เหตุใดวาล์วแบบลูกสูบลอยรุ่น DN50 คลาส 300 จึงรั่วที่ความดัน 0.2 เมกะพาสคาล

01 | การทดสอบที่ซ่อนปัญหาไว้

วาล์วบอลแบบลอยรุ่น DN50 คลาส 300 วาล์ว ผ่านการทดสอบตัวเรือนและการทดสอบซีทตามมาตรฐานที่กำหนดไว้หลายเท่าของค่าแรงดันสูงสุดที่ระบุ หลังจากบรรจุ จัดส่ง ติดตั้งแล้ว กลับเกิดการรั่วซึมบนไลน์ถ่ายโอนที่ทำงานที่ความดัน 0.2 เมกะพาสคาล วาล์วนี้ไม่มีข้อบกพร่องแต่อย่างใด มันถูกทดสอบภายใต้ความดันที่ในทางปฏิบัติจะไม่เคยพบเจอเลย และกลไกที่ใช้ในการปิดผนึกก็ไม่สามารถทำงานได้เต็มประสิทธิภาพที่ความดันที่ใช้งานจริง

การทดสอบด้วยน้ำทำให้ซีทแบบนุ่มรับโหลดหนักมาก และ วาล์ว ปิดผนึกได้ง่าย ที่ความดัน 0.2 เมกะพาสคาล ซีทแบบเดียวกันนี้จะไม่รับแรงช่วยจากความดันเกือบเลย และทุกอย่างขึ้นอยู่กับแรงตั้งต้นที่ถูกตั้งค่าไว้ขณะประกอบเท่านั้น ไม่มีขั้นตอนการทดสอบปกติใดๆ ที่ตรวจสอบเงื่อนไขนี้ เว้นแต่ผู้ซื้อจะร้องขอเป็นพิเศษ

รูปที่ 1 บอลวาล์วแบบลอยตัว ขนาด DN50 (2 นิ้ว) คลาส 300 วาล์ว ตัวเรือนทำจากวัสดุ WCB โดยมีการระบุขนาด คลาส และวัสดุไว้บนตัวเรือนหล่อ ลูกบอลยึดอยู่ด้วยแหวนซีทเพียงสองชิ้น เซี่ยงไฮ้เซี่ยวเจ้าโอ วาล์ว .

02 | ค่าความเค้นจากการสัมผัส

การรั่วของซีทเป็นปัญหาของความเค้นจากการสัมผัส ไม่ใช่ปัญหาของความดัน แรงดันตามแนวแกนเกิดจากความต่างของความดันคูณด้วยพื้นที่หน้าตัดของรูเปิด ขณะที่พื้นที่สัมผัสเกิดจากความยาวรอบวงของซีทคูณด้วยความกว้างของบริเวณที่สัมผัสกัน นำค่าแรกหารด้วยค่าหลัง พื้นที่หน้าตัดจะตัดกันออก เหลือเพียงความสัมพันธ์เชิงเดียว

ซิกมาโดยประมาณ เท่ากับ dP คูณ D หารด้วย (4 คูณ w) โดยที่ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางรูเปิดของซีท (มิลลิเมตร) w คือความกว้างของบริเวณที่สัมผัสกัน (มิลลิเมตร) dP หน่วยวัดเป็นเมกะพาสคาล และซิกมาหน่วยวัดเป็นเมกะพาสคาล

ด้วยความกว้างของบริเวณที่สัมผัสกันทั่วไปที่ 3 มิลลิเมตร สำหรับ DN50 วาล์ว ที่ความดัน 0.2 เมกะพาสคัล จะเกิดความเครียดจากการสัมผัสของซีทประมาณ 0.8 เมกะพาสคัล ที่ความดัน 5.1 เมกะพาสคัล (อันดับคลาส 300) ซีทตัวเดียวกันจะรับความเครียดจากการสัมผัสประมาณ 21 เมกะพาสคัล สำหรับขนาด DN25 ที่ความดัน 0.2 เมกะพาสคัล ความเครียดจากการสัมผัสจะอยู่ที่ประมาณ 0.4 เมกะพาสคัล เมื่อเปรียบเทียบกับซีทที่ทำจากวัสดุ RPTFE ซึ่งมีความแข็งแรงในการรับแรงกดอยู่ที่ระดับสิบเมกะพาสคัล กรณีใช้งานที่ความดันต่ำจึงถูกโหลดเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ของความสามารถสูงสุดของวัสดุ ดังนั้นผลจากความดันจึงแทบไม่มีผล และการปิดผนึกจึงพึ่งพาเฉพาะแรงpreload เท่านั้น

ตาราง 1 ความเครียดจากการสัมผัสของซีทโดยประมาณ ความกว้างแถบสัมผัส 3 มิลลิเมตร

ตารางนี้ยังอธิบายรูปแบบหนึ่งที่ทำให้ผู้ซื้อประหลาดใจ นั่นคือ ยิ่งขนาด วาล์ว เล็กเท่าใด พฤติกรรมภายใต้ความดันต่ำก็ยิ่งแย่ลงเท่านั้น เนื่องจากขนาด DN25 จะมีความเครียดจากการสัมผัสต่ำกว่าครึ่งหนึ่งของขนาด DN50 ที่ความต่างของความดันเท่ากัน เพราะแรงดันลดลงตามกำลังสองของเส้นผ่านศูนย์กลาง ในขณะที่ความยาวรอบวงของการสัมผัสลดลงเพียงเชิงเส้น

และยังอธิบายว่าเหตุใดอันดับคลาสจึงไม่มีผลต่อความล้มเหลวนี้ การเพิ่มอันดับคลาสของขนาด DN50 จากคลาส 300 เป็นคลาส 600 จะเปลี่ยนเพียงค่าอันดับที่ระบุไว้ แต่ไม่เปลี่ยนความเครียดจากการสัมผัสที่ความดัน 0.2 เมกะพาสคัล หากท่อนั้นทำงานที่ความดัน 0.2 เมกะพาสคัล วาล์ว คือ 0.2 เมกะพาสคัล วาล์ว สิ่งใดก็ตามที่ถูกประทับลงบนตัวเรือน

03 | เหตุใดค่าพรีโหลดจึงลดลงตามระยะเวลา

พรีโหลดคือแรงสปริงที่เก็บไว้ล่วงหน้า ซึ่งเกิดจากเรขาคณิตของชิ้นส่วนรองรับ แรงอัดของวัสดุยืดหยุ่น (elastomer) หรือสปริงที่ติดตั้งโดยตรง มีกลไกสามแบบที่ทำให้ค่าพรีโหลดลดลง และทั้งสามกลไกนี้ไม่สามารถสังเกตเห็นได้ในขั้นตอนการผลิตที่โรงงาน

การเปลี่ยนรูปคงที่ภายใต้แรงอัด (Compression set) ชิ้นส่วนรองรับที่มีความนุ่มจะเกิดการเปลี่ยนรูปอย่างถาวรเมื่อรับแรง และแรงที่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนรูปนั้นจะคลายตัวลง ซึ่ง วาล์ว วาล์วที่ถูกเก็บไว้ในตำแหน่งปิดสนิทภายใต้ความต่างของแรงดันสูงสุดเป็นเวลาหนึ่งปี จะมาถึงภาระงานแรกที่ใช้แรงดันต่ำด้วยค่าพรีโหลดที่ต่ำกว่าค่าที่วัดได้บนโต๊ะทดสอบ

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ (Thermal cycling) แต่ละรอบของการเปลี่ยนจากอุณหภูมิห้องไปยังอุณหภูมิของระบบและกลับมาอีกครั้ง จะทำให้ค่าพรีโหลดคลายตัวลงเล็กน้อย และการสูญเสียนี้สะสมกันไปเรื่อยๆ วาล์ว วาล์ว ที่ติดตั้งอยู่บนระบบที่มีการให้ความร้อนและระบายความร้อนทุกวัน จะมีพฤติกรรมที่ต่างออกไป วาล์ว หลังผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิครบสองร้อยรอบ

การหยุดใช้งานเป็นเวลานาน (Long shut-in) ชิ้นส่วนรองรับที่ถูกกดแน่นเข้ากับลูกบอลที่ไม่เคลื่อนที่ จะเกิดปรากฏการณ์การไหลช้า (creep) การแยกผิวสัมผัสแล้วจัดให้ชิ้นส่วนรองรับกลับมาสัมผัสใหม่จะฟื้นฟูการสัมผัสบางส่วน จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมผู้ปฏิบัติงานที่หมุนวาล์วที่รั่วซึม (weeping valve) สองครั้ง วาล์ว มักรายงานว่าการรั่วซึมหยุดลงแล้ว อย่างน้อยก็ชั่วคราว

การใช้ก๊าซเป็นตัวกลางทำให้ปัญหาทั้งหมดเหล่านี้แย่ลงทุกข้อ ก๊าซไม่มีผลในการสร้างแรงดันเองที่มีประโยชน์จนกว่าความดันจะสูงขึ้น และยังสามารถซึมผ่านวัสดุปิดผนึกและลดความดันลงขณะไหลผ่านวัสดุนั้นอีกด้วย วาล์วแบบลอยตัวที่มีวัสดุปิดผนึกนุ่มในระบบที่ใช้ก๊าซความดันต่ำถือเป็นหนึ่งในกรณีที่ยากที่สุดที่พบได้ในแคตตาล็อกใด ๆ และมักถูกกำหนดให้ใช้งานโดยไม่คำนึงถึงความแตกต่างระหว่างการใช้กับน้ำ

04 | สามวิธีแก้ไขที่ได้ผล

การเพิ่มแรงดันเริ่มต้น (preload) เป็นวิธีแก้ไขที่ถูกที่สุด วัสดุปิดผนึกที่มีแหวนสปริงหรือสปริงที่มีแรงดันสูงกว่าจะรักษาระดับแรงกดไว้เหนือเกณฑ์การปิดผนึกแม้ภายใต้ความต่างของแรงดันต่ำ อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายจะปรากฏขึ้นที่ปลายอีกด้านของช่วง: การเพิ่มแรงดันเริ่มต้นมากขึ้นหมายถึงแรงเสียดทานสูงขึ้นและแรงบิดสูงขึ้นภายใต้ความต่างของแรงดันสูง และสำหรับวาล์วขนาด DN50 ที่ควบคุมด้วยคันโยก นี่อาจเป็นความแตกต่างระหว่างการใช้คันโยกกับการใช้เกียร์

การเปลี่ยนหลักการทำงานของที่นั่งเป็นวิธีแก้ไขที่มีความแข็งแรงกว่า ที่นั่งแบบใช้แรงดันช่วยพร้อมลูกสูบแยกตัวจะปิดผนึกบนพื้นที่มีประสิทธิภาพเล็ก จึงทำให้แรงกดสัมผัสสูงขึ้นอย่างมากภายใต้แรงดันในท่อเดียวกัน ข้อแลกเปลี่ยนคือทิศทางในการปิดผนึก: ที่นั่งแบบลูกสูบมักปิดผนึกได้เพียงทิศทางเดียว และต้องระบุทิศทางการติดตั้งอย่างชัดเจน ส่วนรุ่นที่ปิดผนึกได้ทั้งสองทิศทางมักมีราคาสูงกว่า สำหรับท่อแรงดันต่ำที่ต้องรับแรงได้ทั้งสองทิศทาง วิธีนี้ยังคงเป็นคำตอบที่เหมาะสมที่สุดบ่อยครั้ง

การเปลี่ยนการออกแบบเป็นวิธีแก้ไขที่ตรงไปตรงมาเมื่อภาระงานนั้นยากจริงๆ ที่ขนาด DN50 ตัวเรือนแบบ trunnion หรือ top-entry พร้อมที่นั่งที่มีสปริงดันจะให้พฤติกรรมที่คาดการณ์ได้ดีในสภาวะแรงดันต่ำ แม้ราคาจะสูงกว่าตัวเรือนแบบลอย (floating) ที่ผลิตเป็นจำนวนมาก วาล์ว แต่ก็คุ้มค่าสำหรับท่อที่การรั่วซึมส่งผลต่อความปลอดภัยหรือประสิทธิภาพ และไม่คุ้มค่าสำหรับท่อที่การรั่วซึมไม่มีผลกระทบใดๆ

สิ่งที่ไม่ได้ผลคือการระบุขนาดที่เล็กลง วาล์ว ระดับความทนทานที่สูงขึ้น หรือยี่ห้อที่แพงกว่า ทั้งสามวิธีนี้ไม่ได้เปลี่ยนแรงกดสัมผัสที่ 0.2 เมกะพาสคาล เลขค่านี้ถูกกำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลางของช่องไหล ความกว้างของแถบยางปิดผนึก และแรงดันเริ่มต้น

05 | สิ่งที่ควรระบุไว้ในข้อกำหนด

ข้อกำหนดควรอธิบายความดันต่ำสุดที่ วาล์ว ต้องสามารถปิดผนึกได้ ไม่ใช่เพียงแค่ความดันสูงสุดที่มันสามารถทนได้ ตาราง 2 แปลงปัญหาที่เกิดจริงในสนามให้เป็นข้อความที่ควรมีอยู่ในแผ่นข้อมูล

ตาราง 2 อาการที่เกิดจริงในสนาม สาเหตุ และข้อความในข้อกำหนดที่จะป้องกันปัญหานั้น

เกณฑ์การยอมรับมีความสำคัญเท่ากับแรงดันในการทดสอบ ศูนย์การรั่วซึมไม่ใช่ข้อกำหนดที่ระบุไว้ แต่เป็นระดับการรั่วซึม (leakage classes) ต่างหาก ระดับ A ตามมาตรฐาน ISO 5208 หมายถึง ไม่มีการรั่วซึมที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ซึ่งโดยทั่วไปผู้ซื้อมักหมายถึงสิ่งนี้เมื่อกล่าวว่า "ศูนย์" ระดับ B, C และ D อนุญาตให้มีการรั่วซึมเพิ่มขึ้นตามลำดับ โดยอ้างอิงกับค่า DN และวาล์วที่มีที่นั่งแบบโลหะมักจะได้รับการยอมรับตามระดับที่สูงกว่าวาล์วที่มีที่นั่งแบบนุ่ม วาล์ว การระบุระดับการรั่วซึม สื่อที่ใช้ทดสอบ และแรงดันในการทดสอบ จะช่วยตัดปัญหาข้อโต้แย้งออกไปในขั้นตอนการส่งมอบและเริ่มใช้งานจริง

ห้าบรรทัด ตามลำดับดังนี้

• ความต่างของแรงดันทำงานต่ำสุดที่วาล์วต้องสามารถปิดสนิทได้ ระบุเป็นค่า ค่า .
• การทดสอบที่นั่งภายใต้แรงดันนั้น เพิ่มเติมจากการทดสอบที่นั่งภายใต้แรงดันสูงตามมาตรฐาน
• การยอมรับการรั่วซึมตามระดับต่าง ๆ ตามมาตรฐาน ISO 5208 ระดับ A ถึง D โดยระบุชื่อสื่อที่ใช้ในการทดสอบด้วย
• วัสดุของที่นั่งและหลักเกณฑ์ในการโหลดล่วงหน้า ซึ่งควรขอข้อมูลจากผู้ผลิตโดยตรง แทนที่จะสมมุติเอา
• จำนวนรอบการใช้งานที่คาดไว้ และระยะเวลาที่วาล์วจะอยู่ในสถานะปิดสนิท ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดว่าปรากฏการณ์ compression set จะกลายเป็นประเด็นเชิงการออกแบบหรือไม่

ภาคผนวก ก | ทรัพยากรภาพ

รูปที่ 1 ถูกฝังไว้ในส่วนที่ 01 ที่ความละเอียดที่จัดส่งมา ไฟล์ที่จัดส่งมีขนาด 1440 × 960 พิกเซล ซึ่งเพียงพอสำหรับภาพเว็บที่กว้าง 15 เซนติเมตร แต่ควรนำออกใหม่จากภาพถ่ายต้นฉบับสำหรับการพิมพ์

ภาคผนวก ข้อ | มาตรฐานที่อ้างอิงและหมายเหตุเกี่ยวกับข้อมูล

API 598 วาล์ว การตรวจสอบและการทดสอบ กำหนดข้อกำหนดการทดสอบเปลือกและที่นั่ง โดยแรงดันในการทดสอบที่นั่งเป็นพหุคูณของค่าอัตราแรงดัน จึงไม่ใช่ตัวแทนการใช้งานภายใต้แรงดันต่ำ

ISO 5208 ภาคอุตสาหกรรม วาล์ว — การทดสอบแรงดันของวาล์วโลหะ อัตราการรั่วไหลระดับ A ถึง D แสดงเป็นปริมาณการรั่วไหลที่ยอมรับได้ต่อ DN และต่อหน่วยเวลา ซึ่งเป็นวิธีที่ถูกต้องในการระบุเกณฑ์การยอมรับ

API 608. ลูกบอลโลหะ วาล์ว - ปลายแบบฟลานจ์ แบบเกลียว และแบบเชื่อม ครอบคลุมช่วงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กที่มีการออกแบบแบบลอยเป็นมาตรฐาน

ASME B16.34 วาล์ว - ปลายแบบฟลานจ์ แบบเกลียว และแบบเชื่อม ระดับความดันวัสดุเหล็กคาร์บอนคลาส 300 ที่อุณหภูมิ 38 องศาเซลเซียส คือ 51.0 บาร์ ใช้เฉพาะเป็นความดันอ้างอิงเท่านั้น