Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в энергетике»
Шрифт:
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.
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,
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.