Почему плавающий клапан DN50 класса 300 протекает при давлении 0,2 МПа

01 | Испытание, скрывающее проблему

Плавающий шаровой клапан DN50 класса 300 клапан успешно проходит испытания корпуса и седла при заданном кратном значении номинального давления, упаковывается, отправляется, устанавливается и затем начинает подкапывать на технологической линии с рабочим давлением 0,2 МПа. Клапан не является бракованным. Он испытывался при давлении, которое никогда не будет присутствовать в эксплуатации, а механизм, обеспечивающий его герметичность, не функционирует при том давлении, которое реально присутствует в системе.

Гидравлическое испытание сильно нагружает мягкое седло и клапан уплотняет легко. При давлении 0,2 МПа на том же седле практически отсутствует вспомогательное давление, и всё зависит от предварительного натяга, созданного при сборке. Ни один стандартный тестовый цикл не проверяет это условие, если покупатель специально не запросит такую проверку.

Рисунок 1. Плавающий шар DN50 (2 дюйма), класс 300 клапан в корпусе из стали WCB, с указанием размера, класса и материала на литом корпусе. Шар удерживается только двумя кольцами седла. Shanghai Xiazhao Клапан .

02 | Число контактных напряжений

Утечка через седло — это проблема контактных напряжений, а не давления. Осевое усилие равно перепаду давления, умноженному на площадь проходного сечения. Площадь контакта равна окружности седла, умноженной на ширину контактной зоны. Разделив первое на второе, диаметр проходного сечения сокращается, и остаётся единственная зависимость.

σ ≈ dP × D / (4 × w), где D — диаметр седла (мм), w — ширина контактной зоны (мм), dP — в МПа, σ — в МПа

При типичной ширине контактной зоны 3 мм для DN50 клапан при 0,2 МПа создаёт примерно 0,8 МПа контактного напряжения на седле. При 5,1 МПа (класс 300) то же седло испытывает около 21 МПа. Для DN25 при 0,2 МПа контактное напряжение составляет примерно 0,4 МПа. По сравнению с седлом из RPTFE, предел прочности которого при сжатии находится в десятках мегапаскалей, в случае низкого давления нагрузка составляет лишь несколько процентов от максимально допустимой для этого материала. Вклад давления фактически исчезает, и уплотнение работает исключительно за счёт предварительной затяжки.

Таблица 1. Ориентировочные значения контактного напряжения на седле при ширине контакта 3 мм

Таблица также объясняет закономерность, которая удивляет покупателей: чем меньше клапан , тем хуже поведение при низком давлении. У DN25 контактное напряжение менее чем вдвое меньше, чем у DN50 при одинаковой перепаде давления, поскольку осевое усилие уменьшается пропорционально квадрату диаметра проходного сечения, а длина линии контакта — лишь линейно.

И она объясняет, почему класс не влияет на данный вид отказа. Повышение класса DN50 с 300 до 600 изменяет номинальное давление, но не влияет на контактное напряжение при 0,2 МПа. Если линия работает при 0,2 МПа, то клапан составляет 0,2 МПа клапан всё, что выбито на корпусе.

03 | Почему предварительная нагрузка со временем исчезает

Предварительная нагрузка — это запасённая сила пружины, возникающая из-за геометрии седла, сжатия эластомера или явной пружины. Три механизма её расходуют, и все три незаметны на заводе.

Остаточная деформация. Мягкое седло под нагрузкой претерпевает необратимую деформацию, а сила, вызвавшая эту деформацию, ослабевает. клапан запорный элемент, который год находился в закрытом положении при полном перепаде давления, при первом применении при низком давлении обладает меньшей предварительной нагрузкой, чем на испытательном стенде.

Термические циклы. Каждый цикл от температуры окружающей среды до рабочей температуры линии и обратно приводит к частичному ослаблению предварительной нагрузки, и потери накапливаются. клапан запорный элемент на линии, которая ежедневно нагревается и охлаждается, — это иной клапан запорный элемент после двухсот циклов.

Длительное нахождение в закрытом состоянии. Седло, постоянно прижатое к неподвижному шарику, испытывает ползучесть. Разрыв уплотнения и повторное его создание частично восстанавливают контакт, поэтому оператор, дважды переместивший протекающий клапан запорный элемент, зачастую сообщает, что утечка прекратилась — по крайней мере, на какое-то время.

Газовая среда усугубляет каждую из этих проблем. Газ не обладает полезным самоподжимающим эффектом до тех пор, пока давление не начнёт расти, а также проникает сквозь уплотнительный элемент и расширяется через него при движении вниз. Мягкоседельный плавающий клапан для низкого давления газа — одна из самых сложных задач в любом каталоге, однако его зачастую выбирают так, будто речь идёт о воде.

04 | Три рабочих решения

Увеличение предварительного поджатия — самое дешёвое решение. Уплотнительный элемент с пружинной шайбой или более жёсткой пружиной удерживает контактное напряжение выше порога герметичности при малой перепадной разнице давлений. Однако цена этого решения проявляется на другом конце диапазона: большее предварительное поджатие означает больший коэффициент трения и больший крутящий момент при высокой перепадной разнице давлений; в случае рычажного управления для DN50 это может означать разницу между ручным рычагом и редуктором.

Изменение принципа работы седла является более надёжным решением. Седло с давлением, действующим на отдельный поршень, уплотняется на небольшой эффективной площади, поэтому одинаковое давление в линии создаёт значительно более высокое контактное напряжение. Компромисс заключается в направленности: седло с поршнем, как правило, обеспечивает уплотнение в одном направлении и должно быть указано с учётом ориентации; двунаправленная версия обычно стоит дороже. Для линии низкого давления, которая должна удерживать давление в обоих направлениях, это по-прежнему часто является правильным решением.

Изменение конструкции — честное решение, когда рабочие условия действительно сложны. При условном проходе DN50 корпус с опорой на шарнир (trunnion) или верхним входом (top-entry) с пружинно-нагруженным седлом обеспечивает предсказуемое поведение при низком давлении, но по цене, которую не может обеспечить стандартный плавающий клапан клапан. Это оправдано на линии, где утечка влечёт за собой последствия, и нецелесообразно на линии, где утечка не имеет значения.

Что не работает — это указание меньшего клапан клапана, более высокого класса или более дорогого бренда. Ни один из этих вариантов не изменяет контактное напряжение при 0,2 МПа. Значение определяется диаметром прохода, шириной уплотнительной зоны и предварительной нагрузкой.

05 | Что включить в техническое описание

Техническое описание должно указывать минимальное давление, при котором клапан устройство должно обеспечивать герметичность, а не только максимальное давление, которое оно способно выдержать. В таблице 2 приведено типичное полевое замечание и соответствующая строка, которая должна была быть включена в техническое описание.

Таблица 2. Проявление неисправности на месте эксплуатации, её причина и строка технического описания, предотвращающая её

Критерий приемки имеет такое же значение, как и испытательное давление. Отсутствие утечек — не техническая характеристика; существуют классы утечек. Согласно ISO 5208, класс A означает отсутствие визуально обнаружимых утечек — именно это покупатели обычно подразумевают под «нулевой утечкой». Классы B, C и D допускают постепенно возрастающие объёмы утечек, масштабируемые по DN, а клапан с металлическим уплотнением клапан обычно принимается по более высокому классу по сравнению с клапаном с мягким уплотнением. Указание класса, рабочей среды и давления исключает споры при вводе в эксплуатацию.

Пять пунктов в указанном порядке:

• Минимальное рабочее перепадное давление, при котором клапан должен обеспечивать герметичность, указывается как значение .
• Испытание уплотнения при этом давлении дополнительно к стандартному испытанию уплотнения при высоком давлении.
• Допустимые утечки по классам согласно ISO 5208 (классы A–D), с указанием испытательной среды.
• Материал уплотнения и основание для предварительной нагрузки — запрашиваются у производителя, а не предполагаются.
• Ожидаемое количество циклов и продолжительность закрытого состояния, определяющие, является ли релаксация сжатия проблемой проектирования.

Приложение А | Изображение

Рисунок 1 встроен в раздел 01 с исходным разрешением. Доставленный файл имеет размеры 1440 × 960 пикселей, что достаточно для веб-изображения шириной 15 см, но для печати его следует повторно экспортировать из исходного фотографического файла.

Приложение B | Ссылки на стандарты и примечания к данным

API 598. Клапан Инспекция и испытания. Определяет требования к испытаниям корпуса и седла; давление испытания седла кратно номинальному давлению, поэтому оно не соответствует условиям эксплуатации при низком давлении.

ISO 5208. Промышленное применение клапаны — Испытание металлических клапанов на давление. Уровни утечки A–D выражены как допустимый объём утечки на единицу DN и за единицу времени и являются корректным способом формулирования критерия приёмки.

API 608. Металлический шаровой кран Клапаны — Фланцевое, резьбовое и сварное присоединение. Охватывает диапазон малого диаметра с фланцевым присоединением, где стандартными являются плавающие конструкции.

ASME B16.34. Клапаны — Фланцевое, резьбовое и сварное присоединение. Класс 300 из углеродистой стали при температуре 38 °C соответствует давлению 51,0 бар; здесь это значение указано исключительно в качестве справочного.