– Специальный конструктивный элемент безопасности от выдавливания оси. Элементом повышения промышленной безопасности служит специальный литой элемент на клапане, с целью предотвращения выдавливания оси из своего гнезда. В этом случае предотвращается риск нанесения ущерба жизни и здоровью персонала, катастрофических аварий и наружных утечек среды.

– Специальное соединение клапана с приводом. Это специальный кронштейн для соединения оси с приводом.

– Позиционеры, способные работать в условиях высокой вибрации.

– Специальный инструментарий, включающий конечные выключатели типа SWITH GUARD, позволяющий обеспечить медленное открытие клапанов, работающих на создание гидроудара или медленное закрытие клапанов, работающих на создание обратного гидроудара. Для преодоления большого поворотного момента накоплении давления при закрытии шарового или дискового затвора при медленном закрытии может быть установлен бустер – усилитель давления.

– Учитывая, что при гидравлическом ударе обычно начинается протечка по фланцам, что и служит признаком повторяющихся гидравлических ударов, следует отметить возможность применения фланцев с поверхностями, выполненных по варианту «шип-паз».

Типы рекомендуемых клапанов METSO AUTOMATION для условий высоких пульсаций и гидроударов приведены ниже, табл.2.16.

Табл. 2.16. Типы клапанов Метсо, применяемых для условий высоких пульсаций и гидроударов

ВИБРАЦИЯ В СИСТЕМАХ ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ КЛАПАНОВ

Клапаны испытывают нагрузки от вибрации. Наиболее часто это происходит в системах парораспределения. Эти проблемы встречаются в турбинном хозяйстве, ТЭС и ТЭЦ, системах подачи пара СРК и в пароконденсатных системах.

При эксплуатации систем парораспределения, особенно турбинного хозяйства, отмечаются систематические повреждения органов парораспределения. В большинстве случаев повреждения обусловлены обрывами штоков регулирующих клапанов, искажениями прилегания чаши к седлу, выпрессовкой седел, а также отклонениями в фиксации сегментов седел регулирующей ступени. К наиболее распространенным неполадкам в системах парораспределения относятся износ элементов подвески штоков, уплотнительных букс и поршневых колец. Износу подвергаются также тяги, серьги, подвески, ограничительные шпильки прижимных пружин, элементы шарнирных соединений и детали передачи усилий от сервомоторов.

При этом анализ характера повреждений, выполненных в работах ЦКТИ, ЛМЗ, МЭИ свидетельствуют об их вибрационном происхождении. Причина частых повреждений и поломок различных элементов систем парораспределения связана с наличием низко и высокочастотных колебаний, приводящих к относительно быстрому набору критического числа циклов нагружения, прежде всего деталей конструкций различных регулирующих клапанов. Например, за три часа эксплуатации детали при частоте нагружения f=100Гц число циклов достигает значения 10⁶. Зачастую высокочастотные колебания сопровождаются характерными звуковыми эффектами («пение» клапанов). Отмечаемые эффекты в форме «стука отбойного молотка» свидетельствуют о наличии низкочастотных колебаний. В результате прогрессируют усталостные явления, включая малоцикловую и звуковую усталость.

Основными причинами неустойчивой работы регулирующих клапанов систем парораспределения являются автоколебательные процессы в связи с эффектами статической неустойчивости, перемена знака усилия по мере открытия клапана. Продольные автоколебания могут формироваться вследствие инерционности потока рабочей среды, когда помимо парового усилия на чаше появляется дополнительная возмущающая сила. При совпадении частоты основного тона продольных колебаний чаши и штока клапана с собственными частотами парового объема, например, патрубков подвода рабочей среды возникают акустические резонансы, приводящие к росту амплитуды колебаний за чашей клапана. При наиболее критических режимах, например, сверхкритическом режиме течения рабочей среды, пульсации давления приводят в действие переменные усилия в окружном направлении с амплитудами в несколько десятков кN, а в осевом направлении – сотен кN. Они и становятся причиной повреждения, как клапанов, так и сопряженных узлов.

К способам повышения вибрационной надежности относятся отстройка от резонанса путем изменения собственных частот механических колебаний клапанной системы, а также частоты внешних возмущений путем изменения геометрии, массы и размеров (длины и диаметра штока клапана, массы сегмента затвора и пр.). В некоторых случаях кардинальной мерой является полная замена конструкции клапана с изменением посадочных размеров.

Известно, что виброактивность регулирующих клапанов резко возрастает не только при малых степенях открытия клапана, но и в области зоны перемены знака направления давления пара. В этом случае работа возмущающих сил увеличивается вследствие роста амплитуды колебаний из-за люфтов в сочленениях элементов затвора клапана или его передаточных звеньев. В связи с этим эффективными будут нейтрализация люфтов, устранение неплотностей и подтяжка резьбовых соединений. Кардинальным методом является использование литых жестких затворов, прямая связь штока затвора с приводом и посадка позиционеров на привод.

Важным является и снижение вибраций клапанов за счет элементов демпфирования. В этом случае недопустима приварка специальных демпфирующих кронштейнов к корпусу клапанов, как это иногда встречается на предприятиях.

Технологически вибрации можно гасить, если нагрузка или расход клапана повышается совместно с его открытием и выводом из виброактивной области малого угла открытия клапана.

Если необходимо в течение длительного времени поддерживать заданную нагрузку, то необходимо осуществлять перестройку системы регулирования, изменяя последовательность открытия регулирующих контуров и клапанов в них.

Очевидно, что неустойчивость в работе регулирующего клапана определяется нестационарными процессами в его проточной части. Это такие процессы как источники автоколебаний. Они классифицируются по акустической, волновой и вихревой формам. Например, считается, что акустическая неустойчивость обусловлена особенностями течения струи пара в области чаши клапана. Она, как акустическая система выбирает из поступающей в нее рабочей среды – шума соответствующие полосы частот и усиливает их. Усиление колебаний происходит в том случае, если скорость поступления энергии в данной полосе колебаний превышает скорость диссипации (затухания) энергии. Основными факторами усиления колебаний здесь являются регулярные пульсации давления и изменения проходных сечений системы.

Частоты колебаний определяются формой подсоединенных трубопроводов, скоростью звука в рабочей среде. При данном виде неустойчивости могут возбуждаться как продольные, так и радиальные колебания. Волновая неустойчивость оценивается эффектами сверхзвуковых течений, которые могут происходить в области затвора клапана при малых его открытиях. Частотные характеристики колебаний в этом случае формируются нестационарностью различных видов волновых явлений (скачки уплотнений, волны разрежения и сжатия).

Вихревая неустойчивость определяется эффектами вихревых образований и закрутки потока. При движении вихрей с частотами, совпадающими или превышающими в определенной пропорции собственные акустические колебания проточной части, возникают явления резонанса, при котором амплитуда пульсаций давления существенно возрастает. Поскольку течение в клапане и за затвором клапана является закрученным, то могут формироваться совместные колебания и потока, и затвора. Если эта частота совпадает с собственной частотой акустических колебаний, то происходит возбуждение колебаний. Обычно вихревое ядро за затвором клапана формирует низкочастотные колебания давлений большой амплитуды. Резонирующими полостями являются также трубы и патрубки подвода пара к клапану. В целом рождается неустойчивость всей системы – трубопровода подвода пара, самого клапана и последующей регулирующей ступени. При этом каждый компонент реагирует с определенным запаздыванием. Это вызывает зависящие от частоты входящего импульса сдвиг фазы и изменение амплитуды в возмущения.

Для турбин повышенная вибрация клапанов влияет и на вибрации самой турбины, особенно ротора высокого давления. На ротор воздействуют пульсации давления (расхода) водяного пара, расширяющегося в той части, где работает вибронеустойчивый клапан. Из-за повышенной вибрации валопровода турбины повреждаются ее подшипники. Такие режимы возникают при переходных режимах и неполной нагрузке турбоагрегата, а также когда турбина работает в неустойчивом режиме и режиме частых пусков и остановов. Даже в режиме длительной постоянной нагрузки на турбине для потоков пара характерен нестационарный режим течения. Уровень пульсаций для различных частотных спектров может достигать до 1,2-1,7 МПа. Такой уровень пульсаций является причиной сокращения ресурса наиболее слабых элементов парораспределения.

Частота пульсаций давления в регулирующих клапанах турбин также существенно зависит от режима нагрузки турбоагрегата. Тренды частот различны, вплоть до скачкообразных. Стабильность частотных характеристик наблюдается только в установившихся режимах течения при нагрузках, близких к номинальным. Особенно неблагоприятны режимы несения частичных нагрузок при малых степенях открытия затвора регулирующего клапана и не только из-за нестационарности процесса в клапане, но и из-за изменения характеристик потока в котельном агрегате и паропроводе. Т.е. даже при удовлетворительном сопротивлении вибрации клапана амплитуда пульсаций среды за ним может быть высокой. И это не только накопление усталостных эффектов, но и резкие скачки уровня вибрации опор валопровода.

При пусковых режимах пульсации начинаются с момента открытия клапанов. По отношению к уровню давления рабочей среды после клапана их уровень достаточно высок и достигает 15-25% с уровнем до 1,6 МПа. При этом регулирующий клапан в момент открытия генерирует высокочастотные пульсации давления. В зависимости от степени открытия клапана, превалирующие частоты изменяются. И, как правило, с открытием клапана частота пульсаций падает.

В целом уровень пульсаций давления пара после его дросселирования по отношению к давлению может достигать 30% при относительно высоких частотах. Образование пульсаций чувствительно даже к небольшим отклонениям положения штоков клапанов. Пульсации имеют тенденцию к росту при повышении нагрузки и после определенной границы начинают снижаться. Стабильность частоты пульсаций характерна только в условиях установившегося режима эксплуатации ТЭЦ.

Наибольшая степень влияния пульсаций давления в регулирующих клапанах наблюдается на ближайших к ним областях валопровода. При открытии регулирующих клапанов на турбинах происходит скачкообразный рост виброскорости из-за ударного воздействия пара за клапаном при его открытии. При этом изменяется вектор окружной составляющей этой силы. Корреляции всплесков вибрации с определенными частотами возбуждения регулирующих клапанов свидетельствует о начале автоколебаний.

Большие проблемы вызывают т.н. квазистационарные вибрации, рождающиеся из взаимосвязи направленности виброскорости по времени или нагрузке и соответствующих пульсаций в клапанах. Причинами квазистационарной вибрации могут быть и тепловые дисбалансы, режимная и тепловая расцентровка и др. В ряде случаев наблюдается скачкообразный характер изменения параметра интенсивности вибраций, и его повышенный уровень. Существенный вклад должна вносить аэродинамическая нестационарность процесса, влияющая на нестационарный характер колебаний и вибрации турбины. Признаком такой вибрации от процессов в системе парораспределения может служить увеличение вибрации мелкими скачками, неравномерно распределенными по времени. Другим признаком может быть избирательность неравномерности вибрации по частотному диапазону, соответствующему собственным частотам колебаний регулирующих клапанов.

Признаком автоколебательных и акустических явлений в системе парораспределения можно считать богатый спектр высокочастотных составляющих пульсаций. Однако однозначную трактовку дать достаточно трудно. Так, при отрыве затвора от седла могут возникать ударные нагрузки из-за высоких уровней пульсаций давления. Они, в свою очередь, вызовут сложные колебания и вибрацию сопряженных узлов.

Сложно диагностируются акустические эффекты в системе парораспределения. Например, наличие при малых степенях открытия клапана сверхзвуковых течений в области его чаши приводит к возможности формирования акустических резонансов. В большей степени подобные эффекты могут инициировать разного рода отрывы потока, а также поперечные колебания затворов клапанов.

Как показано в исследованиях ЦКТИ, среди таких определяющих факторов влияния на повреждаемость подшипников, как особенности центровки подшипников и линии валопровода, эксплуатационные расцентровки опор под воздействием валопровода и нагрева фундаментов, проблемы тепловых расширений цилиндров и скольжения корпусов подшипников по опорным поверхностям фундаментных рам, фактор влияния вибрационных характеристик системы парораспределения на уровень вибрации ротора турбины является равнозначным.

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИНЖИНИРИНГА.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ

Наиболее эффективный способ повышения надежности – использование критериев надежности уже на этапе проектирования. Например, рабочие зазоры в клапанах, в т.ч. и ремонтные, формируются из учета знаний эксплуатации клапана в конкретной рабочей среде, здесь же задаются параметры коррозионной стойкости для всех элементов клапана, соприкасающихся со средой. Зная характеристики максимальных и минимальных, а также номинальных значений давления, температуры, расхода, колебаний характеристик среды можно добиться повышения надежности уже на этапе проектирования клапана.

Правильно рассчитанные клапаны задают возможность их использования с повышением долговечности и дают возможность предложить специальные программы повышения надежности и гарантий для предприятий. На примере одного предприятия, где был установлен клапан завышенного размера, работавший в неэффективных для него условиях от 0 до 10% открытия, был обнаружен повышенный местный износ привода, высокий расход воздуха, работа всех систем проходила в нестабильных условиях.

Гарантии могут быть повышены, если специалисты предприятия пройдут обучение и будут аттестованы на расчет и применение клапанов, при ремонте будут использованы только оригинальные запасные части, ремонт будет производиться по процедурам и технологии завода изготовителя, клапан будет предварительно рассчитан, на него будет заведен технический паспорт, специалисты будут проходить периодическую переаттестацию, а до момента поставки клапан будет дополнительно тестирован в соответствии с условиями процесса. Приемку и тестовые испытания при необходимости желательно осуществлять в присутствии специалистов производителя и заказчика.

Надежность может понижаться постепенно в связи с постепенным износом, накоплением усталости и др. Однако, необходимо внимательно отнестись к каждому из элементов клапана, поскольку надежность каждого из них может отличаться в разы. Именно с этим связана проблема, где клапан при одних и тех же условиях может работать в несколько раз меньше. Обычно это связано с тем, что при расчете не был принят во внимание какой-либо из существенных параметров. И тогда один и тот же клапан может работать на одном процессе в 10-20 раз меньше, чем другой. Точное выделение наиболее слабого элемента, который и определяет надежность клапана в целом, и позволяет существенно повысить надежность и долговечность. Программы оказывают существенную помощь в выявлении слабых мест и перерасчете клапанов.

Особое внимание следует уделять элементам, испытывающим нагрузки от воздействия среды. Для шаровых, сегментных клапанов и поворотных заслонок наиболее характерными являются затворы, седла, штоки и уплотнения.

ПРИМЕРЫ КОНСТРУКТИВНЫХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ КЛАПАНОВ

1.1. Дублирование. Например, используется двойное верхнее уплотнение.

1.2. Снижение вероятности катастрофических отказов за счет специальных конструктивных элементов, например, механизма против выдавливания оси

1.3. Использование специальных материалов, отвечающих требованиям эксплуатации. Например, поверхность шара – из специального хромового или нитридтитанового покрытия, поверхность седла – из стеллита.

1.4. Сменные и модульные элементы. Используются сменные седла, и иногда вся внутренняя начинка клапана может быть заменена на более соответствующие условиям эксплуатации.

1.5. Долговечность и надежность в течение длительного срока эксплуатации за счет использования самоочищающегося седла, наплавка седла стеллитом.

1.6. Разгрузка нагруженных элементов клапана, например через уравнивание давления. Так, разгрузка золотника на 99% приводит к снижению требований к мощности привода и устраняет трение в нем.

1.7. Специальная конструкция при высоких перепадах давления не допускает скачкообразного роста давления. Например, нет скачкообразного начала регулирования при открытии в связи с большим холостым ходом.

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

1.8. Снижение разбега хода клапана, стремление к его работе в определенном диапазоне регулирования и углов открытия, или, наоборот, переход на другие углы открытия и участки регулирования для более равномерного износа.

1.9. Снижение величины хода клапана.

1.10. Увеличение мощности привода.

1.11. Интеллектуализация клапанов с системами диагностики для повышения их надежности.

1.12. Снижение износа и трения и условий их образования в запорных органах.

1.13. Снижение числа элементов, механически передающих вращение или энергию, включая такие решения как: повышение компактности, повышение жесткости каждого элемента, снижение боковых нагрузок, приводящих к изгибающему моменту и преждевременному износу сальников и механизма привода.

1.14. Повышение усталостных характеристик наиболее вращающихся элементов.

1.15. Снижение количества непрогнозируемых гидроударов и нагрузок, поверхностных напряжений.

1.16. Правильный выбор режимов работы клапана.

1.17. Снижение перегрузок в переходных режимах.

1.18. Использование 2-х дублирующих клапанов, выход из строя одного из них не должен сказываться на работе системы. Установка 2-х клапанов для поэтапного снижения давления с целью избежать кавитацию.

1.19. Повышение надежности контура регулирования начинается с клапана, как нижней ступени управления.

1.20. Элементы надежности и самоотключения, если сигналы не выполняются. Тревожный сигнал отсылается на верхний уровень управления.

1.21. Обеспечение высокой надежности в условиях нестабильности качества воздуха, изменений среды и др.

1.22. Возможность снижения объема обслуживания и участия обслуживающего персонала.