バルブが使用される場所: どこでも!

2017 年 11 月 8 日 文：グレッグ・ジョンソン

バルブは現在、家庭、道路の下、商業ビル、さらには発電所、水道工場、製紙工場、製油所、化学工場、その他の産業施設やインフラ施設内の何千もの場所で、ほぼどこにでもあります。
バルブ業界は本当に幅広い分野で、配水から原子力発電、上流と下流の石油とガスに至るまで、その分野は多岐にわたります。これらのエンドユーザー産業はそれぞれ、いくつかの基本的なタイプのバルブを使用しています。ただし、構造や材料の詳細は大きく異なることがよくあります。以下にサンプルを示します。

水道事業
配水の世界では、ほとんどの場合、圧力は比較的低く、温度は周囲温度です。これら 2 つの応用事実により、高温蒸気バルブなどのより困難な機器では見られない多くのバルブ設計要素が可能になります。水道の周囲温度により、他の場所では適さないエラストマーやゴムシールの使用が可能になります。これらの柔らかい素材により、水滴をしっかりと密閉する給水バルブを装備できます。

水道用バルブのもう 1 つの考慮事項は、構造材料の選択です。鋳鉄およびダクタイル鋳鉄は、水システム、特に外径の大きなラインで広く使用されています。非常に細いラインは、ブロンズ製のバルブ素材を使用すると非常にうまく処理できます。

ほとんどの水道バルブが検知する圧力は、通常 200 psi をはるかに下回ります。これは、厚肉の高圧設計が必要ないことを意味します。そうは言っても、水バルブが最大約 300 psi の高圧に対応できるように作られている場合もあります。これらの用途は通常、圧力源に近い長い水路上で行われます。場合によっては、高圧水弁が高いダムの最高圧力箇所に設置されることもあります。

米国水道協会 (AWWA) は、水道用途で使用されるさまざまなタイプのバルブとアクチュエーターをカバーする仕様を発行しました。

廃水
施設または構造物に入る新鮮な飲料水の裏側は、廃水または下水の排出物です。これらのラインはすべての廃液と固形物を収集し、下水処理場に送ります。これらの処理プラントには、「汚い仕事」を行うために多くの低圧配管とバルブが備えられています。多くの場合、廃水バルブの要件は上水サービスの要件よりもはるかに緩やかです。このタイプのサービスでは、鉄製のゲートと逆止弁が最も一般的な選択肢です。このサービスの標準バルブは、AWWA 仕様に従って構築されています。

電力産業
米国で生成される電力のほとんどは、化石燃料と高速タービンを使用する蒸気プラントで生成されます。現代の発電所のカバーを剥がすと、高圧、高温の配管システムが現れます。これらの幹線は蒸気発電プロセスにおいて最も重要です。

ゲート バルブは依然として発電所のオン/オフ用途での主な選択肢ですが、特殊用途の Y パターン グローブ バルブも存在します。高性能でクリティカルサービスのボールバルブは、一部の発電所設計者の間で人気を集めており、かつてはリニアバルブが主流だったこの世界に進出しつつあります。

冶金は、電力用途のバルブ、特に超臨界または超超臨界の圧力と温度の動作範囲で動作するバルブにとって重要です。 F91、F92、C12A、およびいくつかのインコネルおよびステンレス鋼合金は、今日の発電所で一般的に使用されています。圧力クラスには 1500、2500、場合によっては 4500 があります。また、ピーク発電所 (必要な場合にのみ動作する) の変調特性により、バルブや配管に大きな負担がかかり、サイクル、温度、圧力の極端な組み合わせに対処するための堅牢な設計が必要になります。プレッシャー。
発電所には、主な蒸気バルブに加えて、無数のゲート、グローブ、チェック、バタフライ、ボールバルブが設置された補助パイプラインが装備されています。

原子力発電所は、同じ蒸気/高速タービン原理で動作します。主な違いは、原子力発電所では、核分裂プロセスの熱によって蒸気が生成されることです。原子力発電所のバルブは、その歴史と絶対的な信頼性の追加要件を除けば、化石燃料を燃料とするバルブと似ています。原子力バルブは非常に高い基準で製造されており、認定および検査に関する文書は何百ページにもわたります。

石油とガスの生産
石油、ガス井および生産施設は、多くの頑丈なバルブを含むバルブを頻繁に使用します。空中に数百フィートの高さまで石油が噴出する現象はもう起こりそうにありませんが、この画像は地下の石油とガスの潜在的な圧力を示しています。これが、井戸の頭やクリスマスツリーが井戸の長いパイプの上部に置かれる理由です。これらのアセンブリは、バルブと特別なフィッティングを組み合わせて、10,000 psi を超える圧力に耐えられるように設計されています。最近では陸上に掘られた井戸ではほとんど見られませんが、極度に高い圧力がかかる海底の深い井戸ではよく見られます。

坑口機器の設計は、6A、坑口およびクリスマス ツリー機器の仕様などの API 仕様でカバーされています。 6A でカバーされるバルブは、非常に高い圧力と適度な温度向けに設計されています。ほとんどのクリスマス ツリーには、ゲート バルブとチョークと呼ばれる特別なグローブ バルブが含まれています。チョークは井戸からの流れを調整するために使用されます。

油田またはガス田には、坑井自体に加えて、多くの付随施設が設置されています。石油やガスを前処理するプロセス装置には、多数のバルブが必要です。これらのバルブは通常、下位クラス向けに評価された炭素鋼です。

場合によっては、非常に腐食性の高い液体である硫化水素が原料の石油の流れの中に存在することがあります。この物質は酸性ガスとも呼ばれ、致死性となる可能性があります。酸性ガスの課題を克服するには、NACE 国際仕様 MR0175 に準拠した特殊な材料または材料処理技術に従う必要があります。

オフショア産業
海洋石油掘削装置および生産施設の配管システムには、さまざまな流量制御の課題に対処するために、さまざまな仕様に合わせて構築された多数のバルブが含まれています。これらの施設には、さまざまな制御システム ループと圧力解放装置も含まれています。

石油生産施設の場合、動脈心臓は実際の石油またはガス回収配管システムです。常にプラットフォーム自体にあるわけではありませんが、多くの生産システムではクリスマス ツリーと、10,000 フィート以上の過酷な深さで動作する配管システムが使用されています。この生産設備は、多くの厳格な米国石油協会 (API) 基準に従って構築されており、いくつかの API 推奨慣行 (RP) で参照されています。

ほとんどの大規模な石油プラットフォームでは、坑口から出てくる原液に追加のプロセスが適用されます。これらには、炭化水素から水を分離すること、および流体の流れからガスおよび天然ガス液体を分離することが含まれる。これらのポスト クリスマス ツリー配管システムは通常、API 594、API 600、API 602、API 608、API 609 などの API バルブ仕様に従って設計されたバルブを備えた米国機械学会 B31.3 配管規格に従って構築されています。

これらのシステムの一部には、API 6D ゲート、ボール、チェック バルブが含まれる場合もあります。プラットフォームまたは掘削船上のパイプラインは施設の内部にあるため、パイプラインに API 6D バルブを使用するという厳格な要件は適用されません。これらの配管システムでは複数のバルブ タイプが使用されていますが、選択されるバルブ タイプはボール バルブです。

パイプライン
ほとんどのパイプラインは隠されていますが、通常、その存在は明らかです。 「石油パイプライン」と書かれた小さな標識は、地下輸送配管の存在を示す明らかな指標の 1 つです。これらのパイプラインには、その全長にわたって多くの重要なバルブが装備されています。緊急パイプライン遮断弁は、規格、規定、法律で指定された間隔で設置されています。これらのバルブは、漏れが発生した場合やメンテナンスが必要な場合にパイプラインのセクションを隔離するという重要な役割を果たします。

また、パイプラインのルートに沿って、ラインが地面から出てラインアクセスが可能な施設も点在しています。これらのステーションは、ラインの検査または清掃のためにパイプラインに挿入される装置で構成される「ピッグ」発射装置の拠点です。これらのピグ発射ステーションには通常、ゲート型またはボール型の複数のバルブが含まれています。パイプライン システム上のすべてのバルブは、豚の通過を可能にするために全ポート (全開) でなければなりません。

パイプラインは、パイプラインの摩擦に対抗し、ラインの圧力と流量を維持するためにエネルギーも必要です。高い分解塔のないプロセスプラントの小型版のように見えるコンプレッサーまたはポンプステーションが使用されます。これらのステーションには、数十のゲート、ボール、チェック パイプライン バルブが設置されています。
パイプライン自体はさまざまな規格や規格に従って設計されており、パイプライン バルブは API 6D パイプライン バルブに従っています。
住宅や商業施設に引き込む小規模なパイプラインもあります。これらのラインは水とガスを供給し、遮断弁で保護されています。
特に米国北部の大規模自治体は、商業顧客の暖房要件に必要な蒸気を供給しています。これらの蒸気供給ラインには、蒸気の供給を制御および調整するためのさまざまなバルブが装備されています。流体は蒸気ですが、圧力と温度は発電所の蒸気生成よりも低くなります。このサービスではさまざまなタイプのバルブが使用されていますが、由緒あるプラグ バルブが依然として人気のある選択肢です。

製油所と石油化学
製油所バルブは、他のバルブセグメントよりも多くの工業用バルブの使用を占めています。製油所には腐食性流体が存在し、場合によっては高温になります。
これらの要因により、API 600 (ゲート バルブ)、API 608 (ボール バルブ)、API 594 (チェック バルブ) などの API バルブ設計仕様に従ってバルブがどのように構築されるかが決まります。これらのバルブの多くは過酷な使用にさらされるため、追加の腐食代が必要になることがよくあります。この余裕は、API 設計ドキュメントで指定されているより大きな壁厚によって明らかです。

一般的な大規模製油所では、事実上すべての主要なバルブ タイプが豊富に見つかります。どこにでもあるゲート バルブは依然として最大の人口を誇る王者ですが、クォーター ターン バルブがその市場シェアをますます大きく占めています。この業界 (かつてはリニア製品が独占していた業界) への進出に成功したクォーターターン製品には、高性能トリプル オフセット バタフライ バルブやメタルシート ボール バルブなどがあります。

標準的なゲート バルブ、グローブ バルブ、チェック バルブは今でも大量に存在しており、その設計と製造の経済性の高さから、すぐに消えることはありません。
製油所バルブの圧力定格はクラス 150 からクラス 1500 まであり、クラス 300 が最も一般的です。
WCB (鋳造) グレードや A-105 (鍛造) グレードなどの普通炭素鋼は、製油所用のバルブに指定され使用されている最も一般的な材料です。多くの精錬プロセス用途では普通炭素鋼の温度上限が引き上げられており、これらの用途にはより高温の合金が指定されています。これらの中で最も一般的なのは、1-1/4% Cr、2-1/4% Cr、5% Cr、9% Cr などのクロム/モリブデン鋼です。ステンレス鋼や高ニッケル合金は、特に過酷な精製プロセスにも使用されます。

化学薬品
化学業界は、あらゆるタイプと材料のバルブを大量に使用しています。小規模バッチプラントから湾岸にある巨大な石油化学コンビナートに至るまで、バルブは化学プロセス配管システムの大きな部分を占めています。

化学プロセスにおけるほとんどの用途は、多くの精製プロセスや発電よりも圧力が低くなります。化学プラントのバルブと配管で最も一般的な圧力クラスは、クラス 150 と 300 です。化学プラントは、過去 40 年間にボール バルブがリニア バルブから市場シェアを奪った最大の推進力でもあります。弾性シート付きボールバルブは漏れゼロ遮断機能を備えており、多くの化学プラントの用途に最適です。ボールバルブのコンパクトさも人気の特長です。
リニアバルブが好まれる化学プラントやプラントプロセスがまだいくつかあります。このような場合、一般的な API 603 設計のバルブは、壁が薄く、重量が軽いため、通常、ゲート バルブまたはグローブ バルブとして選択されます。一部の化学薬品の制御は、ダイヤフラムまたはピンチバルブでも効果的に実行されます。
多くの化学物質や化学物質の製造プロセスには腐食性があるため、材料の選択は重要です。事実上の材料は、オーステナイト系ステンレス鋼の 316/316L グレードです。この材料は、多くの場合によっては厄介な液体による腐食と戦うのに効果的です。

一部のより厳しい腐食性用途では、さらなる保護が必要です。このような状況では、317、347、321 などの他の高性能グレードのオーステナイト系ステンレス鋼が選択されることがよくあります。化学流体を制御するために時々使用される他の合金には、モネル、合金 20、インコネル、17-4 PH などがあります。

LNGとガスの分離
液体天然ガス (LNG) とガス分離に必要なプロセスはどちらも、大規模な配管に依存しています。これらの用途には、非常に低い極低温で動作できるバルブが必要です。米国で急速に成長している LNG 産業は、ガス液化プロセスのアップグレードと改善を継続的に模索しています。この目的を達成するために、配管やバルブは大幅に大型化し、圧力要件も引き上げられています。

この状況により、バルブメーカーはより厳しいパラメータを満たす設計を開発する必要がありました。クォーターターン ボール バルブとバタフライ バルブは LNG サービスで人気があり、最も人気のある材質は 316ss [ステンレス鋼] です。 ANSI クラス 600 は、ほとんどの LNG アプリケーションの通常の圧力上限です。 1/4 回転製品が最も一般的なバルブ タイプですが、工場ではゲート バルブ、グローブ バルブ、チェック バルブも見つかります。

ガス分離サービスでは、ガスを個々の基本要素に分割します。たとえば、空気分離法では、窒素、酸素、ヘリウム、その他の微量ガスが生成されます。プロセスの温度は非常に低いため、多くの極低温バルブが必要になります。

LNG プラントとガス分離プラントの両方には、これらの極低温条件下でも動作可能な状態を維持する必要がある低温バルブが備えられています。これは、ガスまたは凝縮塔を使用して、バルブ パッキング システムを低温流体から離す必要があることを意味します。このガス柱は、流体がパッキン領域の周囲に氷球を形成してバルブステムの回転や上昇を妨げるのを防ぎます。

商業ビル
私たちの周りには商業ビルが建ち並んでいますが、その建設に細心の注意を払わない限り、石積み、ガラス、金属でできた壁の中に隠された多数の体液動脈についてはほとんど手がかりがありません。

ほぼすべての建物に共通するのは水です。これらすべての構造物には、飲料用液体、廃水、熱水、雑排水、防火用水などの水素/酸素化合物の多くの組み合わせを運ぶさまざまな配管システムが含まれています。

建物の存続の観点からは、消防設備が最も重要です。建物の防火設備には、ほとんどの場合、きれいな水が供給され、満たされています。消火水システムが効果的であるためには、信頼性が高く、十分な圧力があり、建物全体に便利に配置されている必要があります。これらのシステムは、火災が発生した場合に自動的に通電するように設計されています。
高層ビルでは、最上階でも最下階と同じ水圧サービスが必要なため、水を上向きに上げるために高圧ポンプと配管を使用する必要があります。配管システムは通常、建物の高さに応じてクラス 300 または 600 です。これらの用途ではあらゆるタイプのバルブが使用されます。ただし、バルブの設計は、消防主管サービス用に Underwriters Laboratories または Factory Mutual によって承認される必要があります。

消防用バルブに使用されるのと同じクラスとタイプのバルブが飲料水の配水にも使用されますが、承認プロセスはそれほど厳格ではありません。
オフィスビル、ホテル、病院などの大規模なビジネス施設にある業務用空調システムは、通常、集中管理されています。低温または高温の輸送に使用される流体を冷却または加熱するための大型チラー ユニットまたはボイラーが備えられています。これらのシステムでは、多くの場合、R-134a、ハイドロフルオロカーボン、または主要な暖房システムの場合は蒸気などの冷媒を処理する必要があります。バタフライ バルブとボール バルブはコンパクトなサイズであるため、これらのタイプは HVAC チラー システムで一般的に使用されています。

蒸気側では、一部の 4 分の 1 回転バルブが使用されるようになりましたが、特に配管の端部を突合せ溶接する必要がある場合、多くの配管エンジニアは依然としてリニア ゲート バルブやグローブ バルブに依存しています。このような中程度の蒸気用途では、鋼の溶接性により鋳鉄に代わって鋼が使用されています。

一部の加熱システムでは、伝達流体として蒸気の代わりに熱水を使用します。これらのシステムは、青銅または鉄のバルブによって適切に機能します。 4 分の 1 回転の弾性シート付きボールおよびバタフライ バルブは非常に人気がありますが、一部の直線的な設計も依然として使用されています。

結論
この記事で述べたバルブの応用の証拠は、スターバックスやおばあちゃんの家への旅行中には見えないかもしれませんが、いくつかの非常に重要なバルブは常に近くにあります。車のエンジン内にも、エンジンに入る燃料の流れを制御するキャブレター内のバルブや、ピストンに流入して再び排出されるガソリンの流れを制御するエンジン内のバルブなど、これらの場所にアクセスするために使用されるバルブがあります。そして、これらの弁が私たちの日常生活に十分近いものではない場合、私たちの心臓は 4 つの重要な流量制御装置によって定期的に鼓動しているという現実を考えてください。

これは、バルブが本当にどこにでもあるという現実のもう 1 つの例にすぎません。 VM
この記事のパート II では、バルブが使用されるその他の業界について説明します。 www.valvemagazine.com にアクセスして、パルプと紙、海洋用途、ダムと水力発電、太陽光発電、鉄鋼、航空宇宙、地熱、クラフトビール醸造と蒸留についてお読みください。

GREG JOHNSON は、ヒューストンにある United Valve (www.unitedvalve.com) の社長です。彼は VALVE Magazine の寄稿編集者であり、Valve Repair Council の元会長であり、現在 VRC 理事会メンバーでもあります。彼は VMA の教育およびトレーニング委員会の委員も務めており、VMA のコミュニケーション委員会の副委員長を務めており、製造業者標準化協会の元会長でもあります。