Hvorfor en DN50-klasse 300 svævende ventil lækker ved 0,2 MPa

01 | Testen, der skjuler problemet

En DN50 klasse 300 svævende kugle ventil består sin skaltest og sædetest ved den specificerede multiplikator af trykniveauet, pakkes, fragtes, installeres og lækkere derefter på en overførselsledning, der kører ved 0,2 MPa. Ventilen er ikke defekt. Den blev testet ved et tryk, den aldrig vil opleve i drift, og mekanismen, den bygger på for tætning, fungerer ikke ved det tryk, den faktisk udsættes for.

Hydrotesten belaster et blødt sæde kraftigt og ventil tætter nemt. Ved 0,2 MPa udøver den samme sæde næsten ingen trykhjælp, og alt afhænger af forspændingen, der er indbygget ved montering. Intet i en normal testsekvens kontrollerer denne betingelse, medmindre køberen specifikt anmoder om det.

Figur 1. DN50 (2 tommer) Class 300 svævende kugle ventil i WCB-korps, med størrelse, klasse og materiale angivet på korpsstøbningen. Kuglen holdes kun af de to sæderinge. Shanghai Xiazhao Ventil .

02 | Kontaktsplidtallet

Sædelekkage er et kontaktsplidtproblem, ikke et trykproblem. Trykkraften er differenstrykket ganget med boringens areal. Kontaktarealet er sædekreds ganget med bredden af kontaktbåndet. Divider det ene med det andet, og boringen udlignes til en enkelt sammenhæng.

sigma ca. dP × D / (4 × w) D = sædeboring (mm), w = kontaktbånd (mm), dP i MPa, sigma i MPa

Med et typisk 3 mm kontaktbånd, en DN50 ventil ved 0,2 MPa udvikler ca. 0,8 MPa trykk på sædekontakten. Ved 5,1 MPa, klassen 300-ratingen, udsættes det samme sæde for ca. 21 MPa. En DN25 ved 0,2 MPa ligger tæt på 0,4 MPa. I forhold til et RPTFE-sæde, hvis trykstyrke ligger i tiere af megapascal, belastes lavtrykstilfældet kun med få procent af det, materialet kan bære. Trykbidraget er effektivt forsvundet, og tætningen kører udelukkende på forspænding.

Tabel 1. Vurderet sædekontaktryk, 3 mm kontaktbånd

Tabellen forklarer også et mønster, der overrasker købere: jo mindre ventil , jo værre er lavtryksadfærd. En DN25 har mindre end halvdelen af kontaktrykket for en DN50 ved samme trykforskel, fordi kraften falder med kvadratet af boringen, mens kontaktomkredsen kun falder lineært.

Og den forklarer, hvorfor klasse ikke har nogen indflydelse på denne fejl. At øge DN50 fra klasse 300 til klasse 600 ændrer ratingen, men ikke kontaktrykket ved 0,2 MPa. Hvis ledningen kører ved 0,2 MPa, er ventil 0,2 MPa ventil hvad der er stempet på karrosseriet.

03 | Hvorfor forspændingen forsvinder over tid

Forspænding er en lagret fjederkraft fra sædegeometrien, elastomerkompressionen eller en eksplicit fjeder. Tre mekanismer forbruger den, og alle tre er usynlige på fabrikken.

Kompressionsnedslag. Et blødt sæde får en permanent deformation under belastning, og kraften, der fremkaldte denne deformation, slapper af. En ventil der har stået lukket ved fuld differentialtryk i et år, ankommer til sin første lavtryksdrift med mindre forspænding, end den havde på testbænken.

Termisk cyklus. Hver cyklus fra omgivelsestemperatur til rørledningstemperatur og tilbage slapper en brøkdel af forspændingen af, og tabet akkumuleres. En ventil på en rørledning, der opvarmes og afkøles dagligt, er en anden ventil efter to hundrede cyklusser.

Langvarig lukning. Et sæde, der forbliver presset mod en ubevægelig kugle, kryber. At bryde tætningen og genindsætte sædet gendanner delvist kontakt, hvilket er grunden til, at en operatør, der manuelt bevæger en utæt ventil to gange ofte rapporterer, at lekkagen er ophørt – i hvert fald for en tid.

Gasdrift gør alle disse problemer værre. En gas har ingen nyttig selvaktiverende virkning, før trykket stiger, og den trænger også ind i sædet og dekomprimerer gennem det på vej nedad. Et svagt sæde med flydende ventil til lavtryksgas er et af de sværeste tilfælde i enhver katalog, og den specificeres rutinemæssigt, som om det drejede sig om vand.

04 | Tre løsninger, der virker

At øge forspændingen er den billigste løsning. Et sæde med en fjederplade eller en kraftigere sædefjeder opretholder kontaktspændingen over tætningsgrænsen ved lav differenstryk. Omkostningen viser sig i den anden ende af skalaen: mere forspænding betyder mere friktion og mere drejningsmoment ved højt differenstryk, og ved en håndtagbetjent DN50 kan det være forskellen mellem et håndtag og et gear.

At ændre sædeprincippet er den mere robuste løsning. Et trykunderstøttet sæde med en separat kolbe tætter på et lille effektivt areal, så samme ledningstryk frembringer langt højere kontaktspænding. Kompromiset er retningsspecifikationen: et kolbesæde tætter normalt kun i én retning og skal derfor specificeres med sin orientering; en toretningsspecifik version koster typisk mere. For en lavtryksledning, der skal tætte i begge retninger, er dette dog ofte den rigtige løsning.

At ændre konstruktionen er den ærlige løsning, når driftsforholdene virkelig er krævende. Ved DN50 giver en trunnion- eller topindgangskrop med et fjederbelastet sæde forudsigelig lavtryksadfærd – til en pris, som en almindelig flydende ventil ikke kan matche. Det er værdifuldt på en ledning, hvor utætheder har konsekvenser, men spild af ressourcer på en ledning, hvor det ikke er tilfældet.

Det, der ikke virker, er at specificere en mindre ventil , en højere klasse eller et dyrere mærke. Ingen af disse ændringer påvirker kontaktspændingen ved 0,2 MPa. Tallet fastsættes af boringen, båndbredden og forspændingen.

05 | Hvad der skal indgå i specifikationen

Specifikationen skal beskrive den laveste tryk, hvormed ventilen ventil skal tætte, og ikke kun det højeste tryk, den skal overleve. Tabel 2 omdanner almindelige feltklager til den linje, der burde have stået i databladet.

Tabel 2. Felt-symptom, årsag og den specifikationslinje, der forhindre det

Acceptancekriteriet er lige så vigtigt som testtrykket. Nul lækkage er ikke en specifikation; lækkageklasser er det. ISO 5208 Rate A betyder ingen synlig lækkage, hvilket er det, køberne normalt mener med »nul«. Rate B, C og D tillader successivt mere lækkage, skaleret efter DN, og en metal-siddet ventil accepteres normalt i henhold til en højere rate end en blød-siddet. At angive raten, mediet og trykket fjerner diskussionen ved igangsættelsen.

Fem linjer, i rækkefølge:

• Mindste driftsdifferenstryk, hvormed ventilen skal tætte, angivet som et værdi .
• Sædetest ved dette tryk i tilføjelse til den standardmæssige højtryks-sædetest.
• Lækkageacceptance efter klasse, ISO 5208 Rate A til D, med navngivning af testmediet.
• Sædemateriale og forspændingsgrundlag, anmodet fra producenten i stedet for antaget.
• Forventet antal cyklusser og lukketid, hvilket afgør, om kompressionsnedgang er et designproblem.

Appendiks A | Billedressource

Figur 1 er indlejret i afsnit 01 i den leverede opløsning. Den leverede fil er 1440 × 960 px, hvilket er tilstrækkeligt til et 15 cm webbillede, men skal geneksporteres fra det originale fotografi til trykbrug.

Appendiks B | Henvisninger til standarder og datanoter

API 598. Ventil Inspektion og test. Definerer krav til skel- og sædetest; trykket for sædetesten er et multiplum af klassificeringen, hvorfor det ikke repræsenterer lavtryksdrift.

ISO 5208. Industriel ventiler – Tryktest af metalventiler. Lækagerater A til D angives som tilladt lækage pr. DN og pr. tidsenhed og er den korrekte måde at angive en acceptkriterium på.

API 608. Metal kugle Ventiler - Med flanger, gevind og svejseender. Dækker det lille diameterområde med flanger, hvor flydende konstruktioner er standard.

ASME B16.34. Ventiler - Med flanger, gevind og svejseender. Klasse 300 af kulstofstål ved 38 °C er 51,0 bar; bruges her kun som referencepres