Кавитация в глобусных клапанах — и предлагаемые решения

Прямые шаровые клапаны широко используются в нефтегазовой промышленности для регулирования и контроля потока жидкостей. Во время работы эти клапаны подвергаются проблемам, таким как кавитация.

Принцип работы прямолинейных шаровых клапанов заключается в том, что поток достигает центра клапана, где расположены седло и пробка. Два поворота жидкости внутри глобусного клапана на 90 градусов вверх и вниз по пробке (рисунок 1) создают значительное падение давления.

рисунок 1 Рисунок 1. Путь потока внутри прямолинейного глобусного клапана

Значительное падение давления жидкости в сферном клапане ниже давления пара заставляет пар выходить из жидкости. Пузырьки восстанавливают давление и коллапсуют, создавая волны давления. В результате волны давления могут повредить седло, пробку и корпус глобусных клапанов. Кавитация может вызывать неправильные ямки и эрозию отделки (сиденье и пробка), кузова и нижней трубы. На рисунке 2 показаны повреждения от кавитации в виде мелких ям, очень похожих на коррозионные повреждения в пробках глобусных клапанов.

рисунок 2 Рисунок 2. Повреждения от кавитации

Кавитация имеет и другие негативные эффекты, помимо коррозии и эрозии:

Громкий шум
Сильная вибрация
Блокировка потока из-за образования пара
Изменение свойств жидкости
Остановка завода
ИЗМЕРЕНИЕ ТЯЖЕСТИ КАВИТАЦИИ
Тяжесть кавитации измеряется с помощью индекса полости, который вычисляется по следующей формуле:

Формула

Тяжесть и расширение кавитации клапанов на основе значений индекса полости приведены в таблице 1.

Таблица 1
На рисунке 3 показаны результаты испытания потока и развития коэффициента кавитации для клапанов четвертного оборота, включая шариковидные, бабочковые и пробочные клапаны.

рисунок 3 Рисунок 3. Кавитация, характерная для клапанов

Риск кавитации зависит не только от индекса кавитации, но и от процента открытия клапана. Фактически, меньшее открытие клапана увеличивает вероятность кавитации. Существуют и другие параметры, влияющие на кавитацию:

Размер клапанов: Большие размеры клапанов увеличивают риск кавитации.
Класс давления: клапаны более высокого давления могут привести к более высокому падению давления и риску кавитации.
Материал: Более твёрдые материалы, такие как дуплексы 22Cr, имеют меньший риск кавитации по сравнению с более мягкими материалами, такими как аустенитная нержавеющая сталь. Кроме того, жёсткие материалы для отделки, такие как Stellite 6 (UNS R30006) или Stellite 21 в виде цельного или наложительного покрытия, а также мартенситовые нержавеющие стали с 13Cr, такие как UNS S41000 или 415000, обладают более высокой устойчивостью к кавитации.
Утечка: Утечка из седла клапана при закрытии клапана увеличивает риск кавитации.
Режим потока: Турбулентная и высокая скорость потока увеличивают риск кавитации.
Дизайн отделки: Например, многоступенчатая отделка создаёт падение давления в два или более этапа, чтобы избежать высокого падения давления на одном этапе. Ещё одним преимуществом многоступенчатого отделки является высокий перепад давления от зон уплотнения сиделя и заглушек.
ПРЕДЛАГАЕМЫЕ РЕШЕНИЯ
Существуют разные способы избежать кавитации. Они включают замену клапана и уменьшение выбора глобусных клапанов. Другие решения касаются выбора более прочного прямого шарового клапана.

Новый стандарт

Стандарт Американского института нефти (API) 623 первого издания, выпущенный в 2013 году, содержит требования к глобусным клапанам для предотвращения утечек, вибраций и кавитации. Стандарт API 623 определяет жёсткую поверхность как на седле, так и на штекере и на направляемом диске, особенно для классов с высоким давлением. Диаметр стержня, указанный в API 623, соответствует принципам стандарта литых стальных затворных клапанов API 600 с разными значениями. Значения диаметра штока в API 623 больше, чем у других стандартов для сферичных клапанов, включая BS 1873, чтобы избежать разрывов, таких как разделение штока и пробки. Этот стандарт охватывает клапаны диаметром от 2 до 24 дюймов и классы давления от 150 до 2500. Стеллит — это сплав кобальта и хрома, который широко используется для жесткой облицовки внутренних компонентов шарного клапана, включая седло и пробку, чтобы предотвратить эрозию и кавитацию.

Альтернативный выбор клапанов
Глобусные клапаны типа Y (также известные как косые клапаны) и осевые клапаны (рисунок 4) — это альтернативные типы клапанов, которые можно использовать для предотвращения эрозии и кавитации. Путь потока внутри глобусного клапана типа Y-образа более прямой, чем у глобуса с прямым узором.

Осевые клапаны, как новое поколение глобусных клапанов, обладают множеством преимуществ, таких как низкое падение давления, быстрое закрывание и открытие, плавный поток, низкий крутящий момент и длительный срок службы. Однако осевые клапаны и Y-тип стоят дороже, чем прямые глобусные клапаны по стоимости расходов (CAPEX). Кроме того, бабочные клапаны могут быть предпочтительным выбором для ретроулирования в коммунальных услугах, таких как водоснабжение, вместо шаровых клапанов. Одна из причин выбирать бабочковые клапаны вместо шаровых для троттлинга в сервисах морской воды заключается в том, что они дешевле, хотя кавитация может происходить внутри бабочек, как и в сфере.

рисунок 4 Рисунок 4. Y-тип и осевые клапаны

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Кавитация — основная операционная проблема в традиционных глобусных клапанах типа T. Рекомендуется выбирать жёсткие материалы для обшивки, такие как Stellite, использовать антикавитационную отделку, например многоступенчатый тип, и применять стандарт API 623 для проектирования клапанов типа Т. Однако выбор клапанов, таких как глобусные или осевые клапаны, также может быть хорошим решением для снижения или предотвращения риска кавитации.