Per què una vàlvula flotant DN50 classe 300 perd a 0.2 MPa

01 | La prova que amaga el problema

Una vàlvula de bola flotant DN50 classe 300 vàlvula supera la prova de closca i la prova d’assentament a un múltiple especificat de la pressió nominal, és embalada, enviada, instal·lada i, tot seguit, presenta filtracions en una línia de transferència en funcionament a 0,2 MPa. La vàlvula no és defectuosa. Es va provar a una pressió a què mai s’exposarà en servei, i el mecanisme de sellat en què es basa no opera a la pressió a què realment s’exposa.

La prova hidràulica carrega intensament l’assentament tou i el vàlvula s’escella fàcilment. A 0,2 MPa el mateix seient pràcticament no proporciona cap assistència per pressió, i tot depèn de la precàrrega establerta durant el muntatge. Res d’una seqüència normal d’assaigs comprova aquesta condició, llevat que l’adquirent ho demani específicament.

Figura 1. Boleta flotant DN50 (2 polzades), classe 300 vàlvula en cos de WCB, amb la mida, la classe i el material marcats a la fundició del cos. La boleta només és subjectada pels dos anells de seient. Shanghai Xiazhao Vàlvula .

02 | El nombre de tensió de contacte

La fuita pel seient és un problema de tensió de contacte, no de pressió. L’empenta és la diferència de pressió multiplicada per l’àrea de la boca. L’àrea de contacte és la circumferència del seient multiplicada per l’amplada de la banda de contacte. Si es divideix una entre l’altra, la boca s’elimina i queda una única relació.

sigma ≈ dP × D / (4 × w); D = boca del seient (mm), w = banda de contacte (mm), dP en MPa, sigma en MPa

Amb una banda de contacte típica de 3 mm, una DN50 vàlvula a 0,2 MPa desenvolupa uns 0,8 MPa de tensió de contacte a l’assentament. A 5,1 MPa, la qualificació Classe 300, el mateix assentament experimenta uns 21 MPa. Un DN25 a 0,2 MPa té una tensió de contacte d’uns 0,4 MPa. Enfront d’un assentament de RPTFE, la resistència a compressió del qual és de desenes de megapascals, el cas de baixa pressió es troba carregat només a uns pocs per cent del que el material pot suportar. La contribució de la pressió ha desaparegut efectivament i el segell funciona únicament gràcies a la precàrrega.

Taula 1. Tensió de contacte a l’assentament indicativa, banda de contacte de 3 mm

La taula explica també un patró que sorprèn els compradors: com més petita és la vàlvula , pitjor és el comportament a baixa pressió. Un DN25 té menys de la meitat de la tensió de contacte d’un DN50 a la mateixa diferencial, perquè l’empenta disminueix amb el quadrat del diàmetre interior mentre que la circumferència de contacte només ho fa de forma lineal.

I això explica per què la classe no té cap efecte sobre aquesta fallada. Elevar el DN50 de la classe 300 a la classe 600 canvia la pressió nominal, però no la tensió de contacte a 0,2 MPa. Si la línia funciona a 0,2 MPa, la vàlvula és de 0,2 MPa vàlvula sigui quina sigui la inscripció estampada al cos.

03 | Per què la precàrrega desapareix amb el temps

La precàrrega és una força elàstica emmagatzemada, deguda a la geometria de l’assentament, a la compressió de l’elastòmer o a un ressort explícit. Tres mecanismes la consumeixen, i cap d’ells és visible a l’fàbrica.

Deformació permanent per compressió. Un assentament tou experimenta una deformació permanent sota càrrega, i la força que va provocar aquesta deformació es relaxa. Un vàlvula que ha romàs tancat a la diferencial màxima durant un any arriba a la seva primera tasca a baixa pressió amb menys precàrrega de la que tenia a la bancada d’assaig.

Cicles tèrmics. Cada cicle des de la temperatura ambient fins a la temperatura de línia i viceversa relaxa una fracció de la precàrrega, i les pèrdues s’acumulen. Un vàlvula en una línia que es calenta i refreda diàriament és un vàlvula diferent després de dos-cents cicles.

Tancament prolongat. Un seient que roman premut contra una bola immòbil es desplaça progressivament. Trencar el segell i tornar-lo a posicionar restaura parcialment el contacte, la qual cosa explica per què un operador que acciona repetidament una vàlvula que vessa vàlvula dues vegades sovint informa que ha deixat de vessar, almenys temporalment.

El servei amb gas agrava tots aquests problemes. Un gas no té cap efecte autoenergitzant útil fins que la pressió augmenta, i també penetra al seient i s’escapa a través d’aquest en descens. Una vàlvula flotant amb seient tou per a gas a baixa pressió és un dels casos més difícils de qualsevol catàleg, i habitualment es especifica com si fos per a aigua.

04 | Tres solucions eficaces

Augmentar la precàrrega és la solució més econòmica. Un seient amb una xassís de molla o una molla de seient més forta manté la tensió de contacte per sobre del llindar d’estanquitat a diferencials baixos. El cost apareix a l’altre extrem de l’escala: més precàrrega significa més fricció i més parell a diferencials alts, i en una vàlvula de DN50 accionada per palanca això pot ser la diferència entre utilitzar una palanca o un reductor.

Canviar el principi del seient és la solució més robusta. Un seient assistit per pressió amb un pistó separat tanca sobre una superfície efectiva petita, de manera que la mateixa pressió de línia produeix una tensió de contacte molt més elevada. La contrapartida és la direccionalitat: normalment, un seient de pistó tanca en un sol sentit i cal especificar-ne l’orientació; una versió bidireccional sol ser més cara. Per a una línia de baixa pressió que ha de mantenir la tancada en ambdós sentits, aquesta solució continua sent sovint la més adequada.

Canviar el disseny és la solució honesta quan la funció és realment exigent. A DN50, un cos de tipus trunnion o d’entrada superior amb un seient precarregat per molles ofereix un comportament previsible a baixa pressió, a un preu que un flotant genèric vàlvula no pot igualar. És justificat en una línia on les fugues tenen conseqüències, però suposa un desaprofitament en una línia on no n’hi ha.

El que no funciona és especificar un diàmetre nominal més petit vàlvula , una classe superior o una marca més cara. Cap d’aquests factors canvia la tensió de contacte a 0,2 MPa. Aquest valor el determinen el diàmetre interior, l’amplada de la banda i la precàrrega.

05 | Què incloure a l’especificació

L’especificació ha de descriure la pressió més baixa a què la vàlvula ha de fer estança, no només la pressió més alta que ha de suportar. La taula 2 converteix la queixa habitual del camp en la línia que hauria d’haver figurat a la fulla de dades.

Taula 2. Símtoma al camp, causa i línia d’especificació que ho evita

El criteri d'acceptació és tan important com la pressió de prova. L’absència de fuites no és una especificació; les classes de fuita sí que ho són. La taxa A segons la norma ISO 5208 significa cap fuita visualment detectable, cosa que normalment és el que els compradors entenen per «zero». Les taxes B, C i D permeten progressivament més fuites, escalades segons el DN, i una vàlvula amb seient metàl·lic vàlvula s’accepta normalment segons una taxa posterior a la d’una vàlvula amb seient tou. Indicar la taxa, el medi i la pressió elimina qualsevol discusió en la fase de posada en servei.

Cinc línies, en aquest ordre:

• Diferencial mínim de pressió de treball al qual la vàlvula ha de garantir l’estanquitat, indicat com a valor .
• Prova del seient a aquesta pressió, a més de la prova estàndard del seient a alta pressió.
• Acceptació de fuites segons la classe, taxa A a D segons la norma ISO 5208, amb indicació del medi de prova.
• Material del seient i base de precàrrega, sol·licitats al fabricant i no assumits.
• Nombre previst de cicles i durada de tancament, que determinen si la deformació per compressió és un problema de disseny.

Apèndix A | Recurs d'imatge

La figura 1 està incrustada a la secció 01 a la seva resolució entregada. El fitxer entregat és de 1440 x 960 px, cosa que és adequada per a una imatge web de 15 cm, però cal tornar-lo a exportar de la fotografia original per a ús en impressió.

Apèndix B | Normes citades i notes sobre les dades

API 598. Vàlvula Inspecció i proves. Defineix els requisits de prova del cos i de l’assentament; la pressió de prova de l’assentament és un múltiple de la classificació, raó per la qual no representa un servei de baixa pressió.

ISO 5208. Industrial màquines - Prova de pressió de vàlvules metàl·liques. Les taxes de fuita A a D s’expressen com a fuita admisible per DN i per unitat de temps, i constitueixen la forma adequada d’establir un criteri d’acceptació.

API 608. Vàlvula d’esfera metàl·lica Màquines - Extrems brida, rosca i soldadura. Cobrir la gamma de diàmetres petits amb brida, on els dissenys flotants són l’estàndard.

ASME B16.34. Màquines - Extrems brida, rosca i soldadura. La classificació en acer al carboni de classe 300 a 38 °C és de 51,0 bar, utilitzada aquí només com a pressió de referència.