Γιατί μια επιπλέουσα βαλβίδα DN50 κλάσης 300 διαρρέει σε πίεση 0,2 MPa

01 | Η δοκιμή που κρύβει το πρόβλημα

Επιπλέουσα σφαιρική βαλβίδα DN50 κλάσης 300 βαλβίδα επιτυγχάνει τη δοκιμή κελύφους και τη δοκιμή καθίσματος στο καθορισμένο πολλαπλάσιο της ονομαστικής πίεσης, συσκευάζεται, αποστέλλεται, εγκαθίσταται και στη συνέχεια εμφανίζει σταγόνισμα σε γραμμή μεταφοράς που λειτουργεί σε πίεση 0,2 MPa. Η βαλβίδα δεν είναι ελαττωματική. Δοκιμάστηκε σε πίεση που δεν θα συναντήσει ποτέ κατά τη λειτουργία της, και ο μηχανισμός που εξαρτάται για τη στεγανοποίηση δεν λειτουργεί στην πίεση που πράγματι αντιμετωπίζει.

Η υδροδοκιμή φορτώνει σημαντικά το μαλακό κάθισμα και η βαλβίδα σφραγίζει εύκολα. Στα 0,2 MPa, η ίδια έδρα δεν παρέχει σχεδόν καθόλου βοηθητική πίεση, και τα πάντα εξαρτώνται από την προένταση που έχει εγκατασταθεί κατά τη συναρμολόγηση. Τίποτα σε μια συνηθισμένη ακολουθία δοκιμών δεν ελέγχει αυτήν την κατάσταση, εκτός εάν ο αγοραστής το ζητήσει ρητώς.

Σχήμα 1. Κινητή μπάλα DN50 (2 ίντσες), κλάσης 300 βαλβίδα σε σώμα WCB, με το μέγεθος, την κλάση και το υλικό να αναγράφονται στην απόχυση του σώματος. Η μπάλα στηρίζεται μόνο από τους δύο δακτυλίους έδρας. Shanghai Xiazhao Βαλβίδα .

02 | Ο Αριθμός Επαφής Τάσης

Η διαρροή στην έδρα είναι πρόβλημα επαφής τάσης, όχι πρόβλημα πίεσης. Η δύναμη ώθησης είναι το γινόμενο της διαφορικής πίεσης επί την επιφάνεια της διατομής. Η επιφάνεια επαφής είναι το γινόμενο της περιφέρειας της έδρας επί το πλάτος της ζώνης επαφής. Αν διαιρέσουμε την πρώτη με τη δεύτερη, η διάμετρος απλοποιείται και προκύπτει μία μοναδική σχέση.

σίγμα ≈ dP × D / (4 × w), όπου D = διάμετρος έδρας (mm), w = πλάτος ζώνης επαφής (mm), dP σε MPa, σίγμα σε MPa

Με ένα τυπικό πλάτος ζώνης επαφής 3 mm, μια DN50 βαλβίδα σε 0,2 MPa αναπτύσσει περίπου 0,8 MPa τάση επαφής στο κάθισμα. Σε 5,1 MPa, την τιμή κλάσης 300, το ίδιο κάθισμα υφίσταται περίπου 21 MPa. Ένα DN25 σε 0,2 MPa βρίσκεται κοντά στα 0,4 MPa. Σε σύγκριση με ένα κάθισμα RPTFE, του οποίου η θλιπτική αντοχή είναι δεκάδες megapascals, η περίπτωση χαμηλής πίεσης φορτώνεται σε λίγα τοις εκατό της φέρουσας ικανότητας του υλικού. Η συνεισφορά της πίεσης έχει αποτελεσματικά εξαφανιστεί και η σφράγιση λειτουργεί αποκλειστικά με την προένταση.

Πίνακας 1. Ενδεικτική τάση επαφής στο κάθισμα, ζώνη επαφής 3 mm

Ο πίνακας εξηγεί επίσης ένα μοτίβο που εκπλήσσει τους αγοραστές: όσο μικρότερο το βαλβίδα , τόσο χειρότερη η συμπεριφορά σε χαμηλή πίεση. Ένα DN25 έχει λιγότερο από το μισό της τάσης επαφής ενός DN50 στην ίδια διαφορά πίεσης, επειδή η δύναμη ώθησης μειώνεται με το τετράγωνο της διαμέτρου, ενώ η περιφέρεια επαφής μειώνεται μόνο γραμμικά.

Επίσης εξηγεί γιατί η κλάση δεν επηρεάζει αυτήν την αστοχία. Η αύξηση του DN50 από κλάση 300 σε κλάση 600 αλλάζει την τιμή κατάταξης, όχι όμως την τάση επαφής στα 0,2 MPa. Αν η γραμμή λειτουργεί σε 0,2 MPa, το βαλβίδα είναι 0,2 MPa βαλβίδα οτιδήποτε είναι σφραγισμένο στο κέλυφος.

03 | Γιατί η προφόρτωση εξαφανίζεται με τον καιρό

Η προφόρτωση είναι μια αποθηκευμένη δύναμη ελατηρίου, που προέρχεται από τη γεωμετρία του καθίσματος, τη συμπίεση του ελαστομερούς ή ένα ειδικό ελατήριο. Τρεις μηχανισμοί την καταναλώνουν, και και οι τρεις είναι αόρατοι στο εργοστάσιο.

Πλαστική παραμόρφωση. Ένα μαλακό κάθισμα υφίσταται μόνιμη παραμόρφωση υπό φόρτιση, και η δύναμη που προκάλεσε αυτήν την παραμόρφωση ελαττώνεται. Ένα βαλβίδα που έμεινε κλειστό υπό πλήρες διαφορικό πίεσης για ένα χρόνο φτάνει στην πρώτη του υπόχρεωση χαμηλής πίεσης με μικρότερη προφόρτωση από αυτήν που είχε στο δοκιμαστικό τραπέζι.

Θερμικές κυκλοφορίες. Κάθε κύκλος από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος στη θερμοκρασία λειτουργίας και πίσω ελαττώνει ένα μέρος της προφόρτωσης, και η απώλεια συσσωρεύεται. Ένα βαλβίδα σε μια γραμμή που θερμαίνεται και ψύχεται καθημερινά είναι διαφορετικό βαλβίδα μετά από διακόσιους κύκλους.

Μακρά περίοδος ακινησίας. Ένα κάθισμα που παραμένει πιεσμένο επάνω σε ακίνητη μπάλα υφίσταται πλαστική ροή (creep). Η διάσπαση της στεγανότητας και η επανατοποθέτησή του αποκαθιστά εν μέρει την επαφή, γι’ αυτό και ένας χειριστής που κινεί δύο φορές ένα διαρρέον βαλβίδα συχνά αναφέρει ότι σταμάτησε να διαρρέει, τουλάχιστον για κάποιο διάστημα.

Η υπηρεσία αερίου επιδεινώνει όλες αυτές τις περιπτώσεις. Ένα αέριο δεν παρουσιάζει κανένα χρήσιμο αυτο-ενεργοποιούμενο αποτέλεσμα μέχρι να αυξηθεί η πίεση, ενώ επιπλέον διαπερνά το κάθισμα και αποσυμπιέζεται μέσω αυτού κατά την κατεβασιά. Μια ελαφριά βαλβίδα με κινητό κάθισμα για χαμηλή πίεση αερίου αποτελεί μία από τις δυσκολότερες περιπτώσεις σε οποιοδήποτε κατάλογο, και συνήθως καθορίζεται ως εάν ήταν για νερό.

04 | Τρεις Λύσεις Που Λειτουργούν

Η αύξηση της προφόρτισης είναι η φθηνότερη λύση. Ένα κάθισμα με ελατήριο δακτύλιο ή με πιο ισχυρό ελατήριο καθίσματος διατηρεί την επαφή υπό τάση πάνω από το κατώφλι στεγανότητας σε χαμηλή διαφορική πίεση. Το κόστος εμφανίζεται στο άλλο άκρο της κλίμακας: μεγαλύτερη προφόρτιση σημαίνει μεγαλύτερη τριβή και μεγαλύτερη ροπή σε υψηλή διαφορική πίεση, και σε μια βαλβίδα με χειροκίνητη λαβή DN50 αυτό μπορεί να είναι η διαφορά μεταξύ λαβής και μηχανισμού με γρανάζια.

Η αλλαγή της αρχής λειτουργίας του καθίσματος αποτελεί την πιο ανθεκτική λύση. Ένα κάθισμα με υποβοήθηση πίεσης και ξεχωριστό εμβολοφόρο στοιχείο δημιουργεί στεγανότητα σε μικρή αποτελεσματική επιφάνεια, οπότε η ίδια πίεση γραμμής παράγει πολύ υψηλότερη επαφή τάσης. Το αντάλλαγμα είναι η κατευθυντικότητα: ένα εμβολοφόρο κάθισμα συνήθως δημιουργεί στεγανότητα σε μία κατεύθυνση και πρέπει να καθοριστεί με την κατάλληλη προσανατολισμό του, ενώ μια δικατευθυντική εκδοχή συνήθως έχει υψηλότερο κόστος. Για μια χαμηλής πίεσης γραμμή που πρέπει να διατηρεί στεγανότητα και στις δύο κατευθύνσεις, αυτή εξακολουθεί να είναι συχνά η σωστή επιλογή.

Η αλλαγή του σχεδιασμού αποτελεί την ειλικρινή λύση όταν η εφαρμογή είναι πραγματικά δύσκολη. Σε DN50, ένα σώμα με άξονα (trunnion) ή με είσοδο από την κορυφή (top-entry) και κάθισμα φορτισμένο με ελατήριο παρέχει προβλέψιμη συμπεριφορά σε χαμηλή πίεση, με κόστος που ένα κοινό κινούμενο (floating) δεν μπορεί να ανταγωνιστεί. βαλβίδα δεν μπορεί να ανταγωνιστεί. Αξίζει τον κόστος σε μια γραμμή όπου η διαρροή έχει συνέπειες, ενώ είναι περιττή σε μια γραμμή όπου δεν έχει.

Αυτό που δεν λειτουργεί είναι η προδιαγραφή ενός μικρότερου βαλβίδα , μιας υψηλότερης κλάσης ή ενός ακριβότερου εμπορικού σήματος. Κανένα από αυτά δεν αλλάζει την τάση επαφής στα 0,2 MPa. Ο αριθμός καθορίζεται από τη διάμετρο, το πλάτος της ζώνης και την προένταση.

05 | Τι να συμπεριλάβετε στην προδιαγραφή

Η προδιαγραφή πρέπει να περιγράφει την ελάχιστη πίεση στην οποία το βαλβίδα πρέπει να σφραγίζει, όχι μόνο τη μέγιστη πίεση που πρέπει να αντέξει. Ο Πίνακας 2 μετατρέπει τη συνήθη καταγγελία από το πεδίο στη γραμμή που θα έπρεπε να είχε συμπεριληφθεί στο φύλλο προδιαγραφών.

Πίνακας 2. Συμπτώματα στο πεδίο, αιτία και η γραμμή προδιαγραφής που τα προλαμβάνει

Το κριτήριο αποδοχής έχει την ίδια σημασία με τη δοκιμαστική πίεση. Η απουσία διαρροής δεν είναι προδιαγραφή· οι κλάσεις διαρροής είναι. Η Ταχύτητα A του ISO 5208 σημαίνει απουσία οπτικά εντοπίσιμης διαρροής, που είναι αυτό που οι αγοραστές συνήθως εννοούν με τον όρο «μηδέν». Οι Ταχύτητες B, C και D επιτρέπουν σταδιακά αυξανόμενες ποσότητες, κλιμακωτές ως προς το DN, και μια βαλβίδα με μεταλλικό κάθισμα βαλβίδα συνήθως αποδέχεται μια υψηλότερη ταχύτητα από μια βαλβίδα με ελαστικό κάθισμα. Η καταγραφή της ταχύτητας, του μέσου και της πίεσης εξαλείφει τις διαφωνίες κατά την παράδοση.

Πέντε γραμμές, με τη σειρά:

• Ελάχιστη λειτουργική διαφορική πίεση στην οποία η βαλβίδα πρέπει να σφραγίζει, δηλωμένη ως τιμή .
• Δοκιμή καθίσματος σε αυτήν την πίεση, επιπλέον της τυπικής δοκιμής καθίσματος υψηλής πίεσης.
• Αποδοχή διαρροής κατά κλάση, Ταχύτητες A έως D του ISO 5208, με αναφορά του μέσου δοκιμής.
• Υλικό καθίσματος και βάση προφόρτισης, που ζητείται από τον κατασκευαστή και όχι που υποτίθεται.
• Αναμενόμενος αριθμός κύκλων και διάρκεια κλεισίματος, που καθορίζουν εάν η πλαστική παραμόρφωση (compression set) αποτελεί ζήτημα σχεδιασμού.

Παράρτημα Α | Εικονικό υλικό

Το Σχήμα 1 ενσωματώνεται στην ενότητα 01 με την παραδοθείσα ανάλυση. Το παραδοθέν αρχείο έχει διαστάσεις 1440 × 960 px, κάτι που είναι επαρκές για μια εικόνα ιστού 15 cm, αλλά πρέπει να επανεξαχθεί από την αρχική φωτογραφία για εκτύπωση.

Παράρτημα Β | Αναφερόμενα πρότυπα και σημειώσεις δεδομένων

API 598. Βαλβίδα Επιθεώρηση και δοκιμές. Καθορίζει τις απαιτήσεις δοκιμής του σώματος και του καθίσματος· η πίεση δοκιμής του καθίσματος είναι πολλαπλάσιο της ονομαστικής τιμής, γι’ αυτό δεν αντιπροσωπεύει χρήση σε χαμηλή πίεση.

ISO 5208. Βιομηχανικό κλειδιά – Δοκιμή πίεσης μεταλλικών βαλβίδων. Οι ρυθμοί διαρροής A έως D εκφράζονται ως επιτρεπόμενη διαρροή ανά DN και ανά μονάδα χρόνου και αποτελούν τον ορθό τρόπο διατύπωσης ενός κριτηρίου αποδοχής.

API 608. Μεταλλική μπάλα Κλειδιά - Με φλάντζα, με σπείρωμα και με συγκόλληση. Καλύπτει το εύρος μικρής διαμέτρου με φλάντζα, όπου οι αιωρούμενες κατασκευές είναι το πρότυπο.

ASME B16.34. Κλειδιά - Με φλάντζα, με σπείρωμα και με συγκόλληση. Βαθμονόμηση ανθρακούχου χάλυβα κλάσης 300 σε 38 °C είναι 51,0 bar, χρησιμοποιείται εδώ μόνο ως αναφορά πίεσης.