Elementy ceramiczne w zaworach regulacyjnych

10.04.2013

W zaworach regulacyjnych występuje szereg zjawisk, które działają destrukcyjnie na elementy wewnętrzne zaworu doprowadzając do ich przedwczesnego zużycia a nawet awaryjnego uszkodzenia. Zakłóca to proces technologiczny i niejednokrotnie jest przyczyną dużych strat.

Przyczynami tych zjawisk są najczęściej kawitacja, flashing i erozja.

Kawitacja polega na miejscowym odparowaniu cieczy w wyniku spadku ciśnienia poniżej wartości ciśnienia parowania pv. Występuje to najczęściej w strefie „vena contracta", miejscu największej prędkości przepływu i największego spadku ciśnienia. W cieczy tworzą się pęcherze pary, która wraz ze wzrostem ciśnienia na wypływie zaworu ulega implozji. Zjawisko to charakteryzuje się nagłymi przyśpieszeniami i uderzeniami mieszaniny dwufazowej: ciecz – para. Wyzwalająca się energia wywołuje naciski powierzchniowe niejednokrotnie rzędu 700 MPa co prowadzi do uszkodzenia elementów wewnętrznych zaworu. Ponadto kawitacja powoduje drgania i wibracje, wzrost poziomu hałasu i zmniejszenie współczynnika przepływu zaworu.
Zjawisko flashingu polega na stopniowym odparowywaniu cieczy w wyniku spadku ciśnienia za zaworem poniżej wartości ciśnienia parowania pvW cieczy tworzy się mieszanina dwufazowa cieczy i pary, rośnie objętość i prędkość przepływu. Nieodparowane cząstki cieczy uderzają z dużą energią o powierzchnie elementów wewnętrznych zaworu powodując ich zużycie w wyniku erozji.

Problem erozji i zużycia ściernego jest jeszcze bardziej intensywny w przypadkach gdy medium zawiera cząstki stałe. Jeżeli dodatkowo w zaworze występują duże ciśnienia i prędkości przepływu to trwałość standardowych elementów zaworu można szacować w godzinach.

Metody zapobiegania opisanym niekorzystnym zjawiskom można podzielić na trzy grupy:

  • konstrukcja zaworu,
  • instalacja zaworu,
  • materiały konstrukcyjne.

Zakłady Automatyki „POLNA” S.A. od szeregu lat rozwijają konstrukcję zaworów przystosowanych do pracy w trudnych warunkach. Zawory z wielootworowymi strukturami dławiącymi jak grzyby, klatki, płyty, z elementami wielostopniowymi, ograniczają lub eliminują problemy związane z hałasem, kawitacją, flashingiem czy przepływem dławionym. Wymienione konstrukcje sprawdziły się i znalazły uznanie odbiorców.

Ważną rolę odgrywa instalacja zaworu, wybór między zaworem przelotowym a kątowym, określenie korzystnego dla danej aplikacji kierunku przepływu. Problemy te w sposób bardziej szczegółowy zostaną przedstawione w dalszej części artykułu.

               Bardzo duże znaczenie dla trwałości i niezawodności wyrobu ma właściwy dobór materiałów konstrukcyjnych i sposobów podwyższania ich własności.

W praktyce zakładowej stosowane są następujące metody poprawy własności mechanicznych elementów zaworu:

  • ulepszanie cieplne w zakresie twardości 35…55 HRC, w zależności od rodzaju i funkcji części,
  • stellitowanie (stellit Nr 6) faz lub powierzchni gniazd, grzybów, tulejek prowadzących, trzpieni;  twardość ok. 40 HRC,
  • elementy wykonywane z pełnego stellitu (grzyby, gniazda)  lub z tytanu (trzpienie),
  • azotowanie (CrN) kąpielowe lub gazowe, twardość 900 HV, grubość warstwy utwardzonej ok. 0,1 mm,
  • powłoki nakładane na wewnętrzne powierzchnie korpusu, pasta BELZONA 1590,
  • elementy wykonywane z ceramiki.

CERAMIKA

Ceramika jest materiałem, który ze względu na swoje wyjątkowe własności mechaniczne i chemiczne coraz powszechniej zaczyna być stosowany w nowoczesnych konstrukcjach maszyn i urządzeń w tym w zaworach regulacyjnych. Najczęściej stosowane są materiały ceramiczne na bazie glinu (AL2O3), azotku krzemu (Si2N4) oraz tlenku cyrkonu (ZrO2), którego właściwości zostaną przedstawione bardziej szczegółowo. Ceramika (ZrO2) formowana jest z granulatu tlenku cyrkonu metodą spiekania w temperaturze 1500…2200ºC. Uzyskany w ten sposób półfabrykat wymaga obróbki wykańczającej za pomocą szlifowania ścierniwem diamentowym.

       Ceramika ZrO2 charakteryzuje się następującymi właściwościami mechanicznymi:

  • twardość: 1200 HV, 70 HRC,
  • maksymalna temperatura pracy: 500ºC,
  • wytrzymałość na ściskanie, min.: 2100 MPa,
  • wytrzymałość na zginanie, min.: 300 MPa,
  • moduł Younga: 210 GPa,
  • własności tribologiczne:  samosmarowość,
  • wysoka odporność na ścieranie,
  • niska przewodność cieplna.

Ceramikę ZrO2 cechuje doskonała odporność chemiczna na większość stosowanych w przepływach mediów z wyjątkiem roztworów kwasu siarkowego i fluorowego.
Specyficzne własności ceramiki powodują, że części te rzadko wykonywane są tylko z ceramiki. Najczęściej są to kompozyty metalowo-ceramiczne. Łączenie obu składników odbywa się za pomocą klejenia lub połączeń mechanicznych.
W celu wyboru właściwego materiału oraz poprawnego zastosowania elementów z ceramiki niezbędne są informacje na temat parametrów pracy: temperatury, środowiska chemicznego, obciążenia z uwzględnieniem oddziaływań dynamicznych.
Zastosowanie ceramiki dzięki jej własnościom mechanicznym i chemicznym powoduje przeciętnie 8…10 krotne zwiększenie trwałości i czasu użytkowania części w porównaniu z elementami wykonanymi tradycyjną technologią. 
Prowadzi to do pewnego rodzaju konfliktu między interesami producenta i użytkownika wyrobu. W Zakładach Automatyki „POLNA” S.A. dylemat ten rozwiązywany jest zawsze na korzyść klienta.

KONSTRUKCJA         

Poniżej przedstawiamy kilka rozwiązań konstrukcyjnych zaworów z wykorzystaniem elementów z ceramiki.

POBIERZ pdf 3D - zawór kątowy do mediów ściśliwych

Konstrukcja Fig.1 (zawór kątowy do mediów ściśliwych) rozwiązuje problem regulacji przepływu gazu o spadku ciśnienia do 400 bar. Elementy ceramiczne stanowią: grzyb, gniazdo i tuleja dławiąca (kryza). Zastosowanie tulei pozwala na ograniczenie prędkości przepływu i ponad dwukrotne obniżenie poziomu hałasu. Kierunek przepływu – nad grzyb (FTC) powoduje, że struga gazu kierowana jest do prostego odcinka rurociągu co obniża erozyjne działanie medium szczególnie przy spodziewanej zawartości w nim cząstek stałych.

POBIERZ pdf 3D - zawór kątowy do cieczy

 

Zawór Fig.2 ma konstrukcję antykawitacyjną. Elementy ceramiczne stanowią: grzyb i gniazdo. Odpowiednio ukształtowane grzyb i gniazdo powodują wielostopniowy spadek ciśnienia na zaworze w celu ograniczenia zagrożenia kawitacją. Kierunek przepływu – pod grzyb (FTO). Tuleja wewnątrz komory wypływu wykonana jest z pełnego stellitu dla ochrony przed erozją powierzchni korpusu. 

Korpusy zaworów kątowych Fig.1 i Fig.2 są dzielone co umożliwia łatwy dostęp do elementów wewnętrznych w celu przeglądu i serwisu. Istotne jest rozwiązanie elementów wewnętrznych zaworu. Konstrukcja korpusu kątowa lub przelotowa, średnice, ciśnienia, formy przyłączy przystosowane będą do potrzeb klienta.

Elementy ceramiczne w zaworach Fig.3 stanowią grzyb i gniazdo a stosowane są głównie w przypadku spodziewanej erozji zawieradła. Przy przepływie gazu korzystniejszy jest przepływ nad grzyb (FTC). Możliwe jest zastosowanie tulei dławiącej (kryzy) na wypływie w celu obniżenia prędkości przepływu i poziomu hałasu. Zawory z grzybem obrotowym charakteryzują się małym współczynnikiem odzysku ciśnienia FL stąd niskie wartości krytycznych spadków ciśnienia ∆pkr= FL2(p1- pv) przy których pojawia się kawitacja. Zastosowanie elementów dławiących na wypływie przy kierunku przepływu pod grzyb (FTO) znacznie poprawia odporność zaworu na kawitację.

Zawór Fig.4 stosowany jest do cieczy przy spadku ciśnienia rzędu 200 bar. Elementy ceramiczne stanowią wielostopniowy grzyb i gniazdo. Dodatkowa redukcja ciśnienia następuje w zespole trzech klatek dławiących z promieniowym rozmieszczeniem otworów przepływowych. Zawór może być stosowany w układach obejściowych (by-pass) pomp zasilających kotły energetyczne.

ZASTOSOWANIE        

Poniżej zostaną przedstawione doświadczenia z eksploatacji zaprojektowanych  i wykonanych przez Zakłady Automatyki „POLNA” SA w Przemyślu zaworów z elementami ceramicznymi oraz korzyści wynikające z tych aplikacji.
Zawór Fig.1  oznaczony symbolem Z1A-C2 przeznaczony został dla  Ośrodka Produkcyjnego Winna Góra (PGNiG SA w Warszawie,  Oddział w Zielonej Górze). Pracuje w układzie separacji i redukcji ciśnienia, w którym to gaz (CH4 79,9%, N218,9%, CO2 0,8%, He 0,1%, C2H4+ 0,3%) z odwiertu Winna Góra 1 jest przesyłany pod pełnym ciśnieniem głowicowym (25 MPa) z wydajnością 50 Nm3/min do separatora I stopnia. W separatorze tym zostaje odseparowana woda złożowa. Następnie gaz ziemny kierowany jest do podgrzewacza liniowego w celu podgrzania go przed redukcją. Wychodzący strumień gazu o ciśnieniu p1 =24,83 MPa i temperaturze T1=+30 ºCpoddawany jest redukcji ciśnienia na zaworze Z1A-C2 do wartości p2=6,3 MPa, w wyniku czego schładza się do temperatury T2=-5 ºC i następuje dalsze wydzielenie wody złożowej ze strumienia gazu w separatorze II stopnia oraz jego osuszenie.
    
Zawory Fig.2 i Fig.3 zostały zainstalowane w  KRNiGZ Dębno (PGNiG SA. w Warszawie, Oddział w Zielonej Górze). Pracują one w najtrudniejszych warunkach jakie występują w kopalni przy eksploatacji pływu złożowego będącego mieszaniną ropy naftowej, towarzyszącego jej gazu oraz wody złożowej. Często domieszką do wyżej przedstawionego składu są cząstki stałe stanowiące elementy skały macierzystej jak i pozostałości płuczki wiertniczej i cieczy zabiegowych.
Ropa naftowa to ciecz o gęstości 800 kg/m3, lepkości 4 cST, temperaturze płynięcia -36 ºC i zawartość ciał stałych 0,2% obj. oraz parafiny 5% wag.
Główne składniki gazu to: azot 51%, metan 38%, etan 4%, propan 2%, H2S 4% i CO2 0,5%, C4+ 0,5%.
Woda złożowa to w wielu przypadkach (w zależności od odwiertu) w 100% nasycona solanka o gęstości do 1250 kg/m3, pH 5,5, zawartości Cl 200g/l.

Płyn złożowy wypływa z odwiertu eksploatacyjnego pod ciśnieniem od 250 do 430 bar(g) i temperaturze od 30 do 60 ºC w zależności od wydajności ropy, ilości towarzyszącego jej gazu i wody złożowej jak również od stanu technicznego samego odwiertu. Na instalacji przyodwiertowej zostaje on podgrzany do 65 ºC i podany redukcji ciśnienia do około 70 bar(g) (∆p do 360 bar). Za redukcję ciśnienia z jednoczesną kontrolą przepływu odpowiadają kątowe zawory renomowanych firm zachodnich wykonane w klasie 10000 wg API 6A zgodnie z normą NACE MR 0175. Zawory te są częścią systemu bezpieczeństwa instalacji i pełnią dodatkowo funkcję zaworu szybkiego  zamykania. Problemy z eksploatacją tego typu zaworów polegały na szybkim zużywaniu się elementów wewnętrznych, w wyniku czego nie mogły one spełniać swojej podstawowej roli jako zawory szybkiego odcięcia. Dochodziło również do rozszczelnienia korpusu zaworu, co z uwagi na obecność siarkowodoru stanowiło niebezpieczeństwo dla ludzi i środowiska. Zużycie wewnętrznych elementów było wynikiem działania praktycznie wszystkich możliwych niekorzystnych zjawisk jakie występują w zaworach. Ze względu na zanieczyszczenia stałe, parafinę i kryształki soli, które w skuteczny sposób zaklejają struktury dławiące o małych przekrojach, zastosowanie klasycznych wykonań antykawitacyjnych było przeciwskuteczne, gdyż doprowadziłoby w krótkim okresie do zablokowania przepływu przez zawór. Skuteczną metodą mogącą sprostać postawionym przed zaworem wymaganiom, było zastosowanie w nim ceramiki -  materiału całkowicie odpornego na zużycie mechaniczne grzyba i gniazda, jak również szerokich kanałów przepływowych odpornych na zanieczyszczenia. Istotną zaletą tego rozwiązania jest minimalna ilość elementów wewnętrznych, co czyni zawór niezwykle prostym w obsłudze i naprawie.  Decydując się na ceramikę braliśmy pod uwagę również jej walory chemiczne. Wysokie ciśnienie parcjalne H2S (powyżej 1000 kPa) w gazie zgodnie z normą ISO 15156 nie pozwala na użycie stali ulepszanych cieplnie, a stellitowanie nie sprawdziło się w dotychczasowych wykonaniach zaworów, patrz Fig.5.
 

Fig. 5 Metalowe elementy wewnętrzne eksploatowanych zaworów.

Zastosowanie przepływu w kierunku FTO wymuszone przez istniejącą instalację, posiada zalety związane z możliwością płynnej regulacji przy niewielkim otwarciu zaworu (brak zjawiska odrywania grzyba od gniazda przy otwieraniu i uderzania grzyba o gniazdo przy zamykaniu). Dodatkowo w zaworach o przepływie FTO uszczelnienie trzpienia występuje po stronie niskiego ciśnienia (w zaworze zastosowano bezobsługowe uszczelnienie TA-Luft PTFE).
          Od 4 grudnia 2012 roku zawór oznaczony symbolem Z1A-C1 jest testowany na odwiercie Barnówko-13 pracującym przy następujących parametrach:
    p1 = 259 bar(g),  T1= 39 ºC, p2 = 71 bar(g), Q ropa = 50 ton/dobę,
     Q gaz = 17500 Nm3/dobę, Q solanka = 400 l/dobę.
Po miesiącu ciągłej eksploatacji przeprowadzono z wynikiem pozytywnym polowe testy szczelności co jest  optymistyczną prognozą przyszłości tych rozwiązań.
           Zaworami, w których występują w kopalni duże problemy są zawory z grzybem obrotowym. Zawór 1”, CL600  odpowiada za odpuszczanie wody  złożowej z separatorów testowych w Ośrodku Centralnym Barnówko. Separator grawitacyjny poziomy pracujący przy ciśnieniu 66 bar(g) i temperaturze do 60 ºC rozdziela płyn złożowy na trzy frakcje: gaz, ropę i wodę złożową. Woda złożowa z separatora jest odpuszczana do innego zbiornika pracującego pod ciśnieniem 3 bar(g) (∆p= 63 bar) w celu jej uzdatnienia. Ze względu na niewielką ilość wody na większości separatorów testowych odpuszczanie odbywa się w sposób okresowy. Aby zapobiec przedostaniu się ropy do układu uzdatniania wody złożowej, zawór odpuszczający musi wykazywać się 100% szczelnością zamknięcia.
Mimo zastosowania pełnego stellitu na elementy gniazda jak i grzyba, a w późniejszym okresie stali 1.4125 ulepszanej cieplnie do 55 HRC, nie udało się wydłużyć trwałości elementów wewnętrznych zaworu powyżej trzech miesięcy.
Mając na uwadze powyższe problemy jak i zwiększone wymagania użytkownik w porozumieniu z producentem zdecydował się na zastosowanie ceramiki na grzyby i gniazda zaworu. Zastosowanie ceramiki ze względu na jej specyficzne własności mechaniczne wymagało wprowadzenia pewnych zmian konstrukcyjnych w skojarzeniu „grzyb-gniazdo”, w miejscu mocowania grzyba jak i w uszczelnieniu grzyba z gniazdem. Próby techniczne i badania eksploatacyjne powyższego rozwiązania rozpoczęły się w 2013 roku.
            Przedstawione argumenty techniczne oraz doświadczenia eksploatacyjne wykazują, że zawory regulacyjne z ceramicznymi elementami wewnętrznymi stanowią korzystną i zasługującą na rozpowszechnienie tendencję w rozwoju tej grupy wyrobów.

Opracowanie:
Stanisław Jamroz - Zakłady Automatyki „POLNA” SA, Przemyśl
Krzysztof Mróz -    KRNiGZ Dębno (PGNiG SA w Warszawie, Oddział w Zielonej Górze)