– Для исключения образования пульсаций собственно от закрытия\открытия клапана, в нем должны быть предусмотрены предохранительные схемы сглаживания давления при помощи дополнительных устройств.

– Время срабатывания при открытии и закрытии клапана должно соответствовать требованиям образования или затухания волны давления и пульсаций для устранения гидравлического удара. Открывание и закрывание клапана должно происходить, как правило, медленно.

– Время реакции клапана на сигнал должно быть минимальны.

ПРИМЕНЕНИЕ КЛАПАНОВ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ГИДРОУДАРОВ

Гидроудары могут появляться в системе нерегулярно или периодически. Предсказуемыми являются только те, которые связаны с задаваемой работой технологического оборудования. К ним относятся, например:

– пуск\останов насоса

– быстрое опорожнение\заполнение емкости, технологического узла

– автоматическое перекрытие линии клапанами.

Непредсказуемыми являются процессы пульсаций, возникающие из-за отклонений в технологическом процессе. Они могут приводить к:

– кавитации

– повышенной виброактивности

– нарушению работоспособности.

Для условий пуска \останова насосов выбираются обычные клапаны с возможностью, как отсечки, так и регулирования.

Для условий быстрого опорожнения линии, а также в варианте предохранительного клапана для быстрого опорожнения линии клапаны должны иметь следующие особенности:

– Высокие коэффициенты пропускной способности клапанов (Кv): для обеспечения защиты трубопровода от волн давления потребуются меньшие размеры и (или) меньшее число таких клапанов. Этим обеспечивается снижение расходов на установку и снижение веса систем защиты трубопроводов.

– Быстродействие – быстрое открытие и плавное закрытие клапанов позволяют своевременное реагирование на изменение давления в системе жидкости.

– Дополнительный резерв по пропускной способности позволяет справляться с непредвиденными, более высокими, чем расчетные, скачками давления систем.

– Жесткость конструкции, исключает такие проблемы, как утечку среды через сальниковые уплотнения, разрыв элементов и их деформацию, что обычно приводит к выходу из строя клапанов.

– Простота обслуживания и надежность конструкции.

Для условий работы при автоматическом перекрытии линии автоматическими клапанами при условии возникновения гидроудара и пульсаций, клапаны должны иметь элементы повышения надежности. К ним относятся несколько основных элементов. Это такие элементы как:

– Жесткое соединение шара с осью, механизм противостояния выдавливанию оси, специальные способы запирания седел. Компания Метsо Automation использует для этих целей цельнолитой шар-ось «Stem Ball», исключающий возможность разъединения шара с осью, его заклинивание и потерю работоспособности.

– Специальный конструктивный элемент безопасности от выдавливания оси. Элементом повышения промышленной безопасности служит специальный литой элемент на клапане, с целью предотвращения выдавливания оси из своего гнезда. В этом случае предотвращается риск нанесения ущерба жизни и здоровью персонала, катастрофических аварий и наружных утечек среды.

– Специальное соединение клапана с приводом. Это специальный кронштейн для соединения оси с приводом.

– Позиционеры, способные работать в условиях высокой вибрации.

– Специальный инструментарий, включающий конечные выключатели типа SWITH GUARD, позволяющий обеспечить медленное открытие клапанов, работающих на создание гидроудара или медленное закрытие клапанов, работающих на создание обратного гидроудара. Для преодоления большого поворотного момента накоплении давления при закрытии шарового или дискового затвора при медленном закрытии может быть установлен бустер – усилитель давления.

– Учитывая, что при гидравлическом ударе обычно начинается протечка по фланцам, что и служит признаком повторяющихся гидравлических ударов, следует отметить возможность применения фланцев с поверхностями, выполненных по варианту «шип-паз».

Типы рекомендуемых клапанов METSO AUTOMATION для условий высоких пульсаций и гидроударов приведены ниже, табл.2.16.

Табл. 2.16. Типы клапанов Метсо, применяемых для условий высоких пульсаций и гидроударов

ВИБРАЦИЯ В СИСТЕМАХ ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ КЛАПАНОВ

Клапаны испытывают нагрузки от вибрации. Наиболее часто это происходит в системах парораспределения. Эти проблемы встречаются в турбинном хозяйстве, ТЭС и ТЭЦ, системах подачи пара СРК и в пароконденсатных системах.

При эксплуатации систем парораспределения, особенно турбинного хозяйства, отмечаются систематические повреждения органов парораспределения. В большинстве случаев повреждения обусловлены обрывами штоков регулирующих клапанов, искажениями прилегания чаши к седлу, выпрессовкой седел, а также отклонениями в фиксации сегментов седел регулирующей ступени. К наиболее распространенным неполадкам в системах парораспределения относятся износ элементов подвески штоков, уплотнительных букс и поршневых колец. Износу подвергаются также тяги, серьги, подвески, ограничительные шпильки прижимных пружин, элементы шарнирных соединений и детали передачи усилий от сервомоторов.

При этом анализ характера повреждений, выполненных в работах ЦКТИ, ЛМЗ, МЭИ свидетельствуют об их вибрационном происхождении. Причина частых повреждений и поломок различных элементов систем парораспределения связана с наличием низко и высокочастотных колебаний, приводящих к относительно быстрому набору критического числа циклов нагружения, прежде всего деталей конструкций различных регулирующих клапанов. Например, за три часа эксплуатации детали при частоте нагружения f=100Гц число циклов достигает значения 10⁶. Зачастую высокочастотные колебания сопровождаются характерными звуковыми эффектами («пение» клапанов). Отмечаемые эффекты в форме «стука отбойного молотка» свидетельствуют о наличии низкочастотных колебаний. В результате прогрессируют усталостные явления, включая малоцикловую и звуковую усталость.

Основными причинами неустойчивой работы регулирующих клапанов систем парораспределения являются автоколебательные процессы в связи с эффектами статической неустойчивости, перемена знака усилия по мере открытия клапана. Продольные автоколебания могут формироваться вследствие инерционности потока рабочей среды, когда помимо парового усилия на чаше появляется дополнительная возмущающая сила. При совпадении частоты основного тона продольных колебаний чаши и штока клапана с собственными частотами парового объема, например, патрубков подвода рабочей среды возникают акустические резонансы, приводящие к росту амплитуды колебаний за чашей клапана. При наиболее критических режимах, например, сверхкритическом режиме течения рабочей среды, пульсации давления приводят в действие переменные усилия в окружном направлении с амплитудами в несколько десятков кN, а в осевом направлении – сотен кN. Они и становятся причиной повреждения, как клапанов, так и сопряженных узлов.

К способам повышения вибрационной надежности относятся отстройка от резонанса путем изменения собственных частот механических колебаний клапанной системы, а также частоты внешних возмущений путем изменения геометрии, массы и размеров (длины и диаметра штока клапана, массы сегмента затвора и пр.). В некоторых случаях кардинальной мерой является полная замена конструкции клапана с изменением посадочных размеров.

Известно, что виброактивность регулирующих клапанов резко возрастает не только при малых степенях открытия клапана, но и в области зоны перемены знака направления давления пара. В этом случае работа возмущающих сил увеличивается вследствие роста амплитуды колебаний из-за люфтов в сочленениях элементов затвора клапана или его передаточных звеньев. В связи с этим эффективными будут нейтрализация люфтов, устранение неплотностей и подтяжка резьбовых соединений. Кардинальным методом является использование литых жестких затворов, прямая связь штока затвора с приводом и посадка позиционеров на привод.