Varför läcker en DN50-klass-300-svävande ventil vid 0,2 MPa

01 | Testet som döljer problemet

En DN50 klass 300 flytande kolv ventil klarar sitt skaltest och sitt sätes-test vid den angivna multiplikationen av tryckklassen, förpackas, skickas, installeras och läcker sedan lätt på en överföringsledning som kör vid 0,2 MPa. Ventilen är inte defekt. Den testades vid ett tryck som den aldrig kommer att utsättas för i drift, och mekanismen som den förlitar sig på för tätning fungerar inte vid det tryck den faktiskt utsätts för.

Hydrotestet belastar en mjuk säte kraftigt och ventil tätar lätt. Vid 0,2 MPa ger samma säte nästan ingen tryckstöd, och allt beror på förspänningen som byggs in vid monteringen. Ingenting i en normal provsekvens kontrollerar detta villkor om inte köparen specifikt begär det.

Figur 1. DN50 (2 tum) Class 300 flytande kula ventil i WCB-kropp, med storlek, klass och material märkta på kroppsgjutningen. Kulan hålls endast av de två sätesringarna. Shanghai Xiazhao Ventil .

02 | Kontaktspänningsnumret

Sätesläckning är ett kontaktspänningsproblem, inte ett tryckproblem. Tryckkraften är differenstrycket multiplicerat med borrdiameterns area. Kontaktarean är sätesomkretsen multiplicerad med bredden på kontaktbandet. Dela den ena med den andra och borrdiametern förkortas bort till ett enda samband.

sigma ≈ dP × D / (4 × w) D = sätesborr (mm), w = kontaktband (mm), dP i MPa, sigma i MPa

Med ett typiskt kontaktband på 3 mm, en DN50 ventil vid 0,2 MPa utvecklar den ungefär 0,8 MPa tryckspänning i säteskontakten. Vid 5,1 MPa, klass 300-ratingen, upplever samma säte ungefär 21 MPa. En DN25 vid 0,2 MPa ligger nära 0,4 MPa. I förhållande till ett RPTFE-säte vars tryckhållfasthet ligger i tiotals megapascal belastas fallet med lågt tryck endast med några procent av vad materialet kan bära. Tryckbidraget har i praktiken försvunnit och tätningen fungerar enbart på förspänningskraft.

Tabell 1. Indikativ tryckspänning i säteskontakt, 3 mm kontaktkant

Tabellen förklarar också ett mönster som förvånar köpare: ju mindre ventil , desto sämre är beteendet vid lågt tryck. En DN25 har mindre än hälften av kontaktrycket hos en DN50 vid samma differenstryck, eftersom kraften minskar med kvadraten på genomgången medan kontaktkretsen endast minskar linjärt.

Och den förklarar varför klass inte påverkar detta fel. Att höja en DN50 från klass 300 till klass 600 ändrar ratingen, inte kontaktrycket vid 0,2 MPa. Om ledningen arbetar vid 0,2 MPa är ventil en 0,2 MPa ventil vad som än är stämplat på kroppen.

03 | Varför förspänningen försvinner med tiden

Förspänning är en lagrad fjäderkraft, från sätesgeometrin, elastomerkompressionen eller en explicit fjäder. Tre mekanismer förbrukar den, och alla tre är osynliga vid fabriken.

Kompressionsnedslag. Ett mjukt säte får en permanent deformation under belastning, och kraften som orsakade denna deformation avslappnar. Ett ventil som stått stängt vid fullt differentialtryck i ett år anländer till sin första lågtrycksdrift med mindre förspänning än det hade på provbänken.

Termisk cykling. Varje cykel från rumstemperatur till ledningstemperatur och tillbaka avslappnar en del av förspänningen, och förlusten ackumuleras. Ett ventil på en ledning som värms upp och svalnar dagligen är ett annat ventil efter tvåhundra cykler.

Långvarig stillastående period. Ett säte som förblir tryckt mot en orörlig kula kryper. Att bryta tätheten och återställa sätespositionen återställer delvis kontakten, vilket är anledningen till att en operatör som manuellt rör på ett läckande ventil två gånger ofta rapporterar att läckningen upphört, åtminstone för en tid.

Gasdrift förvärrar alla dessa fall. En gas har ingen användbar självaktiverande effekt förrän trycket byggs upp, och den tränger också igenom sätena och dekomprimerar genom dem på vägen neråt. En mjuksluten flytande ventil för lågtrycksgas är ett av de svåraste fallen i vilken katalog som helst, och den specificeras rutinmässigt som om den skulle hantera vatten.

04 | Tre lösningar som fungerar

Ökad förspänning är den billigaste lösningen. Ett säte med en fjäderbricka eller en kraftigare sätesfjäder håller kontaktskärpan ovanför tätningsgränsen vid låg differenstryck. Kostnaden visar sig vid det andra extremvärdet: högre förspänning innebär mer friktion och mer vridmoment vid högt differenstryck, och på en handhavd DN50-ventil kan det vara skillnaden mellan att kunna använda en spak eller behöva ett växelhuvud.

Att byta sätesprincipen är den mer robusta lösningen. Ett tryckstött säte med en separat kolvmanschett täter på en liten effektiv area, så samma ledningstryck ger långt högre kontaktspänning. Kompromissen är riktningsspecifikationen: ett kolvsäte täter normalt i en riktning och måste specificeras med sin orientering, och en tvåriktningsspecifik version kostar vanligtvis mer. För en lågtrycksledning som måste hålla i båda riktningarna är detta dock ofta den rätta lösningen.

Att ändra konstruktionen är den ärliga lösningen när driftförhållandena verkligen är krävande. Vid DN50 ger en trunnion- eller top-entry-kropp med ett fjäderlastat säte förutsägbar lågtrycksprestanda, till en kostnad som en standardflytande ventil inte kan matcha. Det är värt det på en ledning där läckage har konsekvenser, men slöseri på en ledning där det inte finns några sådana konsekvenser.

Vad inte fungerar är att specificera en mindre ventil , en högre klass eller ett dyrare märke. Ingen av dessa åtgärder påverkar kontaktspänningen vid 0,2 MPa. Värdet bestäms av borrning, bandbredd och förspänning.

05 | Vad som ska inkluderas i specifikationen

Specifikationen bör beskriva det lägsta trycket vid vilket ventil måste täta, inte endast det högsta trycket den måste klara. Tabell 2 omvandlar vanliga feldiagnoser från fältet till den rad som borde ha stått i databladet.

Tabell 2. Feltillfälle på plats, orsak samt specifikationsrad som förhindrar det

Acceptanskriteriet är lika viktigt som provtrycket. Nollläckage är inte en specifikation; läckklasser är det. ISO 5208-klass A innebär ingen visuellt uppenbar läcka, vilket är vad köpare vanligtvis menar med noll. Klass B, C och D tillåter successivt större läckmängder, skalade efter DN, och en metallsläppande ventil godkänns normalt mot en högre klass än en mjuksläppande. Att ange klassen, mediet och trycket eliminerar diskussioner vid idrifttagning.

Fem rader, i ordning:

• Minsta drift-differenstryck vid vilket ventilen måste täta, angivet som ett värde .
• Sätestest vid detta tryck, utöver det standardmässiga högtrycks-sätestet.
• Läckacceptans efter klass, ISO 5208-klass A till D, med namngivet testmedium.
• Sätmaterial och förspänningsgrund, begärt från tillverkaren snarare än antagen.
• Förväntat cykelantal och stängningstid, vilka avgör om kompressionsförändring är ett konstruktionsproblem.

Bilaga A | Bildmaterial

Figur 1 är inbäddad i avsnitt 01 i sin levererade upplösning. Den levererade filen är 1440 × 960 px, vilket är tillräckligt för en webbbild på 15 cm men bör återexporteras från den ursprungliga fotografien för tryckanvändning.

Bilaga B | Hänvisade standarder och dataanteckningar

API 598. Ventil Inspektion och provning. Definierar krav på skal- och sätesprov; trycket för sätesprovet är en multipel av klassificeringen, varför det inte representerar lågtrycksdrift.

ISO 5208. Industriell ventiler – Tryckprovning av metallventiler. Läckhastigheter A till D uttrycks som tillåten läckage per DN och per tidsenhet och är det korrekta sättet att ange ett godkännandekriterium.

API 608. Metallkula Ventiler – Flänsade, gängade och svetsade ändar. Omfattar små-diameter flänsade utformningar där flytande konstruktioner är standard.

ASME B16.34. Ventiler – Flänsade, gängade och svetsade ändar. Klass 300 av kolstål vid 38 °C är 51,0 bar, används här endast som referenstryck.