Prečo plávajúci uzáver DN50 triedy 300 netesní pri tlaku 0,2 MPa

01 | Test, ktorý skrýva problém

DN50 trieda 300 plávajúci guľový ventil úspešne prejde skúškou telesa aj skúškou sedla pri špecifikovanej násobnej hodnote menovitého tlaku, je zabalený, odoslaný, inštalovaný a následne kvapká na prenosovej trubke s prevádzkovým tlakom 0,2 MPa. Uzáver nie je chybný. Bol testovaný pri tlaku, ktorý v prevádzke nikdy nevznikne, a mechanizmus, na ktorom závisí tesnenie, pri reálnom prevádzkovom tlaku nefunguje.

Hydrostatická skúška veľmi zaťaží mäkké sedlo a ventil zatvára sa ľahko. Pri 0,2 MPa rovnaké sedlo takmer neposkytuje žiadnu tlakovú pomoc a všetko závisí od predpätia nastaveného počas montáže. V bežnej skúšobnej sekvencii sa táto podmienka nekontroluje, pokiaľ ju kupujúci špecificky nevyžaduje.

Obrázok 1. Plávajúca guľa DN50 (2 palcov), trieda 300 ventil v telese z materiálu WCB s označením veľkosti, triedy a materiálu na liatine tela. Guľa je upevnená iba dvoma kruhovými tesniacimi kruhmi. Shanghai Xiazhao Ventil .

02 | Číslo kontaktového napätia

Únik cez tesniacu plochu je problémom kontaktového napätia, nie tlaku. Osové zaťaženie sa vypočíta ako rozdiel tlakov vynásobený plochou prierezu otvoru. Plocha kontaktu sa vypočíta ako obvod tesniacej plochy vynásobený šírkou kontaktnej pásky. Ak jedno číslo vydelíme druhým, priemer otvoru sa vykráti a zostane jediný vzťah.

σ ≈ dP × D / (4 × w), kde D = priemer tesniacej plochy (mm), w = šírka kontaktnej pásky (mm), dP v MPa, σ v MPa

Pri typickej šírke kontaktnej pásky 3 mm, DN50 ventil pri 0,2 MPa vyvíja približne 0,8 MPa kontaktného napätia na sedle. Pri 5,1 MPa, čo zodpovedá triede 300, rovnaké sedlo vykazuje približne 21 MPa. DN25 pri 0,2 MPa má kontaktné napätie približne 0,4 MPa. Vzhľadom na sedlo z RPTFE, ktorého kompresná pevnosť je v desiatkach megapascalov, je nízkotlakový prípad zaťažený len niekoľkými percentami toho, čo materiál vydrží. Príspevok tlaku sa efektívne stratil a tesnenie funguje výhradne na predpätí.

Tabuľka 1. Orientačné kontaktné napätie na sede, šírka kontaktnej plochy 3 mm

Tabuľka tiež vysvetľuje jav, ktorý prekvapuje kupujúcich: čím menší je ventil ,tým horšie je správanie pri nízkom tlaku. DN25 má menej ako polovicu kontaktného napätia DN50 pri rovnakom tlakovom rozdiele, pretože tlaková sila klesá so štvorcom priemeru otvoru, zatiaľ čo obvod kontaktnej plochy klesá len lineárne.

A vysvetľuje tiež, prečo trieda nemá vplyv na tento typ poruchy. Zvýšenie DN50 z triedy 300 na triedu 600 zmení len označenie, nie kontaktné napätie pri 0,2 MPa. Ak je potrubie prevádzkované pri 0,2 MPa, ventil je 0,2 MPa ventil čokoľvek je vytlačené na tele.

03 | Prečo sa predpätie postupne stratí

Predpätie je uložená sila pružiny, ktorá vzniká geometriou sedla, stlačením elastoméru alebo explicitnou pružinou. Tri mechanizmy toto predpätie spotrebujú a všetky tri sú na výrobnom závode neviditeľné.

Kompresná deformácia. Mäkké sedlo pod záťažou trvalo deformuje a sila, ktorá spôsobila túto deformáciu, sa uvoľní. A ventil ktorá celý rok zostala uzavretá pri plnom rozdielovom tlaku, pri prvej nízkotlakovej prevádzke má menšie predpätie, ako mala na skúšobnom stánku.

Teplotné cyklovania. Každý cyklus od okolitej teploty na prevádzkovú teplotu a späť uvoľní časť predpätia a strata sa hromadí. A ventil na potrubí, ktoré sa denne zohrieva a ochladzuje, je iná ventil po dvesto cykloch.

Dlhodobé uzavretie. Sedlo, ktoré dlhodobo ostáva stlačené proti nepohyblivej guľke, sa pomaly deformuje (creep). Rozbíjanie tesnenia a opätovné nasadenie obnovuje časť kontaktu, preto operátor, ktorý dvakrát ovládne kvapkajúcu ventil často uvádza, že únik ustal, aspoň na čas.

Plynová služba každú z týchto situácií zhoršuje. Plyn nemá žiadny užitočný samozávesný účinok, kým sa nevytvorí tlak, a navyše preniká cez sedlo a pri klesaní sa cez neho dekomprimuje. Mäkké plávajúce sedlo v plynovom prostredí s nízkym tlakom patrí medzi najnáročnejšie prípady v ktorejkoľvek katalógovej ponuke a bežne sa špecifikuje tak, akoby išlo o vodu.

04 | Tri riešenia, ktoré fungujú

Zvýšenie predpätia je najlacnejšie riešenie. Sedlo so stlačenou pružinovou podložkou alebo silnejšou pružinou sedla udržiava kontaktné napätie nad tesniacou hranicou pri nízkom rozdielovom tlaku. Náklady sa však prejavujú na opačnom konci rozsahu: vyššie predpätie znamená vyššie trenie a vyšší krútiaci moment pri vysokom rozdielovom tlaku, a pri ručne ovládanom uzávere DN50 môže byť tento rozdiel rozhodujúci medzi použitím páky a prevodovky.

Zmena princípu sedla je robustnejšie riešenie. Sedlo s tlakovou podporou s oddeleným piestom tesní na malom účinnom priereze, takže rovnaký tlak v potrubí vyvolá oveľa vyššie kontaktné napätie. Kompenzáciou je smerovosť: piestové sedlo zvyčajne tesní v jednom smere a musí byť špecifikované so svojou orientáciou; dvojsmerná verzia sa zvyčajne predáva za vyššiu cenu. Pre nízkotlakové potrubie, ktoré musí tesniť v oboch smeroch, je to stále často správna voľba.

Zmena konštrukcie je uprimné riešenie, keď je prevádzková záťaž skutočne náročná. Pri DN50 poskytuje trúniové alebo horné vstupné teleso s pružinovo zaťahovaným sedlom predvídateľné správanie pri nízkom tlaku za cenu, ktorú komoditné plávajúce ventil sedlo nedokáže dosiahnuť. Je to vhodné pre potrubie, kde má únik dôsledky, a neekonomické pre potrubie, kde nemá žiadne dôsledky.

Nefunguje špecifikovanie menšieho ventil sedla, vyššej triedy tesnenia alebo drahšej značky. Žiadna z týchto možností nezmení kontaktné napätie pri 0,2 MPa. Táto hodnota je určená priemerom otvoru, šírkou tesniacej pásy a predpätím.

05 | Čo uviesť v špecifikácii

Špecifikácia by mala popisovať najnižší tlak, pri ktorom sa ventil musí tesniť, nie iba najvyšší tlak, ktorý musí vydržať. Tabuľka 2 prekonvertuje bežné požiadavky z praxe na riadok, ktorý mal byť už v technickom liste.

Tabuľka 2. Príznak z praxe, príčina a riadok špecifikácie, ktorý ho zabraňuje

Kritérium prijatia je rovnako dôležité ako skúšobný tlak. Nulová netesnosť nie je špecifikácia; špecifikujú sa triedy netesností. ISO 5208 – trieda A znamená žiadnu vizuálne detegovateľnú netesnosť, čo je to, čo kupujúci zvyčajne myslia pod pojmom „nulová“. Triedy B, C a D povolia postupne vyššiu mieru netesnosti, závislú od DN, a kovové sedlo sa ventil zvyčajne akceptuje pri vyššej triede ako mäkké sedlo. Uvedenie triedy, média a tlaku odstraňuje spory pri uvádzaní do prevádzky.

Päť riadkov v tomto poradí:

• Minimálny pracovný rozdielny tlak, pri ktorom musí uzáver tesniť, uvedený ako hodnota .
• Skúška tesnosti sedla pri tomto tlaku navyše ku štandardnej vysokotlakovej skúške tesnosti sedla.
• Akceptácia netesností podľa triedy – ISO 5208, triedy A až D, s uvedením skúšobného média.
• Materiál sedla a základ predpätia, požadovaný od výrobcu namiesto predpokladania.
• Očakávaný počet cyklov a doba uzavretia, ktoré rozhodujú, či je deformácia stlačením problémom návrhu.

Príloha A | Obrázkový materiál

Obrázok 1 je vložený do časti 01 v dodanej rozlíšení. Dodaný súbor má rozmer 1440 × 960 px, čo je vhodné pre webový obrázok široký 15 cm, avšak pre tlač by mal byť znovu exportovaný z pôvodnej fotografie.

Príloha B | Odkazy na normy a poznámky k údajom

API 598. Ventil Inšpekcia a skúšanie. Definuje požiadavky na skúšky telesa a sedla; tlak skúšky sedla je násobkom hodnoty tlaku, preto tento tlak nepredstavuje prevádzku pri nízkom tlaku.

ISO 5208. Priemyselné ventily – Skúšanie kovových uzávierok pod tlakom. Mierky úniku A až D sa vyjadrujú ako povolený únik na jednotku DN a za jednotku času a predstavujú správny spôsob vyjadrenia kritéria prijatia.

API 608. Kovová guľová klapka Ventily – Prírubové, závitové a zvárané koncové časti. Obsahuje rozsah malých priemerov s prírubami, kde sú plávajúce konštrukcie štandardné.

ASME B16.34. Ventily – Prírubové, závitové a zvárané koncové časti. Trieda 300 z uhlíkovej ocele pri teplote 38 °C má tlakové zaťaženie 51,0 bar; použité tu len ako referenčný tlak.