Эксплуатация клапанов в условиях пульсаций и гидроударов

Пульсации и гидравлические удары вносят значительные возмущения в работу технологического оборудования. Они в значительной степени влияют и на работу клапанов. Сами клапаны часто являются источником зарождения различного рода пульсаций.  

Особенности пульсаций в технологических средах  

Источниками возникновения различных пульсаций является большая часть технологического оборудования, осуществляющая обработку массы и задающая изменение ее давления и концентрации.

Методики измерения величины колебания концентрации обычно основаны как на изменении концентрации подсеточной воды в течение времени, отбора измерений после каждого узла специальными приборами, так и на показаниях установленных приборов (датчиков концентрации, расходомеров, манометров).

Характеристики пульсаций 

Пульсации – это периодические скачки давления высокой частоты, возникающие при действии вращающихся узлов. Возникающие волны давления распространяются во все стороны со скоростью звука, и эта скорость определяется содержанием воздуха в массе, уровнем давления и свойствами технологического оборудования. Пульсации с частотой ниже 30 Гц являются наиболее проблематичными, поскольку они могут распространяться бесконтрольно даже через напорный ящик, вызывая таким образом колебания массы 1 м2. 

Пульсации высокой частоты характерны для быстровращающихся узлов оборудования. Пульсации средней частоты характерны для элементов, которые работают циклами. Это могут быть грязевики песочниц, циклонов, вихревых очистителей и других узлов, работающих периодически.  

Пульсации низкой частоты, как правило, тесно связаны с элементами сети, в частности с клапанами, которые осуществляют загрузку или открытие-закрытие всей линии. Для них характерны высокие значения расходов среды.

Нерегулярные пульсации могут быть следствием несбалансированной работой оборудования, вибрации и износа.  

Пульсации, связанные с клапанами, могут приводить к автоколебательному режиму. В частности, при работе клапана вблизи кавитационной области пузырьки могут уже не схлопываться, приводя к рождению газонасыщенного потока. Такой поток, увеличивая свой объем, приводит к росту давления на первом этапе, но затем, ограниченный противодавлением среды, рождает обратную волну давления в сторону клапана, при котором повышается давление и кавитационное образование пузырьков резко уменьшается. Возникает повторяющийся автоколебательный режим. Подобные пульсации практически неустранимы, если не меняется режим работы клапанов. Вытекающей из этого проблемой является нерегулируемое изменение расхода в связи с объемными изменениями в потоке и необходимость введения компенсирующих элементов.  

Пульсации также могут возникать и в связи с изменением характера движения среды по трубопроводу, расслоением и осаждением массы.

Образующая турбулентность увеличивает неоднородность структуры массы, что и приводит к неравномерной по времени нагрузке на запирающие элементы клапанов.  Пульсации приводят к быстрому износу клапана и выходу его из строя. Таким образом, неточная установка и монтаж поворотной заслонки без учета особенностей распределения скоростей приводит к потере герметичности или расшатыванию всех соединений и протечкам. В случае неправильного выбора скоростей протекания массы по трубопроводу вероятно ее значительное осаждение. В этом случае пульсации могут рождаться при так называемом «режиме взрыхления», когда волны давления поднимают осевшие слои и перемещают их по трубопроводу. Это, в свою очередь, приводит к образованию узелков и проблемам с гомогенизацией массы при дальнейшей ее обработке. Качество массы все больше «плавает».

Причины и последствия пульсаций в трубопроводах

Неправильно разработанные схемы сами по себе являются источником пульсаций вне зависимости от работы оборудования и часто непредсказуемы.  

Широко известен эффект гидроудара при закрытии клапана, когда емкость и расширительная емкость одновременно создают давление в несколько раз более высокое, чем при закрытии клапана. Проблема состоит в том, что этот эффект может приводить к постоянным изменениям давления по типу автоколебаний и образования «стоячей волны». Типовой проблемой является образование нерегулируемого вскипаемого потока при выгрузке массы из емкости с более высоким давлением в трубопровод более низкого давления.  

Часто возникающей проблемой является необходимость обеспечения гидравлической устойчивости непрерывного процесса очистки массы в вихревых очистителях. Противоречие между непрерывностью очистки массы и периодическим процессом выгрузки образующихся отходов и пульсацией, возникающей при резком открытии шиберных задвижек, приводит к замедлению образования новой вихревой воронки и значительной инерционности процесса и, в целом, к снижению качества получаемой облагороженной массы.

Необходимо также принять во внимание тенденцию повышение развитости гидравлических схем. Становится все больше новых контуров регулирования, вводятся все новые и новые гидравлические звенья, как последовательные, так и параллельные. В связи с этим пульсации могут проходить по потоку в значительно большем количестве участков, и усложняется определение причин пульсаций.  

Пульсации и клапаны 

Пульсации крайне негативно воздействуют на клапаны. Известны случаи, когда при неправильно подобранном запирающем элементе с креплением болтами за короткий промежуток время происходило вывинчивание этих болтов и заклинивание клапана. Сильные пульсации вместе с гидроударом могут приводить к вылету штока из запирающего элемента и нанести существенный вред жизни и здоровью обслуживающего персонала.

Источником пульсаций и волн давления может служить и сам клапан. Неправильный выбор клапана, неучет скорости движения рабочего органа приводит к появлению как прямых, так и отраженных волн давления.

Чтобы избежать слишком сильной волны давления, необходимо медленно закрывать клапан на последнем участке. Другим способом может быть перепуск небольшой части среды, чтобы полностью компенсировать возможность накопления давления за счет уменьшения объема среды.  

Клапан и сам может задавать пульсации в процесс эксплуатации. Вибрации возникают в виде колебаний клапана из-за запасенной им упругой энергии. Резкие изменения давления могут приводить к резко выраженному гидравлическому удару. Одновременно появляется опасность зарождения усталостных трещин. Наиболее высокую виброактивность низкой частоты имеют клапаны больших размеров. Вибрации и свойство виброактивности клапанов должны подлежать расчету на критические частоты, которых может быть несколько. На основе критической частоты возможно дать рекомендации по отстройке от резонанса, произвести нормирование вибраций.  

Пульсации и регулирование 

Пульсации, так или иначе возникающие в трубопроводе, приводят к изменениям давления и объемным изменениям в потоке, однако эти характеристики являются основными при расчете регулирующих устройств. Учитывая сложность определения и предсказания пульсаций, как правило, выделить их затруднительно.

Одним из часто применяемых выходов для учета пульсаций является повышение удельных норм. Это само по себе снижает качество продукции. Так, при приближении норм к минимально допустимым значениям параметра по технологии учет пульсаций становится необходим.  

Для устранения пульсаций необходимо проводить расчеты пульсаций по технологической схеме и определять степень наложения пульсаций в области регулирующих устройств. На основе полученных данных необходимо проводить настройку импульсов от датчиков, способных распознавать пульсации и связывать их с работой клапанов.  

При высокой частоте пульсаций клапан должен быть отрегулирован на быстрое устранение пульсаций и сглаживание пиков. 

Клапаны, работающие в условиях гидроудара, должны предусматривать специальные решения для повышения надежности в условиях малоцикловой и многоцикловой нагрузки. Для исключения образования  пульсаций от закрытия-открытия клапана, в нем должны быть предусмотрены предохранительные схемы сглаживания давления при помощи дополнительных устройств. Время реакции клапана на сигнал должно быть минимальным. 

Рекомендуем обратить внимание на электромагнитные клапаны СЕНС, в которых открытие (закрытие) затвора происходит за счет энергии электромагнитного привода.