Чому плаваючий клапан DN50 класу 300 протікає при тиску 0.2 MPa

01 | Тест, що приховує проблему

Плаваючий кульовий клапан DN50 класу 300 клапан проходить випробування корпусу та сідла при заданому кратному значенні номінального тиску, його упаковують, відправляють, встановлюють — і потім він починає капати на технологічному трубопроводі з робочим тиском 0.2 MPa. Клапан не є бракованим. Його випробували при тиску, якого він ніколи не зазнаватиме в експлуатації, а механізм, від якого залежить герметичність, не працює при тому тиску, що дійсно присутній у роботі.

Гідравлічне випробування сильно навантажує м’яке сідло та клапан щільно прилягає. За тиску 0,2 МПа це саме сидіння практично не забезпечує підсилення, і все залежить від попереднього навантаження, створеного під час збирання. Жодна зі звичайних процедур випробування не перевіряє цей стан, якщо покупець спеціально не вимагає цього.

Малюнок 1. Плаваюча кулька DN50 (2 дюйми), клас 300 клапан у корпусі зі сталі WCB, із маркуванням розміру, класу та матеріалу на литому корпусі. Кулька утримується лише двома кільцями сидіння. Shanghai Xiazhao Клапан .

02 | Число контактного напруження

Протікання через сидіння — це проблема контактного напруження, а не тиску. Осеве зусилля дорівнює різниці тисків, помноженій на площу прохідного перерізу. Площа контакту — це довжина кола сидіння, помножена на ширину смуги контакту. Поділивши одне на інше, площа прохідного перерізу скорочується, і залишається єдиний взаємозв’язок.

σ ≈ ΔP × D / (4 × w), де D — діаметр сидіння (мм), w — ширина смуги контакту (мм), ΔP — у МПа, σ — у МПа

За типової ширини смуги контакту 3 мм, для DN50 клапан за тиску 0,2 МПа розвиває приблизно 0,8 МПа контактного напруження на сідлі. За тиску 5,1 МПа (клас 300) те саме сідло зазнає близько 21 МПа. Для DN25 за тиску 0,2 МПа контактне напруження становить приблизно 0,4 МПа. У порівнянні з сідлом із RPTFE, чия межа міцності на стиск лежить у десятках мегапаскаль, у випадку низького тиску навантаження становить лише кілька відсотків від максимальної міцності матеріалу. Внесок тиску ефективно зникає, і ущільнення працює виключно за рахунок попереднього навантаження.

Таблиця 1. Орієнтовне контактне напруження на сідлі, ширина зони контакту — 3 мм

Таблиця також пояснює закономірність, що дивує покупців: чим менший клапан , тим гірша поведінка при низькому тиску. DN25 має менше ніж половину контактного напруження DN50 за однакової різниці тисків, оскільки осьове зусилля зменшується пропорційно квадрату діаметра прохідного отвору, тоді як довжина лінії контакту зменшується лише лінійно.

І вона пояснює, чому клас не впливає на цей вид відмови. Підвищення класу DN50 з 300 до 600 змінює номінальний тиск, але не змінює контактне напруження при 0,2 МПа. Якщо трубопровід працює при 0,2 МПа, то клапан становить 0,2 МПа клапан будь-що, що вибито на корпусі.

03 | Чому попереднє навантаження з часом зникає

Попереднє навантаження — це запасена сила пружини, що виникає через геометрію сидіння, стискання еластомера або наявність окремої пружини. Його споживають три механізми, і всі вони невидимі на заводі.

Постійна деформація від стиснення. М’яке сидіння зазнає постійної деформації під навантаженням, і сила, що викликала цю деформацію, послаблюється. клапан клапан, який протягом року перебував у закритому стані при повному перепаді тиску, надходить на першу роботу при низькому тиску з меншим попереднім навантаженням, ніж мав на випробувальному стенді.

Термічні цикли. Кожен цикл від температури навколишнього середовища до робочої температури трубопроводу й назад призводить до часткового послаблення попереднього навантаження, і втрати накопичуються. клапан клапан на трубопроводі, що щодня нагрівається й охолоджується, — це інший клапан клапан після двохсот циклів.

Тривале перебування у закритому стані. Сидіння, яке тривалий час залишається притиснутим до нерухомої кульки, повільно деформується. Розрив ущільнення й повторне його створення відновлює частину контакту, саме тому оператор, який двічі переміщує клапан зі слабким ущільненням («weeping»), клапан часто повідомляє, що течія припинилася, принаймні на певний час.

Газова служба погіршує кожен із цих випадків. Газ не має корисного самозбуджувального ефекту, доки тиск не зросте, а також проникає крізь сідло й розширюється крізь нього під час спуску. М’якосидінцевий плаваючий клапан для газу низького тиску — один із найскладніших випадків у будь-якому каталозі, проте його постійно вказують у специфікаціях так, наче це вода.

04 | Три робочі рішення

Збільшення попереднього навантаження — найдешевше рішення. Сідло з пружною шайбою або з більш потужною пружиною сідла зберігає контактне напруження вище порогового рівня герметизації при низькій різниці тисків. Витрати проявляються на іншому кінці діапазону: більше попереднього навантаження означає більше тертя й більший крутний момент при високій різниці тисків; у важільного клапана DN50 це може бути різницею між важелем і редуктором.

Зміна принципу роботи сідла є більш надійним рішенням. Сідло з підсиленням тиском і окремим поршнем ущільнюється на невеликій ефективній площі, тому однаковий тиск у лінії створює значно вище контактне напруження. Компроміс полягає у напрямковості: зазвичай поршневе сідло ущільнює в одному напрямку й має бути вказане з урахуванням орієнтації; двонапрямковий варіант, як правило, коштує дорожче. Для низькотискової лінії, яка повинна утримувати тиск у обох напрямках, це все ж часто правильне рішення.

Зміна конструкції — чесне рішення, коли умови експлуатації справді складні. При DN50 корпус типу «троніон» або з верхнім входом із пружинним сідлом забезпечує передбачувану поведінку при низькому тиску, але за ціною, яку не може запропонувати звичайний плаваючий клапан клапан. Це виправдано на лінії, де витік має наслідки, і недоцільно — на лінії, де витік не має значення.

Що не спрацьовує — це вказівка меншого клапан розміру, вищого класу або дорожчої торгової марки. Жоден із цих параметрів не змінює контактне напруження при 0,2 МПа. Це значення визначається діаметром прохідного отвору, шириною ущільнювальної смуги та попереднім навантаженням.

05 | Що включити до специфікації

Специфікація має описувати найнижчий тиск, за якого клапан пристрій має забезпечувати герметичність, а не лише найвищий тиск, який він здатен витримати. У таблиці 2 наведено типові скарги з експлуатації та відповідні рядки, які мали б бути вказані в технічному описі.

Таблиця 2. Симптом у експлуатації, його причина та рядок специфікації, що запобігає йому

Критерій прийняття має таке саме значення, як і тиск випробування. Відсутність витоку — це не специфікація; специфікаціями є класи витоку. ISO 5208, клас A, означає відсутність візуально виявних витоків — саме це зазвичай мають на увазі покупці, коли кажуть «нульовий витік». Класи B, C та D дозволяють поступово зростаючі обсяги витоків, масштабовані за DN, а для клапана з металевим сідлом клапан зазвичай приймають за більш високим класом, ніж для клапана з м’яким сідлом. Зазначення класу, робочого середовища та тиску усуває спори під час введення в експлуатацію.

П’ять пунктів у такому порядку:

• Мінімальний робочий перепад тиску, за якого клапан має забезпечувати герметичність, вказаний як значення .
• Випробування сідла за цим тиском, крім стандартного випробування сідла під високим тиском.
• Прийняття за класом витоку (ISO 5208, класи A–D), із зазначенням робочого середовища для випробування.
• Матеріал сідла та основа попереднього навантаження — запитується у виробника, а не припускається.
• Очікувана кількість циклів та тривалість закритого стану, що визначають, чи є релаксація стиснення проблемою проектування.

Додаток A | Зображення

Рисунок 1 вбудовано до розділу 01 у роздільній здатності, що надається. Наданий файл має розміри 1440 × 960 пікселів, що достатньо для веб-зображення шириною 15 см, але для друку його слід повторно експортувати з оригінальної фотографії.

Додаток B | Стандарти, на які надано посилання, та примітки щодо даних

API 598. Клапан Інспекція та випробування. Визначає вимоги до випробувань корпусу та сідла; тиск випробування сідла є кратним номінального тиску, тому він не відповідає умовам експлуатації при низькому тиску.

ISO 5208. Промислові клапани — Випробування металевих клапанів на тиск. Рівні витоку A–D виражають допустимий витік на одиницю DN за одиницю часу й є правильним способом формулювання критерію прийняття.

API 608. Металевий кульовий кран Клапани — Фланцеве, різьбове та зварне з’єднання. Охоплює діапазон малого діаметра з фланцями, де стандартними є плаваючі конструкції.

ASME B16.34. Клапани — Фланцеве, різьбове та зварне з’єднання. Клас 300 із вуглецевої сталі при температурі 38 °C має робочий тиск 51,0 бар; тут це значення використовується лише як довідковий тиск.