Уникальная рабочая динамика кранов шаровых с шаром на опоре

Однако, по мере увеличения размера крана и класса давления необходимо принимать во внимание несколько факторов при открытии крана с небольшим или полностью отсутствующим давлением на выходной трубе (на выходе крана).

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики схожи для все кранов с шаром на опоре. В течение десятилетий при введении в эксплуатацию новых линий, полевые технические специалисты сообщали, что приводные краны с шаром на опоре открываются примерно на 20-25 градусов, а затем останавливаются перед полным открытием. Обычно это происходит при заполнении нового трубопровода и не рассматривается как случайное событие, потому что либо привод слишком маленького размера, либо давление на входе было неправильно отрегулировано. Эта проблема ярко выражена на заводах, где проводят испытания газом, особенно в последнее время, когда размеры кранов и рабочее давление значительно выросли.

Производители давно знают о существовании лопастного эффекта (vaning effect), который происходит при открытии шарового крана в ситуациях, когда поток высокой мощности проходит через кран и сопровождается высоким перепадом давления. Лопастной эффект противодействует первичному открытию, пытаясь снова закрыть кран как минимум до 40 градусов. Когда кран почти открыт эффект начинает действовать в обратном направлении и толкает шар до полного открытия. По этой причине ручные краны с шаром на опоре оснащены червячными самоблокирующимися редукторами. Если используется прямозубая шестерня (без самоблокировки) лопастной эффект может запустить шар, шестерню и маховик в обратном направлении, что, в свою очередь, может вырвать маховик из рук оператора.

Заводские испытания

Испытания кранов на пригодность к эксплуатации на заводе достаточно сильно отличаются от их реального использования в полевых условиях. Причина в том, что заводские испытания, как правило, направлены на объем жидкости, удерживаемой за седлом на входе, что создает небольшой поток после спуска давления. Также испытуемая жидкость может быть разной вязкости и массы, что также может отличаться от реально используемой среды в полевых условиях. Однако, в больших кранах или кранах высокого давления достаточно небольшой подачи газа, чтобы сгенерировать эффект открытия похожий на тот, который происходит в полевых условиях, но он может повредить уплотнительную поверхность седел. Это не произойдет во время гидроиспытаний седла, так как при открытии крана объем вытесняемой жидкости очень мал.

Этот факт привел к обширному исследованию для определения первопричин, связанных с особым свойством эксплуатации кранов с шаром на опоре во время открытия при полном дифференциальном давлении. Такое исследование можно было провести только с использованием передовых технологий в измерении давления, оптической регистрации и вычислительной гидрогазодинамике (CFD), которые были запущены на внушительном количестве компьютерных ядер.

Исследование

Так как во время заводского испытания газом имеет место быть небольшой объем среды, то исследование проводилось на предприятии в Вогере, Италия, чтобы узнать как меняется давление в разных частях крана. Были установлены миллисекундные регистраторы давления для мониторинга его изменения на входе, выходе, в полостях и в отверстиях для подачи аварийной смазки, которые соединяются с пространством за седлом. Результат показал, что при 23 градусах от открытия давление на входе упало только на 47%, до 200 бар избыточного давления от изначального. (Рис. 1). Это место было выбрано, потому что при таком угле поворота наблюдалось небольшое вдавливание мягкой части уплотнительного седла (рис. 2)

Давление в проходе за седлом на входе повторяло давление на входе в течение миллисекунд, что подтвердило факт, что седло все еще вдавливается в шар со значительным усилием во время большей части процесса открытия крана. Это, в свою очередь, приводит к более высокому крутящему моменту, нежели во время стандартных гидроиспытаний, где распространение жидкости незначительно, либо вовсе отсутствует. Скорость убывания давления на входе (показывается как перепад) зависит от многих факторов, включая скорость открытия крана, дифференциального давления, вязкости среды и объем на входе, выходе и в полости крана.

Угол поворота, при котором уплотнительная поверхность седла подвергается незначительному повреждению, основанном на факте, что привод работает на постоянной скорости, как указано на рис. 1. На графике показано, что при 200 бар избыточного давления седло на входе вдавливается на еще не до конца открытый шар.

Газовые испытания можно сымитировать, используя вычислительную гидрогазодинамику (CFD). Условия испытания схожи с теми, где среда – это природный газ, но вход и выход крана рассматриваются как бесконечные. Хотя это наиболее безопасный подход, присутствуют ограничения испытаний крана в рамках управляемой системы, включая факт, что объем запорного органа клапана на входе очень невелик.

Хотя данный сценарий является экстремальным, испытание имитирует наполнение трубопровода природным газом. В зависимости от геометрии и конфигурации компонентов крана, анализ может занимать дни или даже недели, в связи затрачиваемой памятью для проведения итераций. Кран поворачивался на выбранные углы открытия вместо каждого (всех) угла открытия. Дросселируемый поток проявлялся вплоть до 40 градусов открытия с сохранением значительного дифференциального давления на входе в шар и за входным седлом. Рисунок 3 показывает условия дросселируемого потока в шаровом кране, открытом под давлением с неограниченным объемом давления на входе.

Анализ переходных процессов

После нескольких расчетов был запущен полноценный анализ переходных процессов от силового открытия (0 градусов) до 60 градусов. Предыдущие компьютерные исследования были выполнены в статических условиях – анализ шара проводился под определенными углами в определенное время. В переходных процессах анализ оценивает воздействие на кран в процессе его открытия, что дает более реалистичную картину. Однако, в этом случае требуется хорошая вычислительная машина, чтобы рассчитать результаты. Используя вычислительную мощность 200 ядер, на анализ переходных процессов ушло шесть недель, так как перестроение модели должно быть осуществлено в минутных промежутках на каждый градус, чтобы получить достоверные результаты.

Такой тип анализа не может быть проведен для всех условий работы, но он может утверждать неизменность условий, проведенных на разных углах поворота. Результаты достаточно ясно показывают, что седло продолжает вдавливаться в шар до тех пор, пока давление не выровняется в полостях и на входе. Следовательно, увеличенный крутящий момент происходит за счет не только динамического лопастного эффекта, но также за счет сопротивления трения седла о шар.

Анализ также определил факт удара местной нагрузки о седло, когда оно частично опирается на полуоткрытый шар. Пятно контакта седла обычно исследуется в закрытом положении, чтобы оценить возможности уплотнённой поверхности. Когда кран частично открыт, седло все также находится под воздействием давления и часть седла больше не поддерживается шаром, поэтому часть, которая все еще опирается на шар подвержена большей нагрузке. Также имеет место быть воздействие на пятно контакта, где седло переходит на шар с неподдерживаемой области.

Это воздействие меняется в зависимости от объема на входе, вязкости и скорости открытия крана. Данное воздействие обычно проявляется во время заводских газовых испытаниях в виде вдавливания (воздействия на седло) в районе с 8 до 10 часов поверхности седла (если седло представить в виде циферблата). От 8 до 10 часов поверхности седла примерно равны 20-25 градусам открытия крана, в зависимости от конструкции (Рис. 1 и 2). Эта повышенная нагрузка может быть значительной и при неправильных условиях эксплуатации может стать настолько сильной, что повредит поверхность седла с металлическим уплотнением (Рис. 4).

Исследовательская работа была подтверждена последующими газовыми испытаниями, где кран во время открытия был подвержен высокому дифференциальному давлению с помощью подачи газа из емкости большого объема на входе в емкость еще большего объема на выходе. Хотя это не дало безграничного объема, результат повторил CFD анализ.

Зная, что данные ключевые факторы влияют на работоспособность крана, предоставление технического решения кажется очевидным, но это не тот случай, потому что должно быть учтено очень много переменных.

Переменные, влияющие на работоспособность

Наиважнейшая переменная – это среда: жидкость или газа. В то время, как жидкость не обладает высокой сжимаемостью, энергия деформации в трубопроводе на входе толкает ее через открывающийся кран таким же образом, как и газ. Проблема становится более сложной, так как жидкость обладает смазывающей способностью, уменьшая смещение седла. Трубопровод на выходе может быть не пустым, потому что текучая среда работает как буфер и уравнивает давление прежде, чем указанные выше “опасные” углы будут достигнуты. Вязкость среды, дифференциальное давление и температура также являются факторами. Многофазный поток переносит проблему на новый уровень.

Дифференциальное давление – другая значительная переменная. Необходимо рассмотреть несколько вопросов:

• Как часто кран будет открываться в условиях полного дифференциального давления?
• При какой температуре будет осуществляться движение? (Это влияет на мягкое уплотнение и склонность к истиранию металлического уплотнения.)
• Какой объем находится под давлением на выходе?
• Какой размер крана? (Нагрузка на седло в кранах с большим проходом весьма значительна)
• Какая скорость работы привода?
• Присутствует ли контроль скорости? Что произойдет если потребуется настройка контроля скорости в полевых условиях? (Если кран открывается слишком медленно, седло подвергается эрозии. Если кран открывается слишком быстро, угол открытия, при котором возникает высокая нагрузка достигается до выравнивания давления.)
• Какой тип привода? Гидравлический, электрический или пневматический? (Последний подразумевает большую динамическую нагрузку на кран.)
• Какое последнее (нормальное) положение привода? (Привязка нормально открытого крана к факельной газоотводной линии – экстремальные условия эксплуатации для крана с шаром на опоре по причинам, указанным выше)
• Будет ли привод ускоряться/резко переходить к опасному углу, как только кран приоткрывается и изначальное давление близко по значениям к испытательным?
• Оснащен ли привод демпфированием полного открытия?
• Является ли привод больше или меньше необходимого размера?

Вопросы, переменные и условия, кажутся бесконечными. Шаровый кран, спроектированный для соответствия каждому имеющемуся условию, был бы излишне сложным. Также невозможно анализировать каждое эксплуатационное условие для определения границ работы крана.

Необходимо понять, что эти характерные черты свойственны всем кранам с шаром на опоре вне зависимости от строения или производителя. Воздействия могут быть немного снижены конструкцией крана, но не смогут быть полностью устранены если по конструкции у него самоуплотняющиеся седла (находится под давлением среды и пружин). Также необходимо осознавать, что открытие крана под полным дифференциальным давлением с небольшим или полностью отсутствующим давлением на выходе по-другому влияет на арматуру других типов, как задвижки или поворотные затворы.

Что можно сделать?

Подведем итог рекомендаций для системных, эксплуатационных и приводных решений для кранов с шаром на опоре:

• Заказчики и подрядчики, проектирующие системы в которых используются краны шаровые большого диаметра или с большой пропускной способностью при высоком давлении, должны рассмотреть принятие обходной системы, где небольшой клапан будет предзаполнять жидкостью основные краны до начала их работы.
• Производители должны создать схему, отображающую размеры проходов кранов, материал седла и давление, при котором кран может быть открыт без потенциальной угрозы повреждения уплотнительной поверхности седла. (Рис.5)
• Скорость работы крана должна быть под тщательным контролем. Принятая индустрией строения кранов скорость - 1 секунда на дюйм на закрытие прохода (Более быстрые скорости также могут быть приняты в зависимости от конструкции), однако время открытия должно быть 3 секунды на дюйм.
• Большие пневматические приводы должны быть с демпфированием полного открытия для сдерживания крана от резкого поворота до небезопасного угла, приводящего к высокой нагрузке на седло после первичного сброса давления. Если пневматический привод без демпфирования, то рекомендуемое давление открытия должно быть уменьшено как минимум на 15%.

Вывод

Испытания при открытии кранов с шаром на опоре при полном дифференциальном давлении показывают, что понимание какое давление использовать для данного диаметра, может продлить жизнь крана и улучшить конструкцию трубопроводных систем.