Kawitacja w zaworach kulowych i proponowane rozwiązania

Rysunek 1 Rysunek 2

Rysunek 3

Rysunek 4

Znaczący spadek ciśnienia cieczy w zaworze kulowym poniżej ciśnienia pary powoduje, że para wypycha się z cieczy. Bąbelki odzyskają ciśnienie i zapadną się, tworząc fale ciśnienia. W konsekwencji fale ciśnienia mogą uszkodzić gniazdo, grzyb i korpus zaworów kulowych. Kawitacja może tworzyć nieregularne wgłębienia i erozję w wykończeniu (gniazdo i zatyczka), korpusie i rurach wylotowych. Na rysunku 2 pokazano uszkodzenia kawitacyjne w postaci niewielkich wżerów, bardzo zbliżone do uszkodzeń korozyjnych w grzybach zaworów grzybkowych.

Kawitacja ma inne negatywne skutki oprócz korozji i erozji:

• Głośny hałas
• Silne wibracje
• Zadławienie przepływu z powodu tworzenia się pary
• Zmiana właściwości płynu
• Zakład zamknięty

POMIAR CIĘŻKOŚCI KAWITACYJNEJ

Nasilenie kawitacji jest mierzone za pomocą wskaźnika ubytku, który jest obliczany za pomocą tego wzoru:

Nasilenie i rozszerzenie kawitacji dla zaworów w oparciu o wartości indeksu wnęki podano w tabeli 1.

Rysunek 3 przedstawia wyniki testu przepływu i rozwoju współczynnika kawitacji dla zaworów ćwierćobrotowych, w tym zaworów kulowych, motylkowych i grzybkowych.

Ryzyko kawitacji zależy nie tylko od wskaźnika kawitacji, ale także od stopnia otwarcia zaworu. W rzeczywistości mniejsze otwarcie zaworu zwiększa ryzyko kawitacji. Istnieją inne parametry, które wpływają na kawitację:

1. Rozmiar zaworu: Większe rozmiary zaworów zwiększają ryzyko kawitacji.
2. Klasa ciśnieniowa: Zawory w wyższej klasie ciśnieniowej mają możliwość większego spadku ciśnienia i ryzyka kawitacji.
3. Materiał: Twardsze materiały, takie jak 22Cr duplex, mają mniejsze ryzyko kawitacji w porównaniu z bardziej miękkimi materiałami, takimi jak austenityczna stal nierdzewna. Dodatkowo twarde materiały wykończeniowe, takie jak Stellite 6 (UNS R30006) lub Stellite 21 w postaci litej lub nałożonej, oraz martenzytyczne stale nierdzewne 13Cr, takie jak UNS S41000 lub 415000, mają wyższą odporność na kawitację.
4. Wyciek: Wyciek z gniazda zaworu, gdy zawór jest zamknięty, zwiększa ryzyko kawitacji.
5. Reżim przepływu: turbulentny i wysoka prędkość przepływu zwiększa ryzyko kawitacji.
6. Konstrukcja trymu: Na przykład wieloetapowy projekt trymu tworzy spadek ciśnienia w dwóch lub więcej etapach, aby uniknąć dużego spadku ciśnienia w jednym etapie. Inną zaletą wielostopniowego projektu wykończenia jest wysoki spadek ciśnienia z dala od obszarów uszczelnienia gniazda i grzyba.

PROPONOWANE ROZWIĄZANIA

Istnieją różne podejścia do unikania kawitacji. Obejmują one wymianę zaworu i ograniczenie doboru zaworów grzybkowych. Inne rozwiązania dotyczą wyboru bardziej wytrzymałego zaworu kulowego o prostym wzorze.

Nowy standard

Pierwsze wydanie normy 623 Amerykańskiego Instytutu Naftowego (API) wydane w 2013 r. zawiera wymagania dotyczące zaworów kulowych w celu uniknięcia przecieków, wibracji i kawitacji. Standard API 623 określa twarde napawanie zarówno gniazda i grzyba, jak i tarczy prowadzącej, szczególnie dla klas wysokiego ciśnienia. Średnica trzpienia określona w API 623 jest zgodna z zasadami normy API 600 Cast Steel Gate Valve Standard, z różnymi wartościami. Wartości średnicy trzpienia w API 623 są większe niż w innych normach dotyczących zaworów grzybkowych, w tym BS 1873, aby uniknąć pęknięć, takich jak separacja trzpienia i grzyba. Norma ta obejmuje zawory od 2- do 24-cale o średnicach i klasach ciśnienia od 150 do 2500. Stellit jest stopem kobaltowo-chromowym, który jest szeroko stosowany do napawania wewnętrznych elementów zaworu grzybkowego, w tym gniazda i zatyczkę, aby zapobiec erozji i kawitacji.

Alternatywny dobór zaworu

Rysunek 5

Zawory kulowe typu Y (znane również jako zawory skośne) i zawory osiowe (Rysunek 4 i 5) to alternatywne typy zaworów, które można stosować w celu uniknięcia erozji i kawitacji. Ścieżka przepływu wewnątrz zaworu kulowego typu Y jest prostsza niż kula o wzorze prostym.

Zawory osiowe jako nowa generacja zaworów kulowych DAGO mają wiele zalet, takich jak niski spadek ciśnienia, szybkie zamykanie i otwieranie, płynna charakterystyka przepływu, niski moment roboczy i długa żywotność. Jednak zawory osiowe i typu Y są droższe niż zawory kulowe proste pod względem kosztów (CAPEX). Ponadto zawory motylkowe mogą być preferowanym wyborem do dławienia w usługach użyteczności publicznej, takich jak woda, zamiast zaworów kulowych. Jednym z powodów wyboru zaworów motylkowych zamiast zaworów kulowych do dławienia w instalacjach wody morskiej jest to, że zawory motylkowe są mniej kosztowne, chociaż wewnątrz zaworów motylkowych może wystąpić kawitacja, podobnie jak w zaworach kulowych.

WNIOSEK

Kawitacja jest głównym problemem operacyjnym w konwencjonalnych zaworach grzybkowych typu T. Do projektowania zaworów grzybkowych typu T (DAGO) zaleca się dobór twardych materiałów wykończeniowych, takich jak stellit, stosowanie kształtek antykawitacyjnych typu wielostopniowego oraz stosowanie normy API 623. Jednak wybór zaworów, takich jak zawory kuliste typu Y (DAGO) lub zawory osiowe, może być również dobrym rozwiązaniem dla zmniejszenia lub uniknięcia ryzyka kawitacji.