Kavitace v kulových ventilech a navrhovaná řešení

Obrázek 1 Obrázek 2

Obrázek 3

Obrázek 4

Významný pokles tlaku kapaliny v kulovém ventilu pod tlakem páry způsobí, že se pára vytlačí z kapaliny. Bubliny obnoví tlak a zhroutí se a vytvoří tlakové vlny. V důsledku toho mohou tlakové vlny poškodit sedlo, kuželku a tělo kulových ventilů. Kavitace může vytvářet nepravidelné důlky a erozi v obložení (sedlo a zátka), v těle a potrubí po proudu. Obrázek 2 ukazuje kavitační poškození ve formě malých důlků velmi podobných koroznímu poškození v kuželkách kulových ventilů.

Kavitace má kromě koroze a eroze i další negativní účinky:

• Hlasitý zvuk
• Silné vibrace
• Ucpání proudění v důsledku tvorby páry
• Změna vlastností kapaliny
• Závod odstaven

MĚŘENÍ ZÁVAŽNOSTI KAVITACE

Závažnost kavitace se měří pomocí indexu dutiny, který se vypočítá podle tohoto vzorce:

Závažnost a rozsah kavitace pro ventily na základě hodnot indexu dutiny je uveden v tabulce 1.

Obrázek 3 ukazuje výsledek průtokového testu a vývoj kavitačního koeficientu pro čtvrtotáčkové ventily včetně kulových, klapkových a kuželkových ventilů.

Riziko kavitace nezávisí pouze na indexu kavitace, ale je ovlivněno také procentem otevření ventilu. Ve skutečnosti menší otevření ventilu zvyšuje možnost kavitace. Existují další parametry, které ovlivňují kavitaci:

1. Velikost ventilu: Větší velikosti ventilů zvyšují riziko kavitace.
2. Tlaková třída: Ventily ve vyšší tlakové třídě mají možnost vyšší tlakové ztráty a rizika kavitace.
3. Materiál: Tvrdší materiály, jako je 22Cr duplex, mají menší riziko kavitace ve srovnání s měkčími materiály, jako jsou austenitické nerezové oceli. Kromě toho mají tvrdé ozdobné materiály jako Stellite 6 (UNS R30006) nebo Stellite 21 jako forma plného materiálu nebo překrytí a 13Cr martenzitické nerezové oceli jako UNS S41000 nebo 415000 vyšší odolnost proti kavitaci.
4. Netěsnost: Netěsnost ze sedla ventilu při zavřeném ventilu zvyšuje riziko kavitace.
5. Režim proudění: Turbulentní a vysoká rychlost proudění zvyšuje riziko kavitace.
6. Design trimu: Jako příklad vícestupňový design trimu vytváří pokles tlaku ve dvou nebo více stupních, aby se zabránilo vysokému poklesu tlaku v jednom stupni. Další výhodou konstrukce vícestupňového obložení je vysoká tlaková ztráta od těsnicích oblastí sedla a zátky.

NAVRHOVANÁ ŘEŠENÍ

Existují různé přístupy, jak se vyhnout kavitaci. Zahrnují výměnu ventilu a omezení výběru kulových ventilů. Další řešení se týkají výběru robustnějšího kruhového ventilu s přímým vzorem.

Nový standard

První vydání standardu American Petroleum Institute (API) 623, vydané v roce 2013, zahrnuje požadavky na kulové ventily, aby se zabránilo úniku, vibracím a kavitaci. Norma API 623 specifikuje tvrdý povrch na sedle a kuželce a na vedeném kotouči, zejména pro vysokotlaké třídy. Průměr vřetene specifikovaný v API 623 se řídí principy standardu API 600 pro šoupátka z lité oceli s různými hodnotami. Hodnoty průměru dříku v API 623 jsou větší než u jiných standardů kulových ventilů včetně BS 1873, aby se zabránilo zlomení, jako je oddělení dříku a kuželky. Tato norma se vztahuje na ventily od 2- do 24- palců v průměru a tlakové třídy od 150 do 2500. Stelit je slitina kobaltu a chrómu, která se široce používá pro tvrdé obložení vnitřních součástí ventilů včetně sedla. a zátku, aby se zabránilo erozi a kavitaci.

Výběr alternativního ventilu

Obrázek 5

Kulové ventily typu Y (také známé jako šikmé ventily) a axiální ventily (obrázek 4 a 5) jsou alternativní typy ventilů, které lze použít k zamezení eroze a kavitace. Dráha průtoku uvnitř kruhového ventilu typu Y je přímější než u kruhového ventilu s přímým vzorem.

Axiální ventily jako nová generace kulových ventilů DAGO mají mnoho výhod, jako je nízká tlaková ztráta, rychlá rychlost zavírání a otevírání, charakteristika hladkého průtoku, nízký provozní moment a dlouhá konstrukční životnost. Avšak axiální ventily a ventily typu Y jsou dražší než přímé ventily, pokud jde o náklady na výdaje (CAPEX). Kromě toho mohou být škrticí klapky preferovanou volbou pro škrcení v inženýrských sítích, jako je voda, namísto kulových ventilů. Jedním z důvodů, proč zvolit pro škrcení v zařízeních s mořskou vodou škrticí ventily místo kulových ventilů, je to, že škrticí ventily jsou méně nákladné, ačkoli uvnitř škrticích ventilů může docházet ke kavitaci, jak tomu je u kulových ventilů.

ZÁVĚR

Kavitace je hlavním provozním problémem konvenčních kulových ventilů typu T. Pro navrhování kulových ventilů typu T (DAGO) se doporučuje výběr tvrdých materiálů obložení, jako je Stellite, použití obložení proti kavitaci, jako je vícestupňový typ, a použití standardu API 623. Dobrým řešením pro snížení nebo zamezení rizika kavitace však může být také výběr ventilů, jako jsou kulové ventily typu Y (DAGO) nebo axiální ventily.