Dlaczego zawór pływający DN50 klasy 300 wycieka przy ciśnieniu 0,2 MPa

01 | Test, który ukrywa problem

Zawór kulowy pływający DN50 klasy 300 zawór przechodzi test obudowy i test siedziska przy określonej wielokrotności nominalnego ciśnienia roboczego, zostaje zapakowany, wysłany, zainstalowany, a następnie zaczyna kaplić na linii przesyłowej pracującej przy ciśnieniu 0,2 MPa. Zawór nie jest wadliwy. Przetestowano go przy ciśnieniu, którego nigdy nie doświadczy w eksploatacji, a mechanizm zapewniający uszczelnienie nie działa przy tym ciśnieniu, które rzeczywiście występuje.

Test hydrauliczny obciąża miękkie siedzisko intensywnie, a zawór uszczelnia łatwo. Przy ciśnieniu 0,2 MPa ten sam uszczelniający pierścień niemal w ogóle nie zapewnia wspomagania ciśnieniowego, a cała skuteczność zależy od wcisku początkowego zastosowanego podczas montażu. Żadna standardowa procedura testowa nie sprawdza tego warunku, chyba że kupujący wyraźnie o to poprosi.

Rysunek 1. Pływająca kula DN50 (2 cala), klasa 300 zawór w obudowie ze stali WCB, z naniesionymi na odlew obudowy wymiarem, klasą i materiałem. Kulę utrzymują wyłącznie dwa pierścienie uszczelniające. Shanghai Xiazhao Zawór .

02 | Liczba naprężeń kontaktowych

Wyciek przez uszczelnienie siedziska to problem naprężeń kontaktowych, a nie ciśnienia. Siła osiowa to różnica ciśnień pomnożona przez pole przekroju wewnętrznego. Powierzchnia kontaktu to obwód siedziska pomnożony przez szerokość pasma kontaktowego. Po podzieleniu jednej wielkości przez drugą średnica wewnętrzna redukuje się do pojedynczego związku.

σ ≈ dP × D / (4 × w), gdzie D = średnica siedziska (mm), w = szerokość pasma kontaktowego (mm), dP w MPa, σ w MPa

Przy typowej szerokości pasma kontaktowego 3 mm, dla DN50 zawór przy 0,2 MPa generuje około 0,8 MPa naprężenia kontaktowego na uszczelce. Przy 5,1 MPa, czyli klasie 300, ta sama uszczelka wykazuje około 21 MPa. DN25 przy 0,2 MPa osiąga wartość bliską 0,4 MPa. W przypadku uszczelki z RPTFE, której wytrzymałość na ściskanie wynosi kilkadziesiąt megapaskali, niskociśnieniowy przypadek obciąża materiał jedynie o kilka procent jego nośności. Wkład ciśnienia staje się efektywnie pomijalny, a uszczelnienie działa wyłącznie na podstawie wstępnego docisku.

Tabela 1. Orientacyjne naprężenie kontaktowe na uszczelce przy szerokości pasma kontaktu 3 mm

Tabela wyjaśnia również wzorzec, który zaskakuje zakupujących: im mniejszy zawór , tym gorsze zachowanie przy niskim ciśnieniu. DN25 wykazuje mniej niż połowę naprężenia kontaktowego DN50 przy tym samym spadku ciśnienia, ponieważ siła dociskająca maleje z kwadratem średnicy otworu, podczas gdy obwód kontaktu zmniejsza się jedynie liniowo.

Wyjaśnia także, dlaczego klasa nie wpływa na to zjawisko awaryjne. Podniesienie DN50 z klasy 300 do klasy 600 zmienia tylko klasę nominalną, nie zaś naprężenie kontaktowe przy 0,2 MPa. Jeśli układ pracuje przy 0,2 MPa, to zawór wynosi 0,2 MPa zawór cokolwiek jest wygrawerowane na korpusie.

03 | Dlaczego wstępne obciążenie zanika z czasem

Wstępne obciążenie to siła sprężysta zapasowa, pochodząca od geometrii siedziska, ściskania elastomeru lub wyraźnej sprężyny. Trzy mechanizmy zużywają to obciążenie, a wszystkie trzy są niewidoczne w zakładzie produkcyjnym.

Ubytek plastyczny. Miękkie siedzisko ulega trwałej deformacji pod wpływem obciążenia, a siła powodująca tę deformację ulega relaksacji. A zawór zawór, który przez rok pozostawał zamknięty przy pełnej różnicy ciśnień, przy pierwszym użytkowaniu przy niskim ciśnieniu ma mniejsze wstępne obciążenie niż na stanowisku testowym.

Cyklowanie termiczne. Każdy cykl od temperatury otoczenia do temperatury roboczej i z powrotem powoduje relaksację części wstępnego obciążenia, a utrata ta się kumuluje. Zawór zawór na rurociągu, który codziennie nagrzewa się i ochładza, staje się innym zawór po dwustu cyklach.

Długotrwałe pozostawanie w stanie zamkniętym. Siedzisko pozostające pod stałym naciskiem na nieruchomym kuli ulega pełzaniu. Przerwanie uszczelnienia i ponowne osadzenie go przywraca część kontaktu, dlatego operator, który dwukrotnie przesuwa zawór przeciekający zawór często zgłasza, że przeciek ustąpił – przynajmniej na jakiś czas.

Obsługa gazowa pogarsza każdą z tych sytuacji. Gaz nie wykazuje użytecznego efektu samozasilania, dopóki ciśnienie się nie zbuduje, a ponadto przesiąka przez uszczelkę i ulega dekompresji w trakcie opadania. Miękko-uszczelniona zawieszone zawór w niskociśnieniowym gazie stanowi jedno z najtrudniejszych zadań w dowolnym katalogu i jest rutynowo dobierany tak, jakby dotyczył wody.

04 | Trzy skuteczne rozwiązania

Zwiększenie wstępnego obciążenia jest najtańszym rozwiązaniem. Uszczelka z podkładką sprężynową lub silniejszą sprężyną uszczelkową utrzymuje naprężenie kontaktowe powyżej progu uszczelnienia przy małej różnicy ciśnień. Koszt pojawia się na drugim końcu zakresu: większe wstępne obciążenie oznacza większe tarcie i większy moment obrotowy przy dużej różnicy ciśnień; w przypadku zaworu o średnicy nominalnej DN50 może to oznaczać różnicę między dźwignią a przekładnią.

Zmiana zasady działania zaworu jest bardziej niezawodnym rozwiązaniem. Zawór z uszczelnieniem tłokowym, w którym tłok oddzielny uszczelnia na małej powierzchni skutecznej, generuje znacznie wyższe naprężenie kontaktowe przy tym samym ciśnieniu roboczym w przewodzie. Kompromisem jest kierunkowość: zawór z tłokowym uszczelnieniem zwykle uszczelnia tylko w jednym kierunku i musi być określony z uwzględnieniem jego orientacji; wersja dwukierunkowa zazwyczaj kosztuje więcej. Dla przewodu niskociśnieniowego, który musi zapewniać uszczelność w obu kierunkach, jest to jednak często poprawne rozwiązanie.

Zmiana konstrukcji jest uczciwym rozwiązaniem, gdy warunki eksploatacji są rzeczywiście trudne. W przypadku średnicy nominalnej DN50 korpus typu trunnion lub z górnym wlotem z uszczelnieniem sprężynowym zapewnia przewidywalne zachowanie przy niskim ciśnieniu, ale po cenie, jakiej nie może dorównać tanie zawory pływające. zawór jest to uzasadnione na przewodzie, gdzie przeciek ma poważne skutki, ale marnotrawstwem na przewodzie, gdzie jego wystąpienie nie ma znaczenia.

Nie działa natomiast określenie mniejszego zawór , wyższej klasy ani droższego markowego produktu. Żadna z tych zmian nie wpływa na naprężenie kontaktowe przy 0,2 MPa. Wartość ta zależy wyłącznie od średnicy wewnętrznej, szerokości pasma uszczelniającego oraz wstępnego obciążenia.

05 | Co umieścić w specyfikacji

Specyfikacja powinna określać najniższe ciśnienie, przy którym zawór zawór musi zapewniać uszczelnienie, a nie tylko najwyższe ciśnienie, jakie musi wytrzymać. Tabela 2 przekształca typowe skargi z pola w wiersz, który powinien znaleźć się w arkuszu danych.

Tabela 2. Objawy występujące w praktyce, ich przyczyny oraz wiersz specyfikacji zapobiegający im

Kryterium akceptacji ma takie samo znaczenie jak ciśnienie próbne. Brak wycieków nie jest specyfikacją; klasami wycieków są. Zgodnie z normą ISO 5208, stopień A oznacza brak wycieków wykrywalnych wizualnie – to właśnie taki sens ma zwykle pojęcie „brak wycieków” u zakupujących. Stopnie B, C i D dopuszczają coraz większe ilości wycieków, skalowane względem DN, a zawór z siedziskiem metalowym zawór zwykle akceptuje się przy wyższym stopniu niż zawór z siedziskiem miękkim. Wskazanie stopnia, medium oraz ciśnienia eliminuje spory podczas uruchamiania.

Pięć pozycji, w kolejności:

• Minimalne robocze ciśnienie różnicowe, przy którym zawór musi zapewniać uszczelnienie, podane jako wartość .
• Próba uszczelnienia siedziska przy tym ciśnieniu, dodatkowo do standardowej próby uszczelnienia przy wysokim ciśnieniu.
• Akceptacja wycieków według klasy – stopień A do D normy ISO 5208 – z podaniem medium próbne.
• Materiał siedziska oraz podstawa wstępnego obciążenia, wymagane od producenta, a nie zakładane.
• Oczekiwana liczba cykli oraz czas pozostawania w stanie zamkniętym, które decydują, czy utrata sprężystości (compression set) stanowi problem projektowy.

Dodatek A | Zasoby graficzne

Rysunek 1 jest osadzony w sekcji 01 w rozdzielczości dostarczonej. Dostarczony plik ma wymiary 1440 × 960 pikseli, co wystarcza do obrazu sieciowego o szerokości 15 cm, ale dla zastosowań drukowanych należy go ponownie wyeksportować z oryginalnego zdjęcia.

Dodatek B | Odwołane normy i uwagi dotyczące danych

API 598. Zawór Inspekcja i badania. Określa wymagania dotyczące badań obudowy i siedzenia zaworu; ciśnienie badawcze siedzenia jest wielokrotnością klasy ciśnieniowej, dlatego nie odzwierciedla ono zastosowania przy niskim ciśnieniu.

ISO 5208. Przemysłowe zawory – Badania ciśnieniowe zaworów metalowych. Stopy przecieków A–D wyrażane są jako dopuszczalna ilość przecieku przypadająca na jednostkę DN i na jednostkę czasu oraz stanowią poprawny sposób formułowania kryterium akceptacji.

API 608. Kulka metalowa Zawory – Końcówki kołnierzowe, gwintowane i spawane. Obejmuje zakres małych średnic kołnierzowych, w którym standardem są konstrukcje pływające.

ASME B16.34. Zawory – Końcówki kołnierzowe, gwintowane i spawane. Klasa 300 z carbon steel przy temperaturze 38 °C wynosi 51,0 bar; użyto tej wartości wyłącznie jako ciśnienia odniesienia.