Perché una valvola galleggiante DN50 classe 300 perde a 0,2 MPa

01 | La prova che nasconde il problema

Una valvola a sfera galleggiante DN50 Classe 300 valvola superando la prova del corpo e la prova della sede alla multipla specificata della pressione nominale, viene imballata, spedita, installata e successivamente perde in una linea di trasferimento operante a 0,2 MPa. La valvola non è difettosa. È stata provata a una pressione che non incontrerà mai in servizio, e il meccanismo su cui si basa la tenuta non opera alla pressione effettivamente presente in esercizio.

La prova idraulica carica pesantemente la sede morbida e valvola si sigilla facilmente. A 0,2 MPa lo stesso sedile non fornisce quasi alcun aiuto di pressione e tutto dipende dal precarico applicato in fase di montaggio. Nessuna prova standard verifica tale condizione, a meno che l’acquirente non la richieda espressamente.

Figura 1. Sfera galleggiante DN50 (2 pollici), classe 300 valvola con corpo in WCB, con dimensione, classe e materiale indicati sulla fusione del corpo. La sfera è trattenuta soltanto dai due anelli di tenuta. Shanghai Xiazhao Valvola .

02 | Il numero di tensione di contatto

La perdita al sedile è un problema di tensione di contatto, non di pressione. La spinta assiale è data dalla differenza di pressione moltiplicata per l’area del diametro interno. L’area di contatto è data dalla circonferenza del sedile moltiplicata per la larghezza della banda di contatto. Dividendo la prima grandezza per la seconda, il diametro interno si semplifica, ottenendo una relazione univoca.

sigma ≈ dP × D / (4 × w); D = diametro interno del sedile (mm), w = larghezza della banda di contatto (mm), dP in MPa, sigma in MPa

Con una tipica banda di contatto di 3 mm, un DN50 valvola a 0,2 MPa sviluppa circa 0,8 MPa di tensione di contatto sulla sede. A 5,1 MPa, la classe 300, la stessa sede subisce circa 21 MPa. Un DN25 a 0,2 MPa raggiunge circa 0,4 MPa. Confrontato con una sede in RPTFE, la cui resistenza a compressione è nell'ordine delle decine di megapascal, il caso a bassa pressione è caricato solo con qualche percentuale di quanto il materiale può sopportare. Il contributo della pressione è di fatto scomparso e la tenuta funziona esclusivamente grazie al precarico.

Tabella 1. Tensione di contatto indicativa sulla sede, banda di contatto da 3 mm

La tabella spiega anche un andamento che sorprende gli acquirenti: più piccolo è il valvola , peggiore è il comportamento a bassa pressione. Un DN25 ha meno della metà della tensione di contatto di un DN50 alla stessa differenza di pressione, perché la forza di spinta diminuisce con il quadrato del diametro nominale, mentre la circonferenza di contatto diminuisce solo linearmente.

Spiega inoltre perché la classe non influisce su questo tipo di guasto. Portare un DN50 dalla classe 300 alla classe 600 modifica la pressione di riferimento, non la tensione di contatto a 0,2 MPa. Se la linea opera a 0,2 MPa, il valvola è 0,2 MPa valvola qualsiasi cosa sia impressa sul corpo.

03 | Perché il precarico scompare nel tempo

Il precarico è una forza elastica immagazzinata, derivante dalla geometria del sedile, dalla compressione dell’elastomero o da una molla esplicita. Tre meccanismi lo consumano, e tutti e tre sono invisibili in fabbrica.

Deformazione permanente per compressione. Un sedile morbido subisce una deformazione permanente sotto carico, e la forza che ha prodotto tale deformazione si rilassa. Un valvola che è rimasto chiuso a differenziale massimo per un anno arriva al suo primo servizio a bassa pressione con un precarico inferiore rispetto a quello misurato sul banco di prova.

Cicli termici. Ogni ciclo tra temperatura ambiente e temperatura di linea e ritorno rilassa una frazione del precarico, e la perdita si accumula. Un valvola su una linea che si riscalda e si raffredda quotidianamente è diverso da un valvola dopo duecento cicli.

Chiusura prolungata. Un sedile che rimane premuto contro una sfera ferma subisce un fenomeno di fluage. Rompere la tenuta e riposizionare il sedile ne ripristina parzialmente il contatto, motivo per cui un operatore che aziona due volte una valvola che perde spesso riferisce che la fuoriuscita si è arrestata, almeno per un certo periodo.

Il servizio con gas peggiora ciascuno di questi casi. Un gas non produce alcun effetto autoenergizzante utile fino a quando non si raggiunge una certa pressione, e inoltre permea la sede e si decomprime attraverso di essa durante la discesa. Una valvola a galleggiamento con sede morbida per gas a bassa pressione rappresenta uno dei casi più difficili presenti in qualsiasi catalogo, eppure viene spesso specificata come se dovesse gestire acqua.

04 | Tre soluzioni efficaci

Aumentare il precarico è la soluzione più economica. Una sede dotata di una rondella elastica o di una molla più rigida mantiene la tensione di contatto al di sopra della soglia di tenuta anche a bassa differenza di pressione. Il costo si manifesta all’altro estremo della gamma: un precarico maggiore comporta maggiore attrito e maggiore coppia a elevata differenza di pressione; su una valvola da DN50 azionata a leva, ciò può fare la differenza tra l’uso di una leva e l’impiego di un riduttore.

Modificare il principio di funzionamento della sede è la soluzione più robusta. Una sede assistita da pressione con un pistone separato sigilla su una piccola area efficace, quindi la stessa pressione di linea genera una tensione di contatto molto maggiore. Il compromesso riguarda la direzionalità: normalmente una sede a pistone sigilla in un’unica direzione e deve essere specificata con la propria orientazione; una versione bidirezionale costa generalmente di più. Per una linea a bassa pressione che deve garantire tenuta in entrambe le direzioni, questa rimane comunque spesso la scelta corretta.

Modificare il progetto è la soluzione onesta quando l’impiego è effettivamente gravoso. A DN50, un corpo a trunnion o ad inserimento superiore con sede caricata a molla garantisce un comportamento prevedibile a bassa pressione, a un costo che un modello flottante di tipo standard valvola non riesce a eguagliare. Tale soluzione è giustificata su una linea in cui le perdite hanno conseguenze rilevanti, ma risulta superflua su una linea in cui non ne hanno.

Ciò che non funziona è specificare una valvola di diametro minore valvola , una classe superiore o un marchio più costoso. Nessuna di queste scelte modifica la tensione di contatto a 0,2 MPa. Questo valore dipende esclusivamente dal diametro nominale, dalla larghezza della fascia e dal precarico.

05 | Cosa inserire nelle specifiche

Le specifiche devono descrivere la pressione minima alla quale la valvola deve sigillare, non solo la pressione massima che deve sopportare. La tabella 2 traduce il tipico reclamo sul campo nella riga che avrebbe dovuto figurare nel datasheet.

Tabella 2. Sintomo sul campo, causa e riga di specifica che lo previene

Il criterio di accettazione è importante quanto la pressione di prova. L'assenza di perdite non è una specifica; le classi di perdita sì. La classe ISO 5208 Rate A significa assenza di perdite rilevabili visivamente, che è ciò che gli acquirenti intendono normalmente con "zero perdite". Le classi Rate B, C e D consentono perdite progressivamente maggiori, scalate in funzione del DN, e una valvola con sede metallica valvola viene normalmente accettata rispetto a una classe successiva rispetto a una valvola con sede morbida. Specificare la classe, il mezzo di prova e la pressione elimina ogni controversia al momento della messa in servizio.

Cinque righe, nell'ordine seguente:

• Differenziale di pressione minimo di esercizio al quale la valvola deve garantire la tenuta, indicato come valore .
• Prova di tenuta della sede a tale pressione, oltre alla normale prova di tenuta a pressione elevata.
• Accettazione delle perdite per classe, da ISO 5208 Rate A a Rate D, con indicazione esplicita del mezzo di prova.
• Materiale della sede e base del precarico, richiesti al produttore anziché assunti per default.
• Numero previsto di cicli e durata della chiusura, parametri che determinano se il fenomeno del set di compressione costituisce un problema progettuale.

Appendice A | Risorsa immagine

La figura 1 è incorporata nella sezione 01 alla sua risoluzione fornita. Il file fornito è 1440 x 960 px, sufficiente per un’immagine web di 15 cm, ma deve essere esportato nuovamente dalla fotografia originale per l’uso in stampa.

Appendice B | Norme di riferimento e note sui dati

API 598. Valvola Ispezione e collaudo. Definisce i requisiti per i test del corpo e della sede; la pressione di prova della sede è un multiplo della classe di pressione, motivo per cui non rappresenta un servizio a bassa pressione.

ISO 5208. Industriale valvole – Collaudo di tenuta delle valvole metalliche. Le classi di perdita A–D sono espresse come perdita ammissibile per DN e per unità di tempo ed è il modo corretto per indicare un criterio di accettazione.

API 608. Sfera metallica Valvole - Estremità con flangia, filettate e saldate. Copre la gamma di piccolo diametro con flange in cui i design a galleggiamento sono standard.

ASME B16.34. Valvole - Estremità con flangia, filettate e saldate. Classe 300 in acciaio al carbonio a 38 °C corrisponde a una pressione di riferimento di 51,0 bar.