Станислав Горобченко - Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в энергетике»

Хотим напомнить, что количественные характеристики надежности, приводимые в справочниках, определяются при нормальных условиях эксплуатации при обычной температуре окружающей среды, давлении воздуха, минимальном коэффициенте нагрузки. В реальных условиях эти показатели резко отличаются. Так, если при нормальных условиях запорный клапан имеет интенсивность отказов примерно 3,4, то в реальных условиях, интенсивность отказов увеличивается до 6 раз и составляет уже 20,7.

СВЯЗЬ НАДЕЖНОСТИ С ПАРАМЕТРАМИ РАБОТЫ КЛАПАНА

Надежность работы клапана связана как с технологией и самим процессом, так и с особенностями конструкции клапана. Для определения связи работы клапана с его надежностью ниже приводим таблицу классификации отказов, характерных для клапанов, табл. 2.13.

Табл. 2.13. Классификация отказов клапанов

Наиболее часто в клапанах происходит механическое повреждение поверхности. Поверхностное разрушение по сравнению с объемным является наиболее частой причиной отказов – до 80-85%. В целом, действие разрушающих факторов можно связать с работой клапана по следующим этапам:

1. Начальный этап – приоткрытие затвора – значительный перепад давлений и соответствующие ему высокие изгибающие нагрузки. Щелевое течение потока с высокой скоростью с сопутствующим высоким эрозионным и кавитационным эффектом. Наличие вскипания и микроповреждений поверхности. Уплотнения и края затвора, покрытия работают в анормальных условиях.

2. Постепенное открытие клапана на величину регулирования. Нормальный режим и истечение потока. Естественный износ. Длительное воздействие. Небольшие силовые и циклические нагрузки.

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.