Почему клапаны большого диаметра трудно открывать и закрывать? Каковы решения?

Пользователи шаровых клапанов большого диаметра в повседневных приложениях часто сообщают об особой проблеме: когда эти клапаны используются со средами, подверженными значительным перепадам давления —такими как пар или вода под высоким давлением—, их часто трудно закрыть. Независимо от того, какое усилие приложено, утечка всегда наблюдается, что затрудняет достижение герметичности. Эта проблема обусловлена конструктивной конструкцией клапана и тем фактом, что максимальный крутящий момент, который может приложить человек, недостаточен.
Анализ причин затруднений в эксплуатации клапанов большого диаметра
Максимальная горизонтальная сила, которую может приложить среднестатистический взрослый человек, составляет от 60 до 90 кг в зависимости от индивидуального физического состояния.
Стандартные шаровые краны спроектированы с путем потока от низкого до высокого. При закрытии клапана оператор прикладывает горизонтальное усилие для поворота маховика, заставляя диск двигаться вниз для достижения закрытия. На этом этапе оператору необходимо преодолеть комбинацию трех сил, а именно:
1) Осевая тяга Fa;
2) Сила трения Fb между набивкой и штоком клапана;
3) Контактное трение между штоком клапана и сердечником диска клапана Fc
Общий крутящий момент равен ∑M = (Fa + Fb + Fc)R
Видно, что чем больше номинальный диаметр, тем больше осевое усилие. Когда клапан почти закрыт, осевое усилие приближается к фактическому давлению трубопроводной сети (так как при закрытии P1 – P2 ≈ P1, а P2 = 0)
Например, шаровой кран DN200, используемый на паропроводе давлением 10 бар, имеет осевую силу тяги Fa только для закрытия 10 × πr² = 3140 кг. Горизонтальная окружная сила, необходимая для закрытия, уже близка к пределу того, что может приложить обычный человек, поэтому одному человеку крайне сложно полностью закрыть этот клапан в таких условиях эксплуатации.
Конечно, некоторые заводы рекомендуют устанавливать такие клапаны в обратном порядке, чтобы решить проблему их закрытия, но это приводит к проблеме затруднения открытия клапана после его закрытия.
Анализ причин внутренней утечки в шаровых кранах большого диаметра
Шаровые краны большого диаметра обычно используются в таких местах, как выпускные отверстия котлов, главные парораспределительные цилиндры и главные паропроводы, где существуют следующие проблемы:
1) Перепад давления на выходах котла, как правило, высок, что приводит к более высоким скоростям потока пара, а также к большей эрозии и повреждению уплотнительных поверхностей. Кроме того, поскольку эффективность сгорания в котле не может составлять 100%, пар на выходе из котла содержит большое количество влаги, что может легко вызвать кавитацию и эрозионное повреждение уплотнительных поверхностей клапанов.
2) Для шаровых кранов, расположенных вблизи выходов котла и парораспределителей, пар, выходящий непосредственно из котла, периодически перегревается. В процессе насыщения, если обработка умягчения котловой воды недостаточна, могут выпадать кислотные или щелочные вещества, вызывающие коррозию и эрозию уплотнительных поверхностей; кроме того, некоторые кристаллические вещества могут прилипать и кристаллизоваться на уплотнительных поверхностях клапана, не позволяя клапану обеспечить герметичное уплотнение.
3) Для клапанов на входе и выходе парораспределителей потребность в паре после клапана существенно колеблется из-за производственных требований и других факторов. В условиях существенных изменений скорости потока могут возникнуть такие явления, как мгновенное испарение и кавитация, что приведет к эрозии и кавитационному повреждению седла клапана.
4) При открытии трубопроводов большого диаметра, как правило, необходимо предварительно прогреть трубопровод. Процесс предварительного нагрева обычно требует очень низкой скорости потока пара, чтобы трубопровод можно было медленно и равномерно нагреть до определенной температуры, прежде чем шаровой клапан можно будет полностью открыть. Это предотвращает быстрое повышение температуры в трубопроводе, которое может привести к чрезмерному расширению и повреждению определенных точек соединения. Однако во время этого процесса отверстие клапана часто бывает очень маленьким, что приводит к скорости эрозии, намного превышающей ту, которая наблюдается при нормальной работе, что значительно сокращает срок службы уплотнительных поверхностей клапана.
Решения для устранения трудностей при открытии и закрытии шаровых кранов большого диаметра
1) Во-первых, рекомендуется выбрать шаровой клапан с сильфонным уплотнением, который позволяет избежать сопротивления трения, связанного с поршневыми клапанами и сальниковыми клапанами, что упрощает эксплуатацию.
2) Заглушка и седло клапана должны быть изготовлены из материалов с превосходной эрозионной и износостойкостью, таких как стеллитовый цементированный карбид.
3) Рекомендуется использовать конструкцию двухдискового клапана для предотвращения чрезмерной эрозии, вызванной малыми углами открытия, которые могут повлиять на срок службы и герметичность.