چرا شیر شناور DN50 کلاس ۳۰۰ در فشار ۰٫۲ مگاپاسکال نشت می‌کند

بخش ۰۱ | آزمونی که مشکل را پنهان می‌کند

یک شیر توپی شناور با قطر اسمی ۵۰ میلی‌متر و کلاس ۳۰۰ سوپاپ در آزمون بدنه و آزمون نشیمنگاه خود در مضرب مشخصی از فشار اسمی موفق می‌شود، بسته‌بندی می‌شود، حمل می‌گردد، نصب می‌شود و سپس در خط انتقالی که در فشار ۰٫۲ مگاپاسکال کار می‌کند، نشت می‌کند. این شیر معیوب نیست. آن را در فشاری آزمایش کرده‌اند که هرگز در عملیات عادی با آن مواجه نخواهد شد و مکانیسمی که برای آب‌بندی به آن تکیه دارد، در فشاری که در عملیات واقعی با آن روبرو می‌شود، فعال نمی‌شود.

آزمون هیدرواستاتیکی نشیمنگاه نرم را تحت بار سنگین قرار می‌دهد و سوپاپ به‌راحتی آب‌بند می‌شود. در فشار ۰٫۲ مگاپاسکال، همان نشیمنگاه تقریباً هیچ کمک فشاری ارائه نمی‌دهد و همه چیز به نیروی پیش‌بارگذاری اعمال‌شده در زمان مونتاژ بستگی دارد. هیچ‌یک از مراحل معمول آزمون، این شرایط را بررسی نمی‌کند مگر اینکه خریدار به‌طور خاص درخواست آن را داده باشد.

شکل ۱. توپ‌شناور کلاس ۳۰۰، DN۵۰ (۲ اینچ) سوپاپ در بدنه WCB، با مشخص‌کردن اندازه، کلاس و جنس روی ریخته‌گری بدنه. توپ تنها توسط دو حلقه نشیمنگاه نگه‌داری می‌شود. شانگهای شیائوزاو سوپاپ .

۰۲ | عدد تنش تماسی

نشت از نشیمنگاه یک مسئله تنش تماسی است، نه مسئله فشار. نیروی محوری برابر است با اختلاف فشار ضرب‌در سطح مقطع سوراخ. سطح تماس برابر است با محیط نشیمنگاه ضرب‌در عرض نوار تماس. با تقسیم اولی بر دومی، قطر سوراخ حذف شده و یک رابطه منفرد باقی می‌ماند.

σ ≈ dP × D / (۴ × w) — D = قطر نشیمنگاه (میلی‌متر)، w = عرض نوار تماس (میلی‌متر)، dP به مگاپاسکال، σ به مگاپاسکال

با عرض نوار تماس معمولی ۳ میلی‌متر، برای DN۵۰ سوپاپ در فشار ۰٫۲ مگاپاسکال، تقریباً ۰٫۸ مگاپاسکال تنش تماسی نشست ایجاد می‌شود. در فشار ۵٫۱ مگاپاسکال (ردهٔ کلاس ۳۰۰)، همان نشست تقریباً ۲۱ مگاپاسکال تنش تماسی را تحمل می‌کند. یک شیر با قطر اسمی DN25 در فشار ۰٫۲ مگاپاسکال تنش تماسی حدود ۰٫۴ مگاپاسکال دارد. در برابر یک نشست از جنس RPTFE که استحکام فشاری آن در ده‌ها مگاپاسکال است، حالت کم‌فشار تنها با چند درصد از ظرفیت باربری ماده بارگذاری می‌شود. سهم فشار به‌طور مؤثری ناپدید شده و در این حالت، آب‌بندی صرفاً بر اساس پیش‌بارگذاری انجام می‌شود.

جدول ۱. تنش تماسی تقریبی نشست، با عرض ناحیهٔ تماس ۳ میلی‌متر

جدول همچنین الگویی را توضیح می‌دهد که برای خریداران غیرمنتظره است: هرچه اندازهٔ سوپاپ کوچک‌تر باشد، رفتار در فشار کم بدتر می‌شود. یک DN25 در همان اختلاف فشار، کمتر از نیمی از تنش تماسی یک DN50 را تحمل می‌کند، زیرا نیروی هل‌دهنده با مجذور قطر داخلی کاهش می‌یابد، درحالی‌که محیط ناحیهٔ تماس تنها به‌صورت خطی کاهش می‌یابد.

و همچنین توضیح می‌دهد که چرا ردهٔ فشاری هیچ تأثیری بر این نوع خرابی ندارد. افزایش ردهٔ DN50 از کلاس ۳۰۰ به کلاس ۶۰۰، فقط ردهٔ فشاری را تغییر می‌دهد و تنش تماسی در فشار ۰٫۲ مگاپاسکال را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد. اگر خط لوله در فشار ۰٫۲ مگاپاسکال کار کند، سوپاپ فشار ۰٫۲ مگاپاسکال است سوپاپ هر چیزی که روی بدنه حک شده است.

۰۳ | چرا پیش‌بارگذاری با گذشت زمان از بین می‌رود

پیش‌بارگذاری نیروی ذخیره‌شده در فنر است که از هندسه صندلی، فشرده‌سازی الاستومر یا یک فنر مشخص ناشی می‌شود. سه مکانیسم این نیرو را مصرف می‌کنند و هر سه در کارخانه قابل مشاهده نیستند.

تنظیم فشردگی. صندلی نرم تحت بار دچار تغییر شکل دائمی می‌شود و نیرویی که این تغییر شکل را ایجاد کرده است، کاهش می‌یابد. یک سوپاپ شیری که برای یک سال به‌طور کامل بسته و تحت فشار تفاضلی کامل قرار داشته است، هنگام اولین کاربرد با فشار پایین، پیش‌بارگذاری کمتری نسبت به زمان آزمون روی نیمکت تست دارد.

چرخه‌های حرارتی. هر چرخه از دمای محیط به دمای خط و سپس بازگشت به دمای محیط، بخشی از پیش‌بارگذاری را کاهش می‌دهد و این کاهش تجمعی است. یک سوپاپ شیر روی خطی که روزانه گرم و سرد می‌شود، پس از دویست چرخه، وضعیتی متفاوت از سوپاپ حالت اولیه خود دارد.

بسته‌ماندن طولانی‌مدت. صندلی‌ای که مدتی طولانی تحت فشار ثابت روی گلوله‌ای ساکن قرار دارد، دچار خزش می‌شود. شکستن درز و نشستن مجدد صندلی، بخشی از تماس را بازیابی می‌کند؛ به همین دلیل است که اپراتوری که یک شیر نشتی‌دار را دو بار حرکت می‌دهد، اغلب گزارش می‌دهد که نشتی متوقف شده است، حداقل برای مدتی. سوپاپ شیر

سرویس گاز همهٔ این موارد را بدتر می‌کند. گاز تا زمانی که فشار افزایش نیابد، هیچ اثر خودتحریک‌کنندهٔ مفیدی ندارد و همچنین از نشیمنگاه نفوذ کرده و در مسیر پایین‌آمدن از آن فشارش کاسته می‌شود. شیر شناور با نشیمنگاه نرم در گاز فشار پایین یکی از دشوارترین موارد در هر کاتالوگی است و معمولاً به‌گونه‌ای مشخص می‌شود که انگار برای آب است.

۰۴ | سه راه‌حل مؤثر

افزایش پیش‌بارگذاری ارزان‌ترین راه‌حل است. نشیمنگاهی که با واشر فنری یا فنر سنگین‌تری تجهیز شده باشد، تنش تماس را در اختلاف فشار پایین بالاتر از آستانهٔ آب‌بندی حفظ می‌کند. اما هزینهٔ آن در انتهای دیگر محدوده ظاهر می‌شود: پیش‌بارگذاری بیشتر به معنای اصطکاک بیشتر و گشتاور بیشتر در اختلاف فشار بالا است و در شیری با عمل‌کرد اهرمی و قطر اسمی ۵۰ میلی‌متر، این تفاوت ممکن است بین استفاده از اهرم و گیربکس تعیین‌کننده باشد.

تغییر اصل صندلی راه‌حل مستحکم‌تری است. صندلی کمک‌شده با فشار که دارای پیستون جداگانه‌ای است، روی سطح مؤثر کوچکی در برابر نشتی می‌بندد؛ بنابراین همان فشار خط، تنش تماسی بسیار بالاتری ایجاد می‌کند. جبران این روش، جهت‌دار بودن آن است: صندلی پیستونی معمولاً تنها در یک جهت در برابر نشتی می‌بندد و باید با توجه به جهت نصب آن مشخص شود؛ و نسخه دوجهتهٔ آن معمولاً گران‌تر است. برای خطی با فشار پایین که باید در هر دو جهت مقاومت کند، این روش همچنان اغلب بهترین پاسخ است.

تغییر طراحی، راه‌حل صادقانه‌ای است وقتی کاربرد واقعاً سخت باشد. در اندازهٔ DN50، بدنهٔ نوع ترونیون یا ورودی از بالا با صندلی فنری، رفتار قابل پیش‌بینی در فشار پایین را فراهم می‌کند؛ اما قیمت آن از قیمت محصولات رایج شناور (floating) بیشتر است. سوپاپ این قیمت را نمی‌توان با محصولات رایج شناور رقابت کرد. این ارزش را دارد که در خطی که نشتی پیامدهایی دارد، به کار رود؛ اما در خطی که نشتی پیامدی ندارد، این انتخاب اسراف‌آمیز است.

آنچه عمل نمی‌کند، مشخص‌کردن شیری با اندازهٔ کوچک‌تر است. سوپاپ درجهٔ بالاتر یا برند گران‌تر. هیچ‌یک از این موارد تنش تماسی را در فشار ۰٫۲ مگاپاسکال تغییر نمی‌دهند. این عدد توسط قطر داخلی، عرض نوار و پیش‌بارگذاری تعیین می‌شود.

۰۵ | آنچه باید در مشخصات فنی قرار گیرد

مشخصات فنی باید کمترین فشاری را که در آن سوپاپ باید آب‌بندی کند، توصیف کند، نه صرفاً بالاترین فشاری که باید تحمل کند. جدول ۲ شکایات رایج از محل نصب را به عبارتی تبدیل می‌کند که باید در برگهٔ مشخصات فنی درج می‌شد.

جدول ۲. علامت‌های مشاهده‌شده در محل نصب، علت احتمالی و عبارت مشخصات فنی که از بروز آن جلوگیری می‌کند

معیار پذیرش به اندازهٔ فشار آزمایش اهمیت دارد. عدم نشت صفر مشخصه‌ای نیست؛ بلکه کلاس‌های نشت هستند. نرخ A استاندارد ISO 5208 به معنای عدم نشتی قابل مشاهده با چشم است که معمولاً همین چیزی است که خریداران منظورِ «صفر» را دارند. نرخ‌های B، C و D به ترتیب نشت بیشتری را مجاز می‌دانند که بر اساس DN مقیاس‌بندی شده‌اند و دریچه‌ای با نشیمنگاه فلزی معمولاً در مقابل نرخی بالاتر از دریچه‌ای با نشیمنگاه نرم پذیرفته می‌شود. سوپاپ نوشتن نرخ، محیط آزمایش و فشار، اختلاف نظر را در زمان راه‌اندازی از بین می‌برد.

پنج خط، به ترتیب:

• حداقل فشار تفاضلی کاری که دریچه باید در آن درزبندی کند، که به صورت یک ارزش .
• آزمایش نشیمنگاه در آن فشار، علاوه بر آزمایش استاندارد نشیمنگاه با فشار بالا.
• پذیرش نشت بر اساس کلاس‌ها، نرخ‌های A تا D استاندارد ISO 5208، با ذکر محیط آزمایش.
• جنس نشیمنگاه و مبنای پیش‌بارگذاری، که از سوی سازنده درخواست می‌شود نه اینکه فرض شود.
• تعداد چرخه‌های مورد انتظار و مدت زمان بسته‌ماندن، که تعیین می‌کنند آیا افت فشار ناشی از تراکم (compression set) مسئله‌ای طراحی‌شده است یا خیر.

پیوست الف | دارایی‌های تصویری

شکل ۱ در بخش ۰۱ با وضوح تحویل‌داده‌شده جاسازی شده است. پروندهٔ تحویل‌داده‌شده ۱۴۴۰ × ۹۶۰ پیکسل است که برای تصویر وب ۱۵ سانتی‌متری کافی است، اما برای استفادهٔ چاپی باید مجدداً از عکس اصلی صادر شود.

پیوست بی | استانداردهای ارجاع‌داده‌شده و یادداشت‌های داده‌ها

API 598. سوپاپ بازرسی و آزمون. الزامات آزمون پوسته و نشیمنگاه را تعریف می‌کند؛ فشار آزمون نشیمنگاه مضربی از رده‌بندی است، بنابراین نمایانگر کاربرد در فشار پایین نیست.

استاندارد ایزو ۵۲۰۸. صنعتی کلیدها — آزمون فشار شیرهای فلزی. نرخ‌های نشت A تا D به‌صورت نشت مجاز به‌ازای هر DN و به‌ازای هر واحد زمان بیان می‌شوند و روش صحیح بیان معیار پذیرش هستند.

API ۶۰۸. توپ فلزی کلیدها - انتهای فلنج‌دار، رزوه‌دار و جوشکاری‌شده. این استاندارد محدودهٔ فلنج‌دار کوچک‌قطر را پوشش می‌دهد که در آن طراحی‌های شناور معمول هستند.

ASME B16.34. کلیدها - انتهای فلنج‌دار، رزوه‌دار و جوشکاری‌شده. ردهٔ فشار ۳۰۰ از فولاد کربنی در دمای ۳۸ درجهٔ سانتی‌گراد برابر با ۵۱٫۰ بار است و در اینجا صرفاً به‌عنوان فشار مرجع استفاده شده است.