Как шаровой кран не протекает? Объяснение седла, штока и конструкции

Краткий ответ: почему шаровой кран не протекает

Шаровой клапан не протекает, поскольку обеспечивает плотное уплотнение с нулевым зазором между сферическим шаром, изготовленным с высокой точностью, и двумя мягкими седлами, прижатыми к обеим сторонам этого шара. Когда ручка поворачивается на 90 градусов в закрытое положение, твердая часть шара полностью блокирует путь потока, в то время как давление в линии на входе фактически сильнее прижимает шар к седлу на выходе — эффект самоподпитки, который делает уплотнение тем плотнее, чем больше давление. При правильной установке и надлежащем обслуживании высококачественный шаровой кран может обеспечивать герметичное перекрытие при давлениях до 1000 фунтов на квадратный дюйм или более , практически с нулевой утечкой, измеряемой даже чувствительными приборами для обнаружения газа.

Тем не менее, ни один клапан не остается без внимания навсегда. В разделах ниже подробно объясняется, как работает механизм внутреннего уплотнения, какие материалы в нем используются, насколько они различаются. шаровой кран конструкции рассчитаны на экстремальные условия и то, что приводит к выходу уплотнения из строя, поэтому вы можете выбрать правильный клапан и обеспечить его надежную работу в течение многих лет.

Как шар и седло работают вместе, блокируя поток

Сердечник любого шарового крана представляет собой сферу, обычно изготовленную из нержавеющей стали, латуни или хромированной углеродистой стали, с точно просверленным отверстием, называемым портом, проходящим через его центр. В открытом положении этот порт совпадает с трубопроводом, позволяя жидкости проходить прямо через него. Поворот штока на 90 градусов превращает твердую стенку сферы в путь потока, физически блокируя любой проход.

Шар как со стороны входа, так и со стороны выхода окружают седла клапанов — кольца, изготовленные из таких материалов, как ПТФЭ (политетрафторэтилен), ПЭЭК (полиэфирэфиркетон) или армированный нейлон. Эти седла обработаны так, чтобы соответствовать кривизне шара с очень жесткими допусками, как правило, От ±0,001 до ±0,005 дюйма в зависимости от класса давления. Седла удерживаются под небольшой пружиной или механической предварительной нагрузкой, так что еще до приложения давления в системе шар уже находится в контакте с материалом седла по всей своей окружности.

Когда клапан закрыт и давление в линии возрастает вверх по потоку, это давление воздействует на выступающую часть шара и плотно прижимает его к седлу ниже по потоку. Мягкий материал седла — ПТФЭ, безусловно, является наиболее распространенным — микроскопически соответствует любым неровностям поверхности шара, заполняя зазоры, которые остаются открытыми при жестком контакте металла с металлом. Результатом является то, что в отрасли называют Отключение класса VI , что в соответствии со стандартами ANSI/FCI 70-2 допускает максимум всего 0,0005 мл в минуту на дюйм диаметра седла при номинальном перепаде давления — для практических целей нулевая утечка.

Плавающий шар против шара, установленного на цапфе

Существует две основные конструкции, которые по-разному справляются с герметичностью:

• Плавающие шаровые краны — Шар не закреплен механически; он плавает между двумя седлами и под давлением может слегка смещаться в направлении вниз по потоку. Это позволяет давлению в линии создавать усилие уплотнения. Они чрезвычайно эффективны при давлениях примерно до 600 фунтов на квадратный дюйм типичных размеров (от ½ до 4 дюймов), что соответствует подавляющему большинству коммерческих и промышленных применений.
• Шаровые краны с цапфой — Шар закреплен сверху и снизу цапфами, поэтому он не может сместиться к заднему седлу. Вместо этого подпружиненные седла прижимаются к шару с обеих сторон. Эта конструкция является стандартной для больших размеров (обычно 6 дюймов и выше) и приложений с высоким давлением — до 10 000 фунтов на квадратный дюйм в некоторых конфигурациях — поскольку она не позволяет седлам нести полную гидродинамическую нагрузку шара.

Обе конструкции достигают одного и того же конечного результата — герметичного уплотнения — но с помощью несколько разных механических путей. Выбор неправильной конструкции для диапазона давления является одной из наиболее частых причин преждевременной утечки шарового крана.

Выбор материала седла и его влияние на характеристики уплотнения

Материал седла является единственной наиболее важной переменной, определяющей, будет ли шаровой клапан сохранять герметичность уплотнения на протяжении всего срока службы. Каждый материал имеет различное сочетание химической совместимости, температурного диапазона и механической прочности.

ПТФЭ доминирует на рынке, поскольку он обеспечивает почти универсальную химическую стойкость (на него воздействуют только расплавленные щелочные металлы и свободный фтор), а его низкое трение позволяет шарику вращаться, не задевая поверхность седла. Однако ПТФЭ «текучий на холоде» — под длительной сжимающей нагрузкой он медленно деформируется. В тех случаях, когда клапан остается закрытым в течение нескольких месяцев при высоком давлении, это может в конечном итоге уменьшить контактную силу и привести к небольшому пути утечки. Седла, заполненные ПТФЭ или ПЭЭК, значительно уменьшают это явление.

Металлические седла жертвуют герметичностью мягких седел в обмен на способность выдерживать экстремальные температуры и абразивные частицы. Шаровой клапан с металлическим седлом, работающий, скажем, при температуре 1200°F в каталитическом процессе, по-прежнему может обеспечивать стабильное, повторяемое отключение в течение тысяч циклов — но не с тем же стандартом утечки, что клапан с мягким седлом при температуре окружающей среды.

Уплотнение штока: предотвращение утечки в атмосферу

Уплотнение порта – это только половина дела. Шаровой кран также должен предотвращать утечку технологической жидкости вокруг штока — вала, который соединяет шар с внешней ручкой или приводом. Это называется контролем неорганизованных выбросов, и в таких отраслях, как нефть и газ, нефтехимия и фармацевтика, нормативные ограничения являются строгими. Например, протокол метода 21 Агентства по охране окружающей среды требует, чтобы утечка штока клапана не превышала 500 частей на миллион летучих органических соединений (ЛОС).

Уплотнение штока обычно достигается с помощью одного или нескольких из следующих действий:

• Уплотнительные кольца — Сжатые кольца из ПТФЭ, графита или плетеного волокна, помещенные в сальниковую коробку вокруг штока. Графитовая набивка является стандартом для высокотемпературных или пожаробезопасных применений, поскольку она не воспламеняется и сохраняет свои герметизирующие свойства при температурах, при которых ПТФЭ может расплавиться.
• Нагруженная упаковка — Тарельчатые пружины (тарельчатые шайбы) расположены над уплотнительными кольцами и поддерживают постоянное сжимающее усилие, даже если материал уплотнения со временем ослабевает или изнашивается. Это ключевая особенность клапанов с низким уровнем выбросов, сертифицированных по стандарту ISO 15848.
• Вторичное уплотнение штока — Дополнительное уплотнительное кольцо или манжетное уплотнение под первичной набивкой обеспечивает резервный барьер. Если первичное уплотнение изнашивается, вторичное уплотнение дает время, прежде чем клапан потребуется заменить.
• Противовыбросовая конструкция штока — Заплечик, врезанный в шток, предотвращает его выталкивание под давлением в трубопроводе в случае выхода из строя уплотнения — это не механизм уплотнения как таковой, а критическая функция безопасности, предотвращающая катастрофическую утечку.

В приложениях с высокой надежностью, таких как терминалы СПГ и линии по производству полупроводников, часто используются шаровые краны с двойной блокировкой и стравливанием (DBB), которые включают в себя не только резервные уплотнения штока, но и спускные клапаны, которые позволяют вентилировать полость между двумя седлами и проверять ее на отсутствие утечек, прежде чем выходная сторона будет открыта для процесса.

Обработка поверхности шара: скрытый фактор долговременного уплотнения

Никакое мягкое седло не сможет компенсировать шероховатую поверхность мяча. Шар должен быть отшлифован и отполирован до чистоты поверхности, обычно определяемой как Ra 0,4 мкм (16 мкдюйм) или лучше for general industrial service, and Ra 0.2 μm or better for critical applications. При таком уровне гладкости даже относительно твердый материал, такой как PEEK, может образовывать конформное уплотнение с шаром.

Поверхность мяча также получает защитное покрытие в сложных условиях:

• Химическое никелирование — Равномерная твердость 50–60 HRC по всей поверхности, включая углубления, хорошая коррозионная стойкость, применяется в нефтесервисной и общей химической обработке.
• Твердое хромирование — Твердость поверхности до 70 HRC, отличная износостойкость для сред, содержащих мелкие абразивные частицы. Твердая поверхность защищает зону уплотнения даже после тысяч циклов открытия-закрытия.
• Карбид вольфрама (применение HVOF) — Самое твердое обычно наносимое покрытие, 70–75 HRC, используемое при работе со шламовыми, эрозионными и песчаными газами. Шарик из карбида вольфрама может сохранять качество поверхности в течение миллионов циклов, в то время как хромированный шар может получить царапины за несколько недель.
• Хромоксидная керамика — Чрезвычайно твердый и инертный, подходит для агрессивных химических процессов, где металлические покрытия подвержены коррозии. Часто используется при работе с хлором и плавиковой кислотой.

Поверхность шара с насечками или ямками является наиболее распространенной причиной того, что шаровой кран раньше хорошо закрывался, но теперь протекает в закрытом положении. Даже микроскопические царапины, вызванные песком, окалиной, сварочными брызгами или работой в условиях кавитации, создают пути утечки, которые не может перекрыть ни одно мягкое седло.

Почему шаровые краны предпочтительнее задвижек и шаровых кранов для плотного перекрытия

Шаровые краны в значительной степени вытеснили задвижки и проходные клапаны в новых установках для изоляции, и причина напрямую связана с надежностью уплотнения. Рассмотрим, как работают конкурирующие конструкции:

• Задвижки закрыть, вбив металлический клин в металлическое седло — интерфейс металл-металл, который требует очень высокой силы срабатывания для достижения плотного закрытия и который очень чувствителен к протягиванию проволоки (эрозия седла, вызванная дросселированием в положениях низкого подъема). Частично открытая задвижка позволяет жидкости с высокой скоростью прорезать канавки на поверхности седла, необратимо ухудшая характеристики запирания. Они также работают медленно — обычно требуется много поворотов маховика.
• Шаровые клапаны используйте плунжер, прижимаемый к круглому седлу - лучше для дросселирования, чем задвижки, но все же интерфейс металл-металл или плунжер-седло, который не обеспечивает отсечку класса VI в стандартных конфигурациях. Они также имеют высокий перепад давления в открытом положении из-за извилистого пути потока.
• Шаровые краны , напротив, переместите его на 90 градусов, чтобы полностью открыть или полностью закрыть — в обычном режиме не используется промежуточное «частично открытое» положение, поэтому протягивания провода не происходит. Мягкое седло либо контактирует с герметичной частью шара, либо полностью находится вне потока потока. Рабочий крутящий момент сравнительно невелик, а стандартные четвертьоборотные приводы недороги и надежны.

Исследования, сравнивающие типы клапанов, используемых на нефтеперерабатывающих заводах, показали, что шаровые краны достигают Снижение затрат на техническое обслуживание на 60–80 % в течение 10 лет по сравнению с задвижками, выполняющими эквивалентные изолирующие функции, в основном потому, что они сохраняют свои запорные характеристики в течение гораздо большего количества циклов открытия-закрытия без перенабивки или замены поверхности.

Распространенные причины, по которым шаровой кран начинает протекать, и как их предотвратить

Даже в хорошо спроектированном шаровом кране в конечном итоге возникнет утечка, если его неправильно использовать или пренебрегать им. Виды отказа делятся на отдельные категории:

Деградация сиденья

Седла из ПТФЭ хладотекучие, как описано выше. Они также разлагаются при воздействии сред, находящихся за пределами их химической совместимости: например, концентрированная серная кислота при температуре выше 150°F разрушает ПТФЭ. Когда седла теряют свою размерную целостность, они больше не поддерживают полный контакт с шаром в закрытом положении. Решением является замена седла, которая в большинстве конструкций с плавающим шаром требует только снятия концевых соединений и выпрессовки старых седел — операция, выполняемая в полевых условиях, для обученного технического специалиста занимает менее часа.

Повреждение поверхности мяча

Песок, сварочный шлак, трубная окалина и другие твердые частицы в потоке царапают поверхность шара во время работы. Повреждения поверхности в зоне контакта с седлом даже на 5–10 микрон могут привести к поломке затвора класса VI. Меры по предотвращению включают сетчатые фильтры на входе (обычно 40–80 меш для общего обслуживания), обеспечение очистки и промывки всех участков трубы перед установкой клапана, а также использование закаленных покрытий шариков — карбида вольфрама или твердого хрома — там, где ожидается загрязнение твердыми частицами.

Износ уплотнения штока

Утечка в стволе (неорганизованные выбросы) постепенно увеличивается по мере того, как упаковочный материал с течением времени сжимается и выдавливается при термоциклировании. На клапанах без динамической нагрузки просто затяните гайку сальника, от четверти до половины оборота обычно восстанавливает герметичность. Чрезмерная затяжка контрпродуктивна — она увеличивает рабочий крутящий момент и ускоряет износ штока без пропорционального улучшения уплотнения. На автоматических клапанах повышенное потребление крутящего момента приводом часто является первым измеримым признаком ухудшения качества уплотнения.

Термический цикл и повреждение от замерзания

Шаровые краны, установленные для работы с жидкостями на открытом воздухе, уязвимы к повреждению от замерзания, если в полости между шаром и седлами задерживается жидкость, которая расширяется при замерзании. Давление в полости при образовании льда может превышать 40 000 фунтов на квадратный дюйм — намного превосходит конструктивные характеристики любого стандартного клапана — растрескивание корпуса или деформация седел. Варианты предотвращения включают отверстия для разгрузки полости (сверление небольшого отверстия в шаре, чтобы полость всегда находилась под давлением на входе), полнопроходные конструкции, которые минимизируют захваченный объем, и обогрев там, где ожидается замерзание.

Неправильный момент затяжки при установке

Фланцевые шаровые краны имеют определенную последовательность затяжки болтов и значение крутящего момента, указанное производителем. Недостаточная затяжка фланцевых болтов приводит к недостаточному сжатию прокладки, что приводит к утечке между корпусом и фланцем, которая до тщательного осмотра выглядит как внутренняя утечка седла. Чрезмерное затягивание клапанов с пластиковым корпусом деформирует корпус, в результате чего шар смещается от центра относительно седел и немедленно нарушается отсечка. Всегда следуйте таблице крутящих моментов в руководстве по установке клапана — значения обычно варьируются от От 25 фут-фунтов для фланцев 1" ANSI 150 до более 500 фут-фунтов для фланцев 12" ANSI 600 .

Пожаробезопасность и антистатические свойства: герметизация в чрезвычайных ситуациях

В углеводородных и химических процессах нормы, включая API 607 и ISO 10497, требуют, чтобы шаровые краны сохраняли приемлемое закрытие даже после того, как пожар повредил их мягкие седла. Стандартное седло из ПТФЭ плавится при температуре около 620°F (327°C). В случае пожара это обычно разрушает герметичность седла и позволяет технологической жидкости выйти наружу, что еще больше усиливает пожар.

Пожаробезопасные шаровые краны решают эту проблему благодаря вторичному седлу металл-металл позади основного мягкого седла. Как только мягкое седло сгорает, металлическая опора вступает в контакт с шаром, создавая уменьшенный, но все же функциональный барьер. Стандартные испытания по API 607 ​​подвергают собранный клапан воздействию прямого пламени при температуре 1400°F (760°C) в течение 30 минут, а затем требуют, чтобы он удерживал внешнюю утечку ниже 1,0 мл/мин на дюйм номинального диаметра трубы при давлении, в 1,1 раза превышающем номинальное. Выполнение этого испытания требует тщательного расчета нагрузки пружины, которая приводит в контакт металлическое опорное сиденье.

Антистатические характеристики — проводящая пружина или графитовая вставка, соединяющая шар со штоком и корпусом — указаны наряду с пожаробезопасными конструкциями. Без них непроводящее седло из ПТФЭ может привести к накоплению электростатического заряда на шаре во время потока, который в конечном итоге разряжается в виде искры, которая воспламеняет легковоспламеняющиеся пары в полости клапана. Антистатические пути поддерживают электрическую непрерывность внизу 10 Ом сопротивление на протяжении всего срока службы клапана в соответствии с требованиями API 608.

Полнопроходной или уменьшенный диаметр: какая конструкция обеспечивает лучшее уплотнение?

Шаровые краны доступны в двух конфигурациях проходного сечения:

• Полнопроходной (полнопроходной) — Отверстие через шар соответствует внутреннему диаметру подключаемой трубы. Полнопроходной шаровой кран диаметром 3 дюйма имеет порт диаметром 3 дюйма. Перепад давления в открытом положении близок к нулю, а клапан является разборным (через него может проходить чистящий или проверочный скребок). Шар большего размера требует соответственно большей площади седла, что незначительно увеличивает нагрузку на седло, необходимую для обеспечения плотного закрытия.
• Уменьшенный диаметр (стандартный порт) — Порт обычно на один размер трубы меньше, чем соединение. Клапан с уменьшенным проходным диаметром 3 дюйма имеет порт диаметром примерно 2 дюйма. Меньший шар легче и его легче приводить в действие, а площадь контакта седла меньше, что несколько облегчает достижение плотного закрытия при низком давлении.

С точки зрения чистой герметизации обе конфигурации обеспечивают отключение класса VI при правильной сборке. Выбор между ними обусловлен требованиями к перепаду давления, требованиями к очистке скребков и стоимостью, а не собственной способностью к уплотнению. Полнопроходные клапаны стоят примерно на 15–30% больше чем эквиваленты с уменьшенным диаметром диаметра из того же материала и класса давления.

Проверка уплотнения шарового крана до и после установки

Независимо от того, насколько хорошо сконструирован клапан, проверка уплотнения необходима перед вводом системы в эксплуатацию. Двумя основными методами испытаний являются:

1. Гидростатическое испытание седла — Вода (или другая испытательная жидкость) находится под давлением, в 1,1 раза превышающим номинальное рабочее давление клапана на стороне входа, когда клапан закрыт, а сторона выхода открыта в атмосферу. Любая утечка через седла измеряется объемно в течение определенного периода времени. Для класса VI допустимая утечка при номинальном давлении указана в таблице ANSI/FCI 70-2 — например, для клапана диаметром 2 дюйма предел составляет 0,10 мл/мин.
2. Пневматическое испытание сиденья — Вместо воды используется воздух или азот при более низком давлении (обычно 80–100 фунтов на квадратный дюйм), при этом выходная сторона погружается в воду или покрывается раствором для обнаружения утечек. Этот тест более чувствителен, чем гидростатический, для обнаружения очень небольших утечек, поскольку молекулы газа проходят через меньшие зазоры, чем жидкость. Один пузырь в минуту, видимый при тесте на погружение в воду, соответствует примерно 0,001 мл/мин утечки.

Для проверки в процессе эксплуатации без разборки ультразвуковые течеискатели могут идентифицировать турбулентный звуковой сигнал негерметичного седла клапана через стенку корпуса клапана. Этот неинвазивный метод позволяет обнаружить утечки даже небольшого размера. 0,5 SCFH (стандартный кубический фут в час) в газовом сервисе без необходимости остановки технологического процесса — существенное преимущество для объектов непрерывного производства.

Часто задаваемые вопросы об уплотнении шарового крана

Можно ли использовать шаровой кран для дросселирования, чтобы снизить риск утечки?

Шаровые краны не следует использовать для дросселирования. Эксплуатация шарового крана в частично открытом положении подвергает седло высокоскоростному потоку через уплотнительную поверхность, что приводит к эрозионному повреждению за короткий период времени. Если вы оставите шаровой кран частично открытым в течение длительного периода времени, зона уплотнения шара будет разрушена, и клапан потеряет способность аккуратно закрываться. Для дросселирования используйте проходной клапан, игольчатый клапан или дроссельный клапан с соответствующей конструкцией трима.

Как долго служат седла шаровых кранов?

В чистых условиях эксплуатации с совместимыми средами седла из ПТФЭ обычно обеспечивают отсечку класса VI для От 50 000 до 100 000 полных циклов открытия-закрытия . В календарном плане срок службы седла клапана, который совершает циклы десять раз в день при чистой эксплуатации, составит 14–27 лет, прежде чем потребуется переуплотнение. Абразивные или химически агрессивные среды, высокая частота циклов или работа при температуре, превышающей предельную температуру седла, значительно сокращают срок службы.

Всегда ли стоит ремонтировать протекающий шаровой кран или его следует заменить?

Для клапанов с резьбой или раструбной сваркой небольших размеров (от ½ до 2 дюймов) замена почти всегда более экономична, чем ремонт - стоимость нового клапана часто меньше, чем трудозатраты на разборку, поиск седла и повторную сборку. Для шаровых кранов с фланцами большего размера (4 дюйма и выше) или конструкции из специального сплава (Hastelloy, титан, Duplex SS) ремонт с использованием комплектов седла и уплотнений является стандартной практикой, поскольку шар и корпус составляют большую часть стоимости клапана и редко повреждаются по отдельности.

Влияет ли направление потока на герметичность шарового крана?

Да, в конструкциях с плавающим шаром — направление уплотнения имеет значение. Давление на входе прижимает шар к седлу на выходе, создавая первичное уплотнение. Изменение направления потока в односедельном клапане в некоторых конструкциях может уменьшить усилие посадки и допустить незначительную утечку. Большинство современных кранов с плавающим шаром предназначены для двунаправленного уплотнения, с седлами с обеих сторон и соответствующей нагрузкой пружины, но всегда следует подтверждать технические характеристики производителя. Клапаны, установленные на цапфе, по своей сути являются двунаправленными, поскольку усилие посадки создается независимо от направления потока подпружиненными седлами.

В чем разница между запорными устройствами классов IV, V и VI в шаровых кранах?

Эти классификации согласно ANSI/FCI 70-2 определяют максимально допустимую скорость утечки при номинальном давлении. Класс IV (клапаны с металлическим седлом) допускают пропускную способность до 0,01% от номинальной пропускной способности клапана Cv. Класс V ужесточает это значение до 0,0005 мл в минуту на дюйм диаметра седла на фунт на квадратный дюйм перепада давления. Класс VI — стандарт для шаровых кранов с мягким седлом — определяет фиксированный максимум в мл в минуту, основанный исключительно на размере клапана, и является самой жесткой широко используемой классификацией. Например, для 4-дюймового клапана класса VI утечка в условиях испытаний ограничена 1,0 мл/мин.