Kaçak Emisyonları Kontrol Edin

Reaktör ventilleri ve kazan egzoz çıkış borularındaki noktasal emisyonlara (ekipman kaçakları) dünya çapında çok daha büyük bir dikkatle eğilinmektedir. Gulf Coast gibi bölgelerde, ABD yönetmelikleri kaçak emisyonlar üzerine düşmeye başlamaktadır. Ayrıca Avrupa Birliği’nin Birleşik Kirlilikten Korunma ve Kontrol Bürosu (IPPC) kaçak emisyonların azaltılması için kapsamlı bir direktif yayınlamıştır. 

Kaçak emisyonlar çeşitli şekillerde tanımlanmakta ve sadece bir boruya, kanal veya ventile özgü olmamaktadır. Bunlar hammaddelerin işlenmesi, yığın madde işlenmesi ve buna benzer prosesleri de kapsamaktadır.

Genel emisyonlara nazaran kaçak emisyonlarda eğilim daha yüksek standartlara ve daha yoğun incelemeye doğru yönelmektedir. Mevzuatlar, emisyonlar konusundaki yeni düzenlemeleri çıkardığında, kaçak emisyonları, bu mevzuatlarda (özellikle bu mevzuatlar Yüksek Reaktivitedeki Hassas Organik Bileşikler – HRVOC  ile ilgili ise) en başı çekecektir.

Kaçaklar dahili ve harici kaçaklar olabilirken, her türlü emisyonun kaçak emisyon olarak kabul edilmesi de yanlış olacaktır. Bir küresel vanada kaçak, girişten çıkışa doğru yatak boyunca gerçekleşebilir. Vananın içerisindeki akışkan, atmosfere kaçmadığı sürece bu durum kaçak emisyon olarak kabul edilmemektedir. Öte yandan bir harici kaçak, örneğin, vananın içerisinden dış ortama supap contası veya gövde contası yoluyla kaçması demektir. Bu tip kaçaklar çevreye zarar verdiğinden kaçak emisyon olarak adlandırılmaktadırlar. 

Fittingsler, vanalar ve diğer akışkan sistem bileşenlerinin sebep olduğu kaçaklar yıllık maliyetlerde büyük artışlara neden olabilir. Örnek vermek gerekirse, 50.000 fittingse sahip olan bir santralin, bu fittingslerden oluşan kaçak emisyonların sebebiyet verdiği yıllık ortalama ekonomik kaybı 25.000 dolardan fazladır. Bu tip örnekler, vakaya sistem tasarımını, ürün seçimini ve bakım konusunu toplam maliyet yaklaşımını ele alarak yaklaşmayı gerekli kılıyor. Bu makale, yaygın kullanılan bir vana tipi olan, yüksek debili akışa ve etkin sistem kapamalarda kullanılan küresel vanalardaki kaçak emisyonlara odaklanmaktadır. 

Küresel vanalardaki kaçak emisyonları kontrol etmekteki kritik nokta, yapılacak uygulama için uygun küresel vanayı seçmektir. Uygulama ile ilgili doğru bilgileri gözden geçirerek işe başlayın: basınç ve sıcaklık aralıkları, ortamın temizliği, periyodik işletmenin frekansı, gereksinim duyulan bakım sıklığı, kabul edilebilir kaçak oranı, akış gereksinimleri ve kirlenebilme potansiyeli. Daha sonra işletim parametreleriniz ile en çok bağdaşan vana teknolojisinin, performans özellikleri ve malzeme uyumunu da göz önünde bulundurarak seçiminizi yapınız. Kaçak emisyonların kontrol edilmesi ve toplam maliyet konusunda çok önemli olan iki tasarım özelliğine odaklanacağız: gövde contası tasarımı ve supap contası tasarımı. 

Gövde contalarının en yaygın olarak kullanılan iki çeşidi vida tipi (1) ve flanş tipidir (2). Vida tipi conta daha sağlam bir conta olduğundan yüksek sistem basıncını mümkün kılarken, flanş tipi conta hat üzerindeki vananın hızlı ve kolay bakımına imkan vermektedir. 

Vidalı tip conta, iki adet dişli vida ile küre ve yatak contasının gövdeye bağlanmasından sonra bağlanır. Vidalı tip contanın, contalama alanı nispeten daha küçüktür. Sonuçta, 1000 veya 2000 psig (689 veya 1378 bar) basınçlara kadar çalışabilme imkanı veren oldukça efektif bir contadır. 

Flanş tipi gövde contası kullanılan vanalar, birbirine flanşlar, contalar ve somunlar ile bağlı olan 3 ayrı kısımdan oluşmuştur. Bu bileşenler arasındaki contalama alanı daha büyük olduğundan, bu tasarım daha düşük bir tasarım basıncına izin vermektedir. Flanşlar birbirlerine salmastralar ile bağlandığından, conta malzemesi üzerindeki geometrik kısıtlama daha azdır ve bu, çok daha geniş bir conta malzemesi seçmeye imkan vermektedir. 

Üreticinin standart conta malzemesi her zaman çözüm değildir. Sistem tasarımcıları conta malzemesi seçiminde tüm iletim aralığı üzerindeki seçenekleri değerlendirirken bu seçenekler metal contaları, birçok değişik tip elastomer O-ringleri ve Grafoil contaları da içermelidir çünkü bu seçeneklerin uygun olarak seçilmesi çok daha dayanıklı bir vana tasarımı sunabilirler. Flanş tipi contadaki cıvatalar yeterli conta yükünün karşılandığını garanti eden yüksek kademeli malzemeden olmalıdır. 

Sızdırmazlık malzeme seçim kolaylığının ötesinde, flanş tipi contanın avantajı bakım kolaylığı sağlamasındadır. Cıvatalar söküldüğünde vana gövdesi sistem üzerinde askıda kalarak tüm vananın sökülmesine gerek kalmadan onarılmasına izin verir. Yatak ve gövde contaları kolaylıkla ulaşılabilirdir. Kaçak emisyonları ile ilgili düzenlemeler katılaştıkça, bakım ve onarım daha da önem kazanacaktır. 

Sızıntılar sadece sızdırmazlık elemanlarından değil gövde malzemesinden de meydana gelebilir. Vanaları nitelendirirken, sistem tasarımcıları gövde malzemesinin döküm mü, talaşlı imalat mı olduğuna dikkat etmeli, bütünlüğü ve muayenesi üzerine araştırmalar yapmalıdır. Üretici, hammadde tedarikçisine ne gibi bir şartname sunmuştur? Ne tür kalite kontrol prosedürleri uygulanmıştır? Lisanslı Malzeme Test Raporu gövde malzemesini ilgilendiren en kritik sorulara bile cevap olmaktadır. 

Bir küresel vanada sistem akışkanının –ister sıvı ister gaz olsun– supap veya gövde ara yüzünden sızma yapmadığını garanti eden araçlar olmalıdır. Bu bir supap contasının görevidir. Yeterli periyodik işletme frekansı ile, tüm supap contaları aşınmaya maruz kalır ve bu da kaçağa sebebiyet verebilir. Fakat bazı contalar, belirli uygulamalarda diğerlerinden daha verimlidir. 

En basit ve ilkel teknoloji, supabı çevreleyen tek parçalı bir contadan oluşmaktadır. Sıkıştırma cıvatası sıkıldıkça genellikle politetrafloretilenden (PTFE) yapılan conta, ezilerek supap ile gövde muhafazası arasındaki boşluğu doldurur.

Ne yazık ki, PTFE ve buna benzer conta malzemeleri, bu tip malzemelerin zamanla şekil değiştirmesi anlamına gelen “soğuk akım”a eğilimlidirler. Soğuk akım etkisi basınç ve sıcaklık ile artar. Bazı durumlarda conta geçmemesi gereken alanlara sıkışıp sızarak etkinliğini kaybeder ve bu da sistemdeki akışkanın dışarı kaçmasına neden olur. 

“Soğuk akım” etkisinin dengelenmesi için, özellikle uygulama basıncın ve sıcaklığın sürekli değiştirildiği durumlarda, conta üzerindeki sıkıştırma yükünün arttırılması için sıkıştırma vidasının daha sık sıkıştırılması gereklidir. Ek sıkıştırma supap üzerine uygulanan kuvveti artırarak tahrik için gerekli olan kuvveti yükseltir. Bu tekrarlı sıkıştırma işlemleri sonucunda conta sıkıştırma cıvatası değiştirilmeye ihtiyaç duyabilir. 

Bu basit contalama teknolojisi sık gözleme ve ayarlanmaya gereksinim duyar aksi taktirde sızıntı oluşabilir. Kaçak emisyon riskinin azaltılması için tek parçalı conta tasarımı, sıcaklık ve basınç dalgalanmalarının minimum olduğu, periyodik işletmenin limitli olduğu ve gözlem ve görüntülemenin sıklıkla ve kurallı bir biçimde yapıldığı uygulamalarda kullanılmalıdır.

Çift parçalı şerit yatak conta tasarımı tek parçalı tasarımın geliştirilmiş bir şekli olup, aşırı aşınma olmadan vananın kolay tahriklenmesine imkan verir. Şerit conta tasarımı, biri diğerinin içerisine geçmiş iki contadan oluşmaktadır. Contaların kesiti üçgen şeklindedir ve biri diğerinin içerisine geçtiğinde dikdörtgen şeklinde bir kesit oluştururlar. Supabın conta sıkıştırma cıvatasından kuvvet uygulandıkça, diyagonal yön boyunca birbirlerine doğru itilirler ve bu da kuvveti yatay ve eşit bir biçimde supap ve gövde muhafazası üzerinde dağıtır. Conta cıvatasından gelen çok az bir basınçla bile supap ile gövde muhafazası arasında dayanıklı bir conta meydana gelmiş olur. 

Şerit contanın doğru şekilde görevini yerine getirebilmesi için, ısıl periyodik işletim boyunca “soğuk akım” oluşmaması için iki PTFE conta doğru konumda tutulmalıdır. Bu yüzden şerit tasarımındaki conta, uygun bir biçimde tespit edilmelidir ki conta destek halkaları ve salmastra kapağı yönünden contaya uygulanan basınç eşit bir şekilde dağılabilsin.

Bakım ve onarım sıklığının azaltılması için şerit tasarımı, contada “canlı yük” yaratan yay olan Belleville rondelası içerebilir. Canlı yük, conta üzerinde sıcaklık ve basınç dalgalanmalarında, conta üzerindeki basıncın eşit olarak dağılmasına yardımcı olur. Bu yaylar contanın bir arada tutulması için, conta üzerinde bir ön kuvvet yaratırlar. Yüksek sıcaklıklarda yay sıkışarak contaya genleşebilmesi için bir alan yaratır. Düşük sıcaklıklarda ise genişleyerek conta üzerindeki basıncın olması gereken düzeyde kalmasını sağlarlar. Bu “canlı yük” belirli bir ön kuvvet sayesinde contayı tek parça olarak tutmaktadır. Yaylar olmasaydı, conta nispeten daha dar bir alanda genleşip büzülmek zorunda kalacaktı. Bu durumda yüksek bir sıcaklıkta conta genleşirken supap üzerindeki yük artacak ve “soğuk akım” etkisi meydana gelebilecekti. 

Bazı vana tasarımları sistem basıncını supap üzerinde artmasına izin verir. Bir “canlı yük”lü sistem bunu meydana getirmekte – contanın genişleme ve daralmasındaki gibi – ve conta üzerinde sabit bir basıncı mümkün kılmaktadır. 

Tek parça contalı vanalar da yay ve benzeri elemanlara sahip olabilirler ama şeritli conta tasarımındaki kadar efektif olarak iş göremezler. Bu yaylar PTFE contanın belli bir orana kadar genleşip daralmasına izin verir ama şerit tasarımı olmaksızın supap üzerindeki tutarlı basınç sağlanamaz. Tek parça contalı bir vana yayda yüksek ön kuvvet gerektirmekte, bu da contanın dışarıya doğru kavis verip gerilmesine sebebiyet vermektedir. Vanaya sık açma kapama durumunda tekrarlı tahrik uygulandığı durumda, contadaki aşınma hatrı sayılır boyuta gelebilir. Bu aşınma da contanın sık sık değiştirilmesine ve de dolayısıyla kaçağa neden olur. 

Diğer bir etkili supap contalama yöntemi O-ring tasarımıdır. Uygun bir biçimde tasarlandığı taktirde bu teknoloji, yüksek basınçlı, düşük basınçlı veya geniş basınç aralığı gerektiren uygulamalarda esneklik sağlamaktadır. (Örneğin, bir pistonda basınç içi dolu iken basıncı 2.300 psig (158.5 bar) olurken, neredeyse boşken ise basıncı 100 psig (6.9 bar) olabilmektedir).

O-ringler genellikle floroklorokarbon FKM gibi yüksek elastikliğe sahip olan malzemelerden yapılırlar. O-ringlerde, çift parçalı şerit tasarımındaki gibi sıkıştırma cıvatası ile yaratılan basınca gereksinim duyulmaz. O-ringlerin basıncı daha çok sistemde hareket halinde olan akışkandan sağlanır. Akışın basıncı arttıkça O-ring deforme olur ve supap üzerindeki basınç artar. Buna karşın, gaz akışındaki basınç düştüğünde O-ring gevşer ve supap ile gövde arasındaki boşluğu doldurur. Elastik olması sayesinde O-ringin kesit alanı deforme ve reforme olarak o anki koşula uygun bir conta şeklini alır. 

O-ring kullanılacak uygun bir conta tasarımı, O-ringi yüksek basınç altında koruyacak, genellikle PTFE’den yapılmış bir destek halkası veya buna benzer başka bir mekanizmanın varlığını gerektirir. Bu destek halkası O-ringin ekstrüzyon aralığını düşürmek ve bir arada tutmak için tasarlanmıştır. Eğer O-ring spesifik ölçülerinin ötesine uzamaya uygun değilse, işletim halinde O-ring kopabilir. Ekstrüzyon sızıntılara neden olup, vanayı harekete geçiren torku artırabilir.

O-ring tasarımı yüksek basınçta oldukça efektiftir. Tasarımın, sıcaklık, basınç ve kimyasal özellikleri elastomerin spesifikasyonları ile sınırlıdır. Kullanıcı, sistemde kullanılacak akışkanın elastomer ile etkileşimi konusunda insiyatif almalıdır. 

Supap contası tasarımını ilgilendiren konuların ötesinde, supapta oluşacak sızıntılara, supap hizalaması da ek bir sebep olarak gösterilebilir. Supap, herhangi bir sebepten ötürü eğilir veya 

Bir yöne doğru zorlanırsa, dengesiz aşınma sonucu sızıntı oluşabilir. Hizasızlık oluşmasının iki temel sebebi vardır. Bunlardan ilki uygunsuz aktuatör konumu olarak gösterilebilir. Supap ile aktuatörün merkez çizgileri hizalanmaz ise supap eğilecek, bu da supap contasının dengesiz aşınmasına sebebiyet verecektir. 

İkinci durum ise emniyet ventil contasının zarar görmesi supabın eğilmesine neden olmasıdır. 

Bu konunun anlaşılabilmesi için, ilk olarak küresel vana anatomisi gözden geçirilmelidir. Küresel vanalar yüzen veya silindir yataklı küre tasarımlarından herhangi birisini kullanabilir. Yüzen küre tasarımında, küre vana içerisinde tespit edilmiş değildir ama iki mesnet arasında yüzmektedir. Kapanma pozisyonunda küre contası, pozitif basınç farkı sebebiyle düşük basınçlı taraftaki mesnete doğru itilir. 

Buna karşın silindir yataklı tasarım küreden farklı bir tasarım kullanmaktadır. Daha çok, bu geometri küreye üstten ve alttan monte edilmiş silindirlerden oluşmaktadır. Bu sistem vana gövdesine oturtulmuştur ve silindirler ile akış yönünde hareket edilmesi engellenmiştir. Küre açılmak veya kapanmak için dönerken, silidirler de silindir yatakları içerisinde dönerler. 

Silindirler küreyi yatak içerisinde uygun bir biçimde hizalayarak kürenin akış yönündeki hareketini engellerler. Su darbesi durumunda dahi küre silindirler ile küre merkezde tutulur. 

Bir küresel vananın seçiminde tasarımcı malzeme uyumluluğu basınç ve sıcaklık aralıkları, istenilen bakım sıklığı ve tahrikleme frekansını göz önünde bulundurmalıdır. 

Bir vananın gerçek maliyeti sadece satın alma maliyeti değil toplam maliyetidir. Artan hammadde maliyetleri, hızla sıklaşan ve katılaşan çevreye uygunsuzluk cezaları, sıklıkla yapılan bakım maliyetleri ve yenileme maliyetleri de göz önünde bulundurulmalıdır.