Różnica między elastycznym klinem aSolidne zasuwy klinowe

Przy doborze zaworów przemysłowych konstrukcja klinowa zasuw bezpośrednio określa niezawodność uszczelnienia, zdolność dostosowania cyklu termicznego i częstotliwość konserwacji systemu rurociągów.

Chociaż dwie główne konstrukcje: - klin stały i klin elastyczny - to zasuwy-z dodatnim uszczelnieniem, różnią się one zasadniczo pod względem zachowania mechanicznego i możliwych scenariuszy.

W oparciu o standardy API 600 i ASME B16.34 w tym artykule przeanalizowano różnice między nimi z punktu widzenia mechaniki materiałów, reakcji pola temperaturowego i danych dotyczących uszkodzeń pola.

 

Jakie warunki pracy są odpowiednie dla zasuw z pełnym klinem? Jakie są ich nieodłączne ograniczenia?

Tarcza zasuwy zasuwy z pełnym klinem jest wykonana z jednego kawałka odlewanego metalu (zwykle ze stali nierdzewnej WCB, LCB lub CF8M) o stałym kącie klina (standardowe wartości 5 stopni lub 2 stopnie 52′, w zależności od klasy ciśnienia). Ta sztywna struktura działa stabilnie w mediach w normalnej temperaturze, przy niskiej różnicy ciśnień i bez cykli termicznych, takich jak:

• Nie{0}}płyny niekorozyjne, takie jak woda, ropa i gaz, o temperaturach roboczych w zakresie od -29 stopni do 150 stopni;
• Sztywne środowiska instalacyjne, w których przemieszczenie osiowe rurociągu jest mniejsze niż 0,1 mm/m.

Jednakże, gdy w systemie nastąpi wzrost temperatury (np. rurociągi parowe nagrzeją się z 20 stopni do 250 stopni), różnica współczynników rozszerzalności cieplnej pomiędzy korpusem zaworu a tarczą zasuwy spowoduje wiązanie termiczne. Zmierzone dane pokazują, że w przypadku zasuwy z pełnym klinem DN150, gdy różnica temperatur przekracza 80 stopni, siła otwierająca tarczy zasuwy musi wzrosnąć 3 do 5 razy, a nawet może wystąpić zacięcie. Ponadto cząstki stałe w medium mają tendencję do gromadzenia się na powierzchni klina, tworząc zadrapania, które powodują, że współczynnik wycieku przekracza wymagania klasy A normy ISO 5208 (0,1 × DN mm3/s).

 

W jaki sposób elastyczny klin pozwala uniknąć wiązania termicznego? Czy jego odkształcalność wpływa na granicę ciśnienia?

Elastyczne zasuwy klinowe są obrabiane z pierścieniowymi rowkami, rowkami w kształcie litery U- lub otworami przelotowymi pośrodku lub po obu stronach tarczy zasuwy, tworząc elastyczne „elastyczne ramiona”. Typowe projekty obejmują:

• Pojedynczy elastyczny rowek: głębokość rowka wynosi 1/3 do 1/2 grubości tarczy bramy, umożliwiając odkształcenie kątowe tarczy bramy od 0,2 do 0,5 stopnia;
• Podwójne pierścienie elastyczne: stosowane do dużych średnic (DN większe lub równe 300), zdolne do kompensacji owalności gniazda do 0,3 mm.

 

Kiedy rurociąg się nagrzewa lub korpus zaworu jest poddawany momentowi zginającemu, elastyczna tarcza zasuwy klinowej automatycznie dopasowuje się do gniazda zaworu poprzez własne ugięcie, utrzymując naprężenie stykowe na poziomie 20 ~ 35 MPa (API 600 wymaga minimum 17 MPa). Test porównawczy pary pokazuje, że po cyklicznych zmianach temperatury (20 → 400 → 20 stopni, 50 cykli) wahania siły otwarcia elastycznych zasuw klinowych wynoszą tylko ± 8%, podczas gdy średnia siła otwierania zasuw z pełnym klinem wzrasta o 220%. Dlatego kliny elastyczne polecane są do:

• Cykliczne warunki temperaturowe (np. jednostki opóźnionego koksowania w rafineriach, różnica temperatur ΔT większa lub równa 200 stopni);
• Media kriogeniczne (ciekły azot -196 stopni, materiały elastyczne mogą to być CF8M + stop Stellite);
• Media zawierające cząstki śladowe (elastyczne powierzchnie mogą kompensować drobne wgniecenia).

 

Przy wyborze rurociągu parowego inżynierowie często szukająelastyczne zastosowania zasuw klinowych do cyklicznej obsługi temperaturowej;

W przypadku usług kriogenicznych należy zapoznać się zograniczenia temperaturowe zasuwy klinowej stałej poniżej -100 stopni(pełne kliny są podatne na kruche zakleszczanie w temperaturze -196 stopni);

Na etapie projektowaniaCharakterystyka odkształcenia klina zasuwynależy obliczyć, a sztywność sprężystą elastycznych klinów zwykle projektuje się na 50 ~ 200 kN/mm;

Podczas zakupu wymagany promień zaokrąglenia podstawy elastycznych rowków wKonstrukcja klina API 600należy sprawdzić przekrój (większy lub równy 1,5 mm, aby uniknąć koncentracji naprężeń).

 

Porównanie zawodowe: różnice w niezawodności uszczelnienia, częstotliwościach konserwacji i kosztach

Parametr	Solidny klin	Elastyczny klin
Maksymalna różnica ciśnień uszczelniających w normalnej temperaturze	40 MPa (klasa 2500)	32 MPa (klasa 2000)
Dopuszczalna nierównoległość-siedzeń	Mniejsza lub równa 0,05 mm	Mniejsza lub równa 0,25 mm
Typowy tryb awaryjny	Wiązanie termiczne, zużycie powierzchni klina	Pęknięcie zmęczeniowe elastycznego rowka (żywotność około. 10⁵ cykli)
Naprawa szlifierska-na miejscu	Powtarzalne 2~3 razy	Generalnie nie nadaje się do szlifowania (uszkadza elastyczne wymiary)

Z punktu widzenia konserwacji: tarczę zasuwy zasuwy z pełnym klinem można napawać na miejscu za pomocą Stellitu nr 6- i szlifować do pierwotnego kąta klina, a koszty konserwacji stanowią 15–20% pierwotnej ceny zaworu. W przypadku pojawienia się pęknięć u nasady elastycznego rowka w elastycznym klinie, należy wymienić całą tarczę bramy, co wiąże się z kosztami rzędu 40~50%. Dlatego kliny pełne są bardziej ekonomiczne w przypadku rurociągów czystej wody z mniej niż 500 cyklami otwierania/zamykania rocznie i stałą temperaturą. W przypadku częstych cykli termicznych, takich jak wychwytywanie pary i kraking katalityczny,-choć jednorazowa cena zakupu elastycznych klinów jest o 15–25% wyższa, ich wartość w unikaniu nieplanowanych przestojów znacznie przekracza różnicę cen.

 

Jak podejmować decyzje na podstawie parametrów operacyjnych?

• Jeśli ΔT (różnica temperatur między medium a otoczeniem) < 60 stopniIczęstotliwość otwierania/zamykania < 2 razy/dzień → wybierz stały klin;
• Jeżeli ΔT jest większe lub równe 100 stopniLubrurociąg podlega obciążeniom wibracyjnym/zginającym → elastyczny klin należy zastosować, zapewniając, że chropowatość powierzchni elastycznych rowków jest Ra mniejsza lub równa 0,8 μm;
• W przypadku mokrego gazu kwaśnego zawierającego H₂S (NACE MR0175) obie konstrukcje wymagają twardości mniejszej lub równej 22 HRC, ale zamiast klinów elastycznych preferowane są kliny pełne ze względu na ich wrażliwość na naprężenia własne.

Według statystyk terenowych opublikowanych w międzynarodowym czasopiśmieŚwiat Valvew 2021 r.: spośród 62 przypadków awarii zasuw zasuwowych zakleszczenie stałego klina spowodowane wiązaniem termicznym stanowiło 41%, podczas gdy tylko 12% uszkodzeń klina elastycznego miało podłoże konstrukcyjne-, a resztę przypisywano użytkownikom przekraczającym limit cyklu temperaturowego. Dlatego też dokładne wypełnienie karty parametrów pracy (m.in. temperatura maksymalna/minimalna, liczba cykli na godzinę) jest warunkiem koniecznym dobrania prawidłowej konstrukcji klina.