכות צנרת הפועלות בעומקים בלתי מסבירי פנים של 10,000 רגל או יותר. ציוד ייצור זה נבנה לפי תקנים רבים של מכון הנפט האמריקאי (API) ומתייחס אליו במספר שיטות מומלצות של API (RPs).

ברוב פלטפורמות הנפט הגדולות מופעלים תהליכים נוספים על הנוזל הגולמי המגיע מראש הבאר. אלה כוללים הפרדת מים מהפחמימנים והפרדת גז ונוזלי גז טבעי מזרם הנוזלים. מערכות צנרת אלו לאחר חג המולד בנויות בדרך כלל לפי קודי צנרת B31.3 של החברה האמריקאית של מהנדסי מכונות, כאשר השסתומים מתוכננים בהתאם למפרטי שסתומי API כגון API 594, API 600, API 602, API 608 ו-API 609.

חלק מהמערכות הללו עשויות להכיל גם שער API 6D, כדור ושסתומי סימון. מכיוון שכל צינורות על הפלטפורמה או ספינת הקידוח הם פנימיים למתקן, הדרישות המחמירות לשימוש בשסתומי API 6D עבור צינורות אינן חלות. למרות שסוגי שסתומים מרובים משמשים במערכות צנרת אלו, סוג השסתומים הנבחר הוא השסתום הכדורי.

צינורות
למרות שרוב הצינורות נסתרים מהעין, נוכחותם ניכרת בדרך כלל. שלטים קטנים המציינים "צינור נפט" הם אינדיקטור ברור לנוכחות של צנרת תחבורה תת קרקעית. צינורות אלו מצוידים בשסתומים חשובים רבים לכל אורכם. שסתומי סגירה של צנרת חירום נמצאים במרווחי זמן כמפורט בתקנים, קודים וחוקים. שסתומים אלה משרתים את השירות החיוני של בידוד קטע של צינור במקרה של דליפה או כאשר נדרשת תחזוקה.

כמו כן פזורים לאורך תוואי צינור מתקנים שבהם הקו יוצא מהקרקע וניתנת גישה לקו. תחנות אלו הן הבית לציוד שיגור "חזיר", המורכב ממכשירים המוכנסים לצינורות כדי לבדוק או לנקות את הקו. תחנות שיגור חזירים אלה מכילות בדרך כלל מספר שסתומים, סוג שער או כדור. כל השסתומים במערכת צינורות חייבים להיות בעלי יציאה מלאה (פתיחה מלאה) כדי לאפשר מעבר של חזירים.

צינורות זקוקים גם לאנרגיה כדי להילחם בחיכוך הצינור ולשמור על הלחץ והזרימה של הקו. נעשה שימוש בתחנות מדחס או שאיבה שנראות כמו גרסאות קטנות של מפעל תהליך ללא מגדלי הפיצוח הגבוהים. תחנות אלו הן ביתם של עשרות שסתומי צינור, שער, כדור ובדיקה.
הצינורות עצמם מתוכננים בהתאם לתקנים וקודים שונים, בעוד שסתומי צינור עוקבים אחר שסתומי צינור API 6D.
ישנם גם צינורות קטנים יותר המוזנים לבתים ולמבנים מסחריים. קווים אלו מספקים מים וגז ומוגנים על ידי שסתומי סגירה.
עיריות גדולות, במיוחד בחלק הצפוני של ארצות הברית, מספקות קיטור לדרישות החימום של לקוחות מסחריים. קווי אספקת קיטור אלו מצוידים במגוון שסתומים לשליטה וויסות אספקת הקיטור. למרות שהנוזל הוא קיטור, הלחצים והטמפרטורות נמוכים מאלה שנמצאים בייצור קיטור של תחנת כוח. בשירות זה נעשה שימוש במגוון סוגי שסתומים, אם כי שסתום התקע המכובד הוא עדיין בחירה פופולרית.

זיקוק ופטרוכימיה
שסתומי בתי הזיקוק מספקים שימוש רב יותר בשסתומים תעשייתיים מכל קטע שסתומים אחר. בתי הזיקוק הם ביתם של נוזלים קורוזיביים ובמקרים מסוימים גם לטמפרטורות גבוהות.
גורמים אלו מכתיבים כיצד שסתומים בנויים בהתאם למפרטי עיצוב שסתומי API כגון API 600 (שסתומי שער), API 608 (שסתומים כדוריים) ו-API 594 (שסתומי סימון). בגלל השירות הקשה בו נתקלים רבים מהשסתומים הללו, לעיתים קרובות יש צורך בתוספת קורוזיה. הקצבה זו באה לידי ביטוי באמצעות עובי דופן גדולים יותר המצוינים במסמכי התכנון של ה-API.

כמעט כל סוג שסתומים עיקרי ניתן למצוא בשפע בבית זיקוק גדול טיפוסי. שסתום השער שנמצא בכל מקום הוא עדיין מלך הגבעה עם האוכלוסייה הגדולה ביותר, אבל שסתומי רבע סיבוב תופסים כמות גדולה יותר ויותר מנתח השוק שלהם. מוצרי רבע הסיבוב שעושים פריצות מוצלחות בתעשייה זו (שגם היא נשלטה בעבר על ידי מוצרים ליניאריים) כוללים שסתומי פרפר משולשים עם ביצועים גבוהים ושסתומי כדור עם מושב מתכת.

שסתומי שער, גלובוס ושסתומים סטנדרטיים עדיין נמצאים בהמוניהם, ובגלל הלבבות של העיצוב שלהם וחסכון בייצור, לא ייעלמו בזמן הקרוב.
דירוגי הלחץ לשסתומי בתי הזיקוק פועלים בטווח מ-Class 150 ל-Class 1500, כאשר Class 300 הוא הפופולרי ביותר.
פלדות פחמן רגילות, כגון WCB בדרגה (יצוק) ו-A-105 (מחושלת) הם החומרים הפופולריים ביותר שצוינו ומשמשים בשסתומים לשירות בתי זיקוק. יישומי תהליך זיקוק רבים דוחפים את גבולות הטמפרטורה העליונים של פלדות פחמן רגילות, וסגסוגות בטמפרטורה גבוהה יותר מוגדרות עבור יישומים אלה. הפופולריים שבהם הם פלדות הכרום/מולי כגון 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr ו-9% Cr. פלדות אל חלד וסגסוגות ניקל גבוהות משמשות גם בכמה תהליכי זיקוק קשים במיוחד.

כִּימִי
התעשייה הכימית היא משתמש גדול של שסתומים מכל הסוגים והחומרים. ממפעלי אצווה קטנים ועד לקומפלקסים הפטרוכימיים הענקיים שנמצאים בחוף המפרץ, שסתומים הם חלק עצום ממערכות צנרת של תהליך כימי.

רוב היישומים בתהליכים כימיים הם בעלי לחץ נמוך יותר מאשר תהליכי זיקוק רבים וייצור חשמל. מחלקות הלחץ הפופולריות ביותר עבור שסתומים וצנרת של מפעלים כימיים הם מחלקות 150 ו-300. מפעלים כימיים היו גם המניע הגדול ביותר של השתלטות על נתח השוק שסתומים כדוריים נאבקו משסתומים ליניאריים במהלך 40 השנים האחרונות. השסתום הכדורי המושב גמיש, עם סגירת אפס דליפה שלו, מתאים באופן מושלם ליישומים רבים של מפעל כימי. הגודל הקומפקטי של השסתום הכדורי הוא גם תכונה פופולרית.
ישנם עדיין כמה מפעלים כימיים ותהליכים מפעלים שבהם מועדפים שסתומים ליניאריים. במקרים אלה, השסתומים הפופולריים המעוצבים API 603, עם קירות דקים יותר ומשקלים קלים יותר, הם בדרך כלל שסתום השער או הגלובוס המועדף. השליטה בכימיקלים מסוימים מתבצעת ביעילות גם באמצעות סרעפת או שסתומי צביטה.
בגלל האופי המאכל של כימיקלים רבים ותהליכי ייצור כימיים, בחירת החומר היא קריטית. החומר הדה-פקטו הוא בדרגת 316/316L של נירוסטה אוסטניטית. חומר זה עובד היטב כדי להילחם בקורוזיה ממגוון של נוזלים מגעילים לפעמים.

עבור כמה יישומים קורוזיביים קשים יותר, יש צורך בהגנה נוספת. דרגות ביצועים גבוהות אחרות של נירוסטה אוסטניטית, כגון 317, 347 ו-321 נבחרות לעתים קרובות במצבים אלה. סגסוגות אחרות המשמשות מעת לעת לשליטה בנוזלים כימיים כוללות Monel, Alloy 20, Inconel ו-17-4 PH.

הפרדת 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, שצומחת במהירות בארצות הברית, מחפשת ללא הרף לשדרג ולשפר את תהליך הנזלת הגז. לשם כך, הצנרת והשסתומים הפכו גדולים בהרבה ודרישות הלחץ הועלו.

מצב זה חייב את יצרני השסתומים לפתח עיצובים שיעמדו בפרמטרים קשוחים יותר. שסתומי כדור ופרפר עם רבע סיבוב פופולריים עבור שירות LNG, עם 316ss [נירוסטה] החומר הפופולרי ביותר. ANSI Class 600 היא תקרת הלחץ הרגילה עבור רוב יישומי LNG. למרות שמוצרי רבע סיבוב הם סוגי השסתומים הפופולריים ביותר, ניתן למצוא במפעלים גם שסתומי שער, גלובוס ושסתומים.

שירות הפרדת גז כרוך בחלוקת גז למרכיבים הבסיסיים האישיים שלו. לדוגמה, שיטות הפרדת אוויר מניבות חנקן, חמצן, הליום וגזי קורט אחרים. אופי הטמפרטורה הנמוכה מאוד של התהליך גורם לכך שנדרשים שסתומים קריוגניים רבים.

גם למפעלי LNG וגם למפעלי הפרדת גזים יש שסתומים בטמפרטורה נמוכה שחייבים להישאר פעילים בתנאים קריוגניים אלה. משמעות הדבר היא שמערכת אריזת השסתומים חייבת להיות מוגבהת הרחק מהנוזל בטמפרטורה נמוכה באמצעות שימוש בעמודת גז או עיבוי. עמודת גז זו מונעת מהנוזל ליצור כדור קרח סביב אזור האריזה, דבר שימנע מגזע השסתום להסתובב או להתרומם.

מבנים מסחריים
מבנים מסחריים מקיפים אותנו, אבל אם לא נקדיש תשומת לב רבה בזמן שהם נבנים, אין לנו מושג קלוש על שלל עורקי הנוזל החבויים בין קירותיהם של בנייה, זכוכית ומתכת.

מכנה משותף כמעט בכל בניין הוא מים. כל המבנים הללו מכילים מגוון מערכות צנרת הנושאות שילובים רבים של תרכובת המימן/חמצן בצורת נוזלים לשתייה, שפכים, מים חמים, מים אפורים והגנה מפני אש.

מנקודת מבט של הישרדות מבנים, מערכות אש הן קריטיות ביותר. הגנה מפני אש בבניינים מוזנת כמעט אוניברסלית ומלאה במים נקיים. כדי שמערכות מי כיבוי יהיו יעילות, עליהן להיות אמינות, בעלות לחץ מספיק ולהיות ממוקמות בנוחות בכל המבנה. מערכות אלו נועדו להפעיל אנרגיה אוטומטית במקרה של שריפה.
בניינים רבי קומות דורשים שירות לחץ מים זהה בקומות העליונות כמו בקומות התחתונות ולכן יש להשתמש במשאבות וצנרת בלחץ גבוה כדי להעלות את המים כלפי מעלה. מערכות הצנרת הן בדרך כלל Class 300 או 600, תלוי בגובה המבנה. כל סוגי השסתומים משמשים ביישומים אלה; עם זאת, עיצובי השסתומים חייבים להיות מאושרים על ידי מעבדות חתמים או מפעל משותף לשירותי כיבוי אש.

אותם סוגים וסוגים של שסתומים המשמשים לשסתומי שירות כיבוי משמשים לחלוקת מים לשתייה, אם כי תהליך האישור אינו קפדני כל כך.
מערכות מיזוג מסחריות הנמצאות במבנים עסקיים גדולים כגון בנייני משרדים, בתי מלון ובתי חולים, לרוב מרוכזות. יש להם יחידת צ'ילר גדולה או דוד לקירור או חימום נוזל המשמש להעברת טמפרטורה קרה או גבוהה. מערכות אלו צריכות לרוב לטפל בחומרי קירור כגון R-134a, הידרו-פלואורופחמן, או במקרה של מערכות חימום מרכזיות, קיטור. בגלל הגודל הקומפקטי של שסתומי פרפר וכדורים, סוגים אלה הפכו פופולריים במערכות צ'ילר HVAC.

בצד הקיטור, כמה שסתומים עם רבע סיבוב עשו פרידה בשימוש, ובכל זאת מהנדסי אינסטלציה רבים עדיין מסתמכים על שסתומים ליניאריים של שער וגלובוס, במיוחד אם הצנרת דורשת קצוות ריתוך קת. עבור יישומי קיטור מתונים אלה, פלדה תפסה את המקום של ברזל יצוק בגלל יכולת הריתוך של הפלדה.

חלק ממערכות החימום משתמשות במים חמים במקום בקיטור כנוזל העברה. מערכות אלה מוגשות היטב על ידי שסתומי ברונזה או ברזל. שסתומי כדור ופרפר עמידים לרבע סיבוב הם פופולריים מאוד, אם כי עדיין משתמשים בכמה עיצובים ליניאריים.

מַסְקָנָה
למרות שעדויות על יישומי השסתומים המוזכרים במאמר זה לא ניתנות לצפייה במהלך טיול לסטארבקס או לבית של סבתא, כמה שסתומים חשובים מאוד נמצאים תמיד בקרבת מקום. ישנם אפילו שסתומים במנוע של המכונית המשמשים כדי להגיע לאותם מקומות כמו אלו שבקרבורטור השולטים בזרימת הדלק לתוך המנוע ואלו במנוע השולטים בזרימת הבנזין לתוך הבוכנות ושוב החוצה. ואם השסתומים האלה לא מספיק קרובים לחיי היומיום שלנו, קחו בחשבון את המציאות שהלב שלנו פועם בקביעות דרך ארבעה התקני בקרת זרימה חיוניים.

זו רק עוד דוגמה למציאות ש: שסתומים נמצאים באמת בכל מקום. VM
חלק II של מאמר זה מכסה תעשיות נוספות בהן נעשה שימוש בשסתומים. עבור אל www.valvemagazine.com כדי לקרוא על עיסת נייר, יישומים ימיים, סכרים וכוח הידרואלקטרי, שמש, ברזל ופלדה, תעופה וחלל, גיאותרמית ובישול וזיקוק מלאכותי.

GREG JOHNSON הוא נשיא United Valve (www.unitedvalve.com) ביוסטון. הוא עורך תורם למגזין VALVE, בעבר יו"ר מועצת תיקון השסתומים וחבר מועצת המנהלים הנוכחי של VRC. הוא גם מכהן בוועדת החינוך וההכשרה של VMA, הוא סגן יו"ר ועדת התקשורת של VMA ובעבר נשיא איגוד התקינה של היצרנים.