3. Закрытие клапана. Резкий рост момента на закрытие и механических напряжений на больших углах закрытия. Пульсации и возможность гидравлического удара. Возрастание скорости потока и затем его снижение при закрытии. Возможность эрозионных явлений. Характерны явления фильтрации (для шламов и пульп).

Таким образом, цикл является асимметричным. Воздействие на детали носит знакопеременный и пульсирующий характер. С работой в условиях высокой цикличности возрастает требование к усталостным характеристикам изделия и его кавитационно и эрозионностойкости.

Где эти знания применимы? Так, например, на участках со значительными постоянными пульсациями, как после насосов или колен, дисковые затворы при их неправильной установке работают значительно хуже. На этих участках выражены пульсации и связанные с ними явления. Для повышения надежности в работе на этих участках необходимо устанавливать клапаны с повышенной жесткостью исполнения. Участки с высокой цикличностью – там, где требуется часто обеспечивать периодичность ведения процесса. Например, на грязевиках, участках дозирования и др. Здесь будет выражена проблема работы клапана на начальном участке открытия или закрытия. Возрастают требования к поддержанию размерной стабильности, усталостным явлениям, жесткости, кавитационной и эрозионной устойчивости в момент открытия клапана.

Исследования влияния воздуха, растворенного в воде и суспензиях, при выполнении различных технологических процессов показывают, что в них количество воздуха может составлять 1-8% по объему. Свободный воздух может находиться в виде пузырьков и вовлекаться в массу при ее приготовлении и обработке. Связный воздух представлен мельчайшими пузырьками, удерживаемыми молекулярными силами, а также частично растворен в пульпе. Газообразные включения помимо влияния на характеристики насосов, вызывают колебания расхода вследствие неодинакового изменения объема жидкости и газа при изменении давления. При уменьшении давления, особенно при проходе через суженную область клапана и разрежении, объем воздуха резко увеличивается при практически постоянном объеме жидкости. Это явление характерно как для всаса насоса, так и участком за клапаном, имеющим высокое гидравлическое сопротивление, и где уже не происходит восстановления давления.

Наличие значительного числа газообразных включений в перекачиваемой пульпе в результате разрежения и центробежного эффекта рабочего колеса центробежного насоса, способствующего отделению газа от жидкости, приводит к образованию воздушных пробок. Они способствуют уменьшению расхода и его нарушению, приводят к неустойчивой работе и возможно разрыву струи. Нарушение в работе может произойти даже при значительном подпоре, если количество воздуха велико.

За большой срок работы клапана, а сейчас он оценивается в 10-30 лет, влияние даже небольших пульсаций, но в частом режиме, а также амплитудные пульсации и гидравлические удары, часто сопровождаемые коррозионным воздействием (коррозия под напряжением) приводят к существенному росту усталостных явлений в корпусе клапана. Примером тому может служить разрушение корпуса клапанов даже после проверки по требованиям на гидроплотность. Избежать этого можно, еще раз убедившись в том, что материал корпуса по-прежнему пригоден для работы.

Одной из причин могут быть не только усталостные явления, но и старение, в т.ч. стабильного аустенита и превращение его под воздействием постоянно действующего пульсирующего циклического напряжения в хрупкую фазу. Чтобы разрешить эту задачу, требуется проводить дополнительный комплекс исследований на наличие хрупких фаз, образовавшихся в аустените при старении, и коррозионных разрушений при помощи специальных видов металловедческого анализа.

При длительном хранении в неблагоприятных условиях, также возможна деформация, как затвора, так и клапана. При этом, если для обычных механизмов это было бы незаметно, то для клапанов с прецизионным исполнением уплотнительных поверхностей такая проблема сразу выявляется. Причиной этому также может быть изменение фазового состава стали и превращения аустенита в другие фазы, приводящие к деформациям.

ВЛИЯНИЕ ЭРОЗИИ И КАВИТАЦИИ НА НАДЕЖНОСТЬ

Из различных процессов, влияющих на надежность работы клапанов в пределах нормального износа, необходимо выделить эрозию. Выделять эрозию приходится потому, что она относится к наиболее частому механическому повреждению рабочих поверхностей клапанов. Она разрушает рабочие поверхности клапана под действием динамических потоков жидкости, газов с образованием питтингов, каверн, раковин. Если кавитацию можно ограничить или предусмотреть ее полное устранение при использовании специальных элементов Q-TRIM, то с эрозией дело сложнее. Из всех видов эрозионного разрушения – механохимической, микроударной, термической или электрической следует выделить микроударную, как ведущий механизм эрозионного разрушения. Она также связана с кавитацией. Остальные характерны для нормальных условий работы и не приводят к наиболее быстрой потере надежности и отказам, особенно в моменты закрытия клапанов, когда эрозия будет пропорциональна скорости в геометрической прогрессии.

Сама эрозия может возникать как пограничная – вблизи крутообтекаемых тел, срывная – в области срывных течений, из-за плохого обтекания тел, щелевая – при высоких скоростях движения потока в щелях, через которые прорывается жидкость. При этом возникают и локальные гидравлические удары большой силы, и значительные пульсации. Для примера можно сказать, что при определенных типах кавитационно-эрозионных процессов на площади в 1 см² в течение 1 сек. может образовываться и схлопываться более 30 млн. кавитационных пузырьков.

При неправильном расчете материалов затвора и седла или неправильном направлении эрозионного потока он может направляться не на наиболее износостойкие седла, а на менее износоустойчивую поверхность шара, в результате чего будет происходить значительно более быстрая потеря надежности и увеличивается вероятность отказа.

ВЛИЯНИЕ КАВИТАЦИИ НА МЕТРОЛОГИЧЕСКУЮ НАДЕЖНОСТЬ

Влияние кавитации обычно связывают исключительно с отрицательным воздействием на механические части и значительным развитием шума и вибрации. Однако также важно учитывать и такие выходные параметры как рождение турбулентности. Возникают и соответствующие проблемы, такие как ухудшение условий течения потока, вероятность внезапных пульсаций давления и расхода, рост газонасыщенности потока. Из них наиболее серьезно снизят точность и надежность регулирования пульсации давления и расхода. Динамическая ошибка из-за растущей нелинейности движения потока и отклонения от основной расходной характеристики будет резко возрастать.

Из гидравлических характеристик снижается величина пропускной способности, повышается коэффициент гидравлического сопротивления, искажается вид пропускной характеристики. Может наступить такой момент, когда с увеличением перепада давления на клапане расход через клапан остается неизменным и регулирование как таковое прекратится.

Учитывая, что кавитация, как правило, возникает при определенном перепаде давления и расходе, ее появление может проявляться в работе клапана как сбой. Например, при малых углах открытия клапана и определенном перепаде давления увеличивается расход и может возникать временный переход в кавитационный режим. Если клапан рассчитан неправильно и все время работает в условиях малого диапазона регулирования, то такой кавитационный режим может быть постоянным.

В связи с вышеизложенным, регулирующую арматуру следует проверять на возможность возникновения кавитации. Проверка проводится на предельно допустимый бескавитационный перепад давлений на клапане в зависимости от среды, условий течения ламинарного или турбулентного потока и числа Рейнольдса. Расчет на бескавитационный режим проводится в расчетных компьютерных программах типа Conval, Nelprof и др.

ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИИ НА НАДЕЖНОСТЬ

Для определения связи параметров надежности с коррозией приведем простой пример. Так, все элементы клапана, соприкасающиеся с агрессивной средой, рассчитываются на коррозионную устойчивость в этой среде. Из 10 элементов, соприкасающихся со средой, если всего один будет неустойчив, то такой клапан будет неработоспособен.

Для работы арматуры в условиях коррозии характерно дискретное распределение. Функционально это будет отказ в связи с утечками агрессивной среды. Вероятность того, что из 1000 клапанов 900 будут работать безотказно, с учетом ограничений по коррозионной стойкости одного из элементов (9%) и связи его с потерей герметичности (7%) равна при биноминальном дискретном распределении примерно только 0,32. Это означает, что даже при потере надежности всего лишь одного элемента в клапане, надежность всего изделия при большой выборке (1000 шт.) будет падать существенно, и каждый 3 клапан будет находиться в состоянии постоянно увеличивающегося вероятного отказа по критерию коррозии и утечкам. Постоянное увеличение вероятности отказа здесь будет связано с ростом коррозионных явлений со временем. Полная картина надежности может быть собрана при достаточно большом объеме статистики.

В этом плане дальнейшее рассмотрение надежности каждого элемента, подбор деталей и элементов клапана равной долговечности для выхода на определенный период работы с облегчением обслуживания является одним из преимуществ высоконадежных клапанов.

ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА НАДЕЖНОСТЬ.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЛЬСАЦИЙ В КЛАПАНАХ

Пульсации давления и связанные с ними вибрации возникают на многих участках. Пульсации – это периодические скачки давления высокой частоты, часто возникающие при действии вращающихся узлов. Возникающие волны давления распространяются во все стороны со скоростью звука, и эта скорость определяется содержанием воздуха в массе, уровнем давления и свойствами технологического оборудования. Пульсации с частотой ниже 30 Гц являются наиболее проблематичными, поскольку они могут распространяться бесконтрольно даже вплоть до контуров питательной воды, вызывая, таким образом, колебания расхода пара. Традиционный спектр пульсаций, возникающий из-за волн давления, в связи с работой различных узлов приведен в табл.2.14.

Табл. 2.14. Характеристики пульсаций оборудования

Пульсации высокой частоты характерны для быстровращающихся узлов оборудования. К таким узлам относятся насосы. Изменение числа лопаток крыльчатки у насоса и их расположения существенно влияют на частотные характеристики волн концентрации и давления.

Пульсации средней частоты характерны для элементов, работающих периодически, например, узлов с контурами разбавления, нагрузки\разгрузки линий. К ним, в частности, могут относиться грязевики песочниц, циклонов, вихревых очистителей, и других узлов, работающих периодически.

Пульсации низкой частоты связаны с элементами, осуществляющими загрузку или открытие\закрытие всей линии. Для них, как правило, характерны высокие значения расходов среды.

Нерегулярные пульсации могут быть связаны с несбалансированной работой оборудования, наличием вибрации и износа. Так, при расшифровке диаграммы пульсации потока может выясниться, что пульсация может быть связана с износом насоса или малым количеством лопаток в рабочем колесе насоса.

Собственные пульсации возникают в среде, при таких явлениях как кавитация, когда происходит вскипание жидкости с образованием пара или выделением газа из газонасыщенных жидкостей. Турбулентность сохраняется на значительном расстоянии от места образования кавитационной области. Это особенно необходимо учитывать при установке клапанов на участках, характеризующихся высокими перепадами давлений.

Пульсации могут возникать и в связи с изменением характера движения среды по трубопроводу, расслоением и осаждением взвесей. В качестве примера можно привести изменение профиля скоростей и концентраций течения жидкости при течении через колена и сужения. Образующаяся турбулентность увеличивает пульсации концентраций по сечению трубопровода и приводит к неравномерной по времени нагрузке на запирающие элементы клапанов.

Пульсации, усиленные неравномерным распределением скоростей по сечению трубопровода, приводят к быстрому выходу клапана из строя. Так, неправильная установка и монтаж поворотной заслонки перпендикулярно продольной оси колена за насосом без учета особенностей распределения скоростей и задаваемой пульсации, быстро приводит к потере герметичности или расшатыванию всех соединений и протечкам.

Пульсации концентрации и давления серьезным образом воздействуют на всю систему гидротранспорта. Причины и последствия воздействия пульсаций на трубопроводы в технологических схемах приведены в табл. 2.15.

Табл. 2.15. Причины и последствия пульсаций в трубопроводах

Как видно из таблицы, все причины появления волн давления и гидроударов в системе связаны с открытием или закрытием клапанов.

В технологических схемах особенным образом выступает и поведение потока при быстром открытии линии. В этом случае из-за особенностей т.н. «стержневого течения» поток может двигаться с нарастающим ускорением в виде пробки. Если в трубопроводе при этом был только воздух, то, как правило, не избежать сильного гидравлического удара в системе и в основном по следующему по ходу движения потока элементу. Частая технологическая ошибка состоит в том, что клапаны открываются или закрываются в соответствии с внезапно возникшей производственной задачей, без соблюдения технологического регламента пуска или останова.

Пульсации особенным образом воздействуют на клапаны. Известны случаи, когда при неправильно подобранном запирающем элементе с креплением болтами за незначительное время происходило вывинчивание таких болтов и заклинивание клапана даже при незначительном сроке эксплуатации. Сильные пульсации в совокупности с гидроударом могут приводить к вылету штока из запирающего элемента и нанести существенный вред жизни и здоровью обслуживающего персонала.

Источником пульсаций и волн давления является и сам клапан. В соответствии с характеристикой изменения момента сил при закрытии, максимальная волна давления, отдаваемая в поток, происходит в момент, когда угол закрытия составляет примерно 85-95%. Это особенно выражено у всех видов шиберных задвижек и поворотных заслонок. Чтобы избежать слишком сильной волны давления необходимо медленно закрывать клапан на последнем участке и тем самым избежать резкого гидроудара в системе.

Плохая калибровка позиционера, неправильная задача командного сигнала со стороны системы управления приводит к разгону клапана и работе в режиме автоколебаний. Вынужденные автоколебания задают регулярные пульсации потока. Из-за особенностей реологических свойств и течения сложных смесей пульсации концентрации могут сохраняться на всем протяжении трубопроводной части до следующего технологического элемента.

ТРЕБОВАНИЯ К КЛАПАНАМ И АРМАТУРЕ

Фактор пульсаций, как связанный с надежностью и работоспособностью клапанов, пока не учитывается в их основных спецификациях. Только у нескольких фирм можно встретить информацию о характеристиках работы клапанов в условиях повышенных пульсаций, в частности, данные по ограничениям вибрации или по рекомендованным конструкциям для повышения надежности клапана.

Чтобы сгладить воздействие пульсаций и гидроударов и «мягких» гидроконцентрационных ударов на работу клапанов необходимо использовать специальную конструкцию клапана. Так для сглаживания волн давления, расхода или концентрации должно учитываться следующее:

– Клапаны, работающие в условиях гидроудара, должны предусматривать специальные решения для повышения надежности в условиях мало и высокоцикловой нагрузки.

– Надежность в условиях гидроудара должна учитываться в конструкции клапана.

– Для исключения образования пульсаций собственно от закрытия\открытия клапана, в нем должны быть предусмотрены предохранительные схемы сглаживания давления при помощи дополнительных устройств.

– Время срабатывания при открытии и закрытии клапана должно соответствовать требованиям образования или затухания волны давления и пульсаций для устранения гидравлического удара. Открывание и закрывание клапана должно происходить, как правило, медленно.

– Время реакции клапана на сигнал должно быть минимальны.

ПРИМЕНЕНИЕ КЛАПАНОВ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ГИДРОУДАРОВ

Гидроудары могут появляться в системе нерегулярно или периодически. Предсказуемыми являются только те, которые связаны с задаваемой работой технологического оборудования. К ним относятся, например:

– пуск\останов насоса

– быстрое опорожнение\заполнение емкости, технологического узла

– автоматическое перекрытие линии клапанами.

Непредсказуемыми являются процессы пульсаций, возникающие из-за отклонений в технологическом процессе. Они могут приводить к:

– кавитации

– повышенной виброактивности

– нарушению работоспособности.

Для условий пуска \останова насосов выбираются обычные клапаны с возможностью, как отсечки, так и регулирования.

Для условий быстрого опорожнения линии, а также в варианте предохранительного клапана для быстрого опорожнения линии клапаны должны иметь следующие особенности:

– Высокие коэффициенты пропускной способности клапанов (Кv): для обеспечения защиты трубопровода от волн давления потребуются меньшие размеры и (или) меньшее число таких клапанов. Этим обеспечивается снижение расходов на установку и снижение веса систем защиты трубопроводов.

– Быстродействие – быстрое открытие и плавное закрытие клапанов позволяют своевременное реагирование на изменение давления в системе жидкости.

– Дополнительный резерв по пропускной способности позволяет справляться с непредвиденными, более высокими, чем расчетные, скачками давления систем.

– Жесткость конструкции, исключает такие проблемы, как утечку среды через сальниковые уплотнения, разрыв элементов и их деформацию, что обычно приводит к выходу из строя клапанов.

– Простота обслуживания и надежность конструкции.

Для условий работы при автоматическом перекрытии линии автоматическими клапанами при условии возникновения гидроудара и пульсаций, клапаны должны иметь элементы повышения надежности. К ним относятся несколько основных элементов. Это такие элементы как:

– Жесткое соединение шара с осью, механизм противостояния выдавливанию оси, специальные способы запирания седел. Компания Метsо Automation использует для этих целей цельнолитой шар-ось «Stem Ball», исключающий возможность разъединения шара с осью, его заклинивание и потерю работоспособности.