Waarom lekt een DN50-klasse 300 drijfklep bij 0,2 MPa

01 | De test die het probleem verbergt

Een DN50 klasse 300 drijfballenklep klep slaagt voor zijn omhulseltest en zeteltest bij het gespecificeerde veelvoud van de drukklasse, wordt verpakt, verzonden, geïnstalleerd en lekt vervolgens op een transportleiding die werkt bij 0,2 MPa. De klep is niet defect. Ze werd getest bij een druk die ze in bedrijf nooit zal tegenkomen, en het mechanisme waarop ze voor afdichting vertrouwt, werkt niet bij de druk waaraan ze daadwerkelijk wordt blootgesteld.

De hydrotest belast een zachte zetel sterk en de klep verzegelt gemakkelijk. Bij 0,2 MPa levert dezelfde zitting bijna geen drukondersteuning meer, en alles hangt af van de voorspanning die tijdens de montage is aangebracht. Niets in een normale testreeks controleert deze voorwaarde, tenzij de koper dit specifiek vraagt.

Figuur 1. DN50 (2 inch) Class 300 drijfballenafsluiter klep in WCB behuizing, met grootte, klasse en materiaal aangegeven op het behuizingsgietstuk. De bal wordt uitsluitend vastgehouden door de twee zitringen. Shanghai Xiazhao Klep .

02 | Het contactspanningsgetal

Zitlekken is een contactspanningsprobleem, geen drukprobleem. De axiale kracht is gelijk aan het drukverschil vermenigvuldigd met het boorgatoppervlak. Het contactoppervlak is gelijk aan de zitomtrek vermenigvuldigd met de breedte van de contactband. Deel het eerste door het tweede en het boorgat valt weg, waardoor één enkele relatie overblijft.

sigma ≈ dP × D / (4 × w); D = zitboorgat (mm), w = contactband (mm), dP in MPa, sigma in MPa

Met een typische contactband van 3 mm, een DN50 klep bij 0,2 MPa ontwikkelt ongeveer 0,8 MPa aan zitcontactspanning. Bij 5,1 MPa, de Class-300-waardering, ondergaat dezelfde zitting ongeveer 21 MPa. Een DN25 bij 0,2 MPa ligt rond 0,4 MPa. In vergelijking met een RPTFE-zitting, waarvan de druksterkte in de tientallen megapascal ligt, wordt het lage-drukgeval belast met slechts enkele procenten van wat het materiaal kan opnemen. De drukbijdrage is effectief verdwenen en de afdichting werkt uitsluitend op voorbelasting.

Tabel 1. Indicatieve zitcontactspanning, 3 mm contactband

De tabel verklaart ook een patroon dat kopers verrast: hoe kleiner de klep , des te slechter het gedrag bij lage druk. Een DN25 heeft minder dan de helft van de contactspanning van een DN50 bij dezelfde drukdaling, omdat de kracht afneemt met het kwadraat van de boring, terwijl de contactomtrek slechts lineair afneemt.

En het verklaart waarom de klasse geen invloed heeft op deze storing. Het verhogen van een DN50 van Class 300 naar Class 600 wijzigt de waardering, niet de contactspanning bij 0,2 MPa. Als de leiding op 0,2 MPa werkt, is de klep een 0,2 MPa klep wat er ook op het lichaam is gestanst.

03 | Waarom de voorbelasting in de loop van de tijd verdwijnt

Voorbelasting is een opgeslagen veerkracht, veroorzaakt door de zitgeometrie, de elastomeerverdrukking of een expliciete veer. Drie mechanismen verbruiken deze voorbelasting, en alle drie zijn onzichtbaar bij de fabriek.

Verdrukkingstrek. Een zachte zitting ondergaat een blijvende vervorming onder belasting, en de kracht die deze vervorming veroorzaakte, ontspant zich. Een klep die een jaar lang gesloten stond bij volledig drukverschil aankomt bij haar eerste laagdruktaken met minder voorbelasting dan op de testbank.

Thermische cycli. Elke cyclus van omgevingstemperatuur naar leidingstemperatuur en terug ontspant een fractie van de voorbelasting, en het verlies hoopt zich op. Een klep op een leiding die dagelijks opwarmt en afkoelt, is een andere klep na tweehonderd cycli.

Langdurige stilstand. Een zitting die tegen een onbeweeglijke kogel blijft gedrukt staan, kruipen. Het verbreken van de afdichting en opnieuw plaatsen herstelt enigszins het contact, waardoor een operator die een lekkende klep tweemaal bedient vaak meldt dat het lekken is gestopt, althans tijdelijk.

Gasbediening verergert elk van deze gevallen. Een gas heeft geen nuttig zelfactiverend effect totdat de druk stijgt, en het dringt ook door de zitting heen en ontspant zich via de zitting tijdens de neerwaartse beweging. Een zwevende klep met zachte zitting voor laagdruk-gas is een van de moeilijkste gevallen in elke catalogus, en wordt toch routinematig gespecificeerd alsof het water betrof.

04 | Drie oplossingen die werken

Het verhogen van de voorspanning is de goedkoopste oplossing. Een zitting met een veerplaat of een zwaardere zittingveer handhaaft de contactspanning boven de afdichtdrempel bij lage drukverschillen. De kosten worden echter aan de andere kant van het bereik zichtbaar: meer voorspanning betekent meer wrijving en meer koppel bij hoog drukverschil, en bij een hendelbediende DN50 kan dat het verschil zijn tussen een hendel en een tandwiel.

Het wijzigen van het zitprincipe is de robuustere oplossing. Een drukondersteunde zitting met een afzonderlijke zuiger sluit op een klein effectief oppervlak, waardoor dezelfde leidingdruk veel hogere contactspanning veroorzaakt. Het nadeel is de richtingsgevoeligheid: een zuigerzitting sluit doorgaans in één richting en moet daarom met aandacht voor zijn oriëntatie worden gespecificeerd; een bidirectionele versie is meestal duurder. Voor een lagedrukleiding die in beide richtingen moet dichtblijven, is dit echter vaak nog steeds de juiste oplossing.

Het wijzigen van het ontwerp is de eerlijke oplossing wanneer de toepassing daadwerkelijk zwaar is. Bij DN50 geeft een trunnion- of top-entry behuizing met een veerbelaste zitting voorspelbaar gedrag bij lage druk, tegen een prijs die een standaard zwevende klep niet kan evenaren. Dit is de moeite waard op een leiding waar lekkage gevolgen heeft, maar verspilling op een leiding waar dat niet het geval is.

Wat niet werkt, is het specificeren van een kleinere klep , een hogere klasse of een duurdere merknaam. Geen van deze opties verandert de contactspanning bij 0,2 MPa. Dat getal wordt bepaald door de boring, de bandbreedte en de voorbelasting.

05 | Wat in de specificatie moet worden opgenomen

De specificatie moet de laagste druk beschrijven waarbij de klep moet afdichten, niet alleen de hoogste druk waartegen deze moet weerstaan. Tabel 2 vertaalt de gebruikelijke klacht uit het veld naar de regel die in het datasheet had moeten staan.

Tabel 2. Klacht uit het veld, oorzaak en de specificatieregel die deze voorkomt

Het acceptatiecriterium is even belangrijk als de testdruk. Geen lekkage is geen specificatie; lekkageklassen wel. ISO 5208 Klasse A betekent geen zichtbaar waarneembare lekkage, wat kopers meestal bedoelen met ‘geen lekkage’. Klassen B, C en D staan toe dat er geleidelijk meer lekkage optreedt, geschaald naar DN, en een metalen zitting wordt klep meestal geaccepteerd tegen een hogere klasse dan een zachte zitting. Het opnemen van de klasse, het medium en de druk voorkomt discussie bij inbedrijfstelling.

Vijf regels, in deze volgorde:

• Minimale werkverschil-druk waaronder de klep moet dichten, aangegeven als een waarde .
• Zittingstest bij die druk, naast de standaard zittingstest onder hoge druk.
• Lekkage-acceptatie per klasse, ISO 5208 Klasse A tot D, met vermelding van het testmedium.
• Zittingsmateriaal en voorbelastingsbasis, gevraagd aan de fabrikant in plaats van verondersteld.
• Verwacht aantal cycli en sluitduur, waarmee wordt bepaald of compressieset een ontwerpkwestie is.

Bijlage A | Afbeeldingsbestand

Figuur 1 is ingebed in sectie 01 in de geleverde resolutie. Het geleverde bestand is 1440 × 960 px, wat voldoende is voor een webafbeelding van 15 cm, maar het moet opnieuw worden geëxporteerd uit de oorspronkelijke foto voor gebruik in druk.

Bijlage B | Verwezen standaarden en gegevensnotities

API 598. Klep Inspectie en testen. Definieert de eisen voor de mantel- en zeteltest; de testdruk voor de zetel is een veelvoud van de nominale druk, waardoor deze niet staat voor laagdrukbijzonderheden.

ISO 5208. Industrieel kleppen – Druktesten van metalen kleppen. Lekkagerates A tot D worden uitgedrukt als toegestane lekkage per DN en per tijdseenheid, en vormen de juiste manier om een acceptatiecriteria aan te geven.

API 608. Metalen kogel Kleppen - Flens-, schroef- en lasaansluitingen. Bestrijkt het kleinbuisflensbereik waar drijvende ontwerpen standaard zijn.

ASME B16.34. Kleppen - Flens-, schroef- en lasaansluitingen. Klasse 300-koolstofstaalwaardering bij 38 °C is 51,0 bar, hier alleen gebruikt als referentiedruk.