Рекомендации

"В течение многих лет мы покупаем изделия теплоэнергетической автоматики, производимые Заводом Автоматики АО „ПОЛЬНА” и испытываем удовлетворение по поводу качества этих продуктов."

АО ENKEV Polska

Newsletter

Следите за новостями, оставьте свой е-мэйл и подпишитесь на ньюслеттер

 

КЕРАМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНАХ

10.04.2013

ВВЕДЕНИЕ
В регулирующих клапанах присутствует ряд явлений, которые оказывают деструктивное воздействие на внутренние элементы клапана, вызывая их преждевременный износ и даже аварийное повреждение. Это нарушает технологический процесс и неоднократно является причиной больших потерь.
Причинами этих явлений чаще всего являются кавитация, флешинг и эрозия.

Кавитация заключается в локальном испарении жидкости в результате снижения давления ниже значения давления испарения pv. Чаще всего это появляется в зоне „vena contracta" - точке наибольшей скорости потока и наибольшего снижения давления. В жидкости образуются пузырьки пара, который вместе с ростом давления на выходе клапана подвергается имплозии. Это явление характеризуется внезапными ускорениями и выбросами двухфазной смеси: жидкость - пар. Неоднократно образующаяся энергия вызывает поверхностные нагрузки около 700 MПа, что приводит к повреждению внутренних элементов клапана. Кроме того, кавитация вызывает колебания и вибрации, рост уровня шума и уменьшение коэффициента расхода жидкости клапана.

Явление флешинга  заключается в постепенном испарении жидкости в результате снижения давления за клапаном ниже значения давления испарения pv. В жидкости образуется двухфазная смесь жидкости и пара, растёт объём и скорость потока. Неиспарившиеся частицы жидкости ударяют с большой энергией о поверхности внутренних элементов клапана, вызывая их износ в результате эрозии.
Проблема эрозии и абразивного износа ещё более насущна в тех случаях, когда рабочая среда содержит твердые частицы. Если дополнительно в клапане присутствуют большие давления и скорость потока, то срок службы стандартных элементов клапана можно оценивать в часах.
Методы предупреждения описанных неблагоприятных явлений можно разделить на три группы:

  • конструкция клапана,
  • установка клапана,
  • конструкционные материалы.

Завод Автоматики АО „ПОЛЬНА” уже многие годы разрабатывает конструкцию клапанов, предназначенных для работы в трудных условиях. Клапаны с перфорированными дросселирующими структурами, такими как плунжера, клетки, плиты, с многокаскадными элементами, ограничивают или исключают проблемы,  связанные с шумом, кавитацией, флешингом или дросселируемым потоком. Перечисленные конструкции себя оправдали и получили признание пользователей.

Важную роль играет установка клапана, выбор между проходным клапаном и угловым, определение благоприятного для данной аппликации направления потока. Эти проблемы  более подробно будут представлены в дальнейшей части статьи.

               Очень большое значение для прочности и надежности изделия имеет соответствующий выбор конструкционных материалов и способов улучшения их свойств.

В заводской практике применяются следующие методы улучшения механических свойств элементов клапана:

  • термическое упрочнение в диапазоне твёрдости 35…55 HRC, в зависимости от рода и функции частей,
  • стеллитирование (стеллит № 6) фаз или поверхности седла, плунжеров, направляющих втулок, штоков;  твёрдость ок. 40 HRC,
  • элементы, изготавливаемые из полного стеллита (плунжера, седла)  или из титана (штоки),
  • жидкостное или газовое азотирование (CrN), твёрдость 900 HV, толщина упрочненного слоя ок. 0,1 мм,
  • покрытие, наносимое на внутренние поверхности корпуса, паста BELZONA 1590,
  • элементы, выполняемые из керамики.
     

КЕРАМИКА

Керамика является материалом, который ввиду своих исключительных механических и химических свойств начинает все чаще применяться в современных конструкциях машин и устройств, в том числе и в регулирующих клапанах. Чаще всего применяются керамические материалы на базе алюминия (AL2O3), нитрида кремния (Si2N4) и окиси циркония (ZrO2), свойства которого будут представлены более подробно. Керамика (ZrO2) формируется из гранулированного препарата окиси циркония методом спекания при температуре 1500…2200ºC. Полученный таким образом полуфабрикат требует окончательной обработки при помощи шлифования алмазным абразивом.
       Керамика ZrO2 характеризуется следующими механическими свойствами:

  • твердость: 1200 HV, 70 HRC,
  • максимальная рабочая температура: 500ºC,
  • прочность на сжатие, мин.: 2100 МПа,
  • прочность на изгиб, мин.: 300 МПа,
  • модуль Юнга: 210 ГПа,
  • трибологические свойства:  самосмазка,
  • высокая стойкость к истиранию,
  • низкая теплопроводность.

Для керамики ZrO2 характерна великолепная химическая стойкость к большинству применяемых в потоке рабочих сред, за исключением растворов серной и фтористой кислоты.
Из-за специфических свойств эти части редко изготавливаются только из керамики. Чаще всего это металлокерамические композиты. Соединение обоих компонентов происходит при помощи склеивания или механических соединений.
Для выбора соответствующего материала и правильного применения элементов из керамики необходимо располагать информацией на тему параметров работы: температуры, химической среды, нагрузки с учётом динамических воздействий.
Применение керамики, благодаря её механическим и химическим свойствам, обеспечивает в среднем 8…10-кратное увеличение прочности и срока службы частей по сравнению с элементами, изготовленными при помощи традиционной технологии.
Это приводит к своего рода конфликту между приоритетами производителя и пользователя пользователя. На заводе Автоматики АО „ПОЛЬНА” эта дилемма решается всегда в пользу клиента.

КОНСТРУКЦИЯ        
Ниже мы представляем несколько конструкционных решений клапанов с использованием элементов из керамики.

Рис.1 Угловой клапан для сжимаемой рабочей среды

СКАЧАТЬ pdf 3D - угловой клапан для сжимаемой рабочей среды

Конструкция Рис.1 (угловой клапан для сжимаемой рабочей среды) решает проблему регулирования потока газа при снижении давления до 400 бар. Керамическими элементами являются: плунжер, седло и дросселирующая втулка (фланец). Применение втулки позволяет ограничить скорость потока и более, чем в два раза снизить уровень шума. Направление потока – над плунжером (FTC) - обеспечивает то, что струя газа направляется на прямой отрезок трубопровода, что снижает эрозионное действие рабочей среды, особенно в случае содержания в ней твердых частиц.  

СКАЧАТЬ pdf 3D - угловой клапан для жидкости

Клапан Рис. 2 обладает антикавитационной конструкцией. Керамическими элементами являются: плунжер и седло. Соответственно сконструированные плунжер и седло вызывают многокаскадное снижение давления в клапане с целью ограничения угрозы кавитации. Направление потока - под плунжер (FTO). Втулка внутри камеры вытекания выполнена из полного стеллита для защиты от эрозии поверхности корпуса.

Корпуса угловых клапанов Рис.1 и Рис.2 разделены, что обеспечивает лёгкий доступ ко внутренним элементам в случае техосмотра и сервиса. Существенным является решение относительно внутренних элементов клапана. Конструкция корпуса - угловая или проходная, диаметры, давления, формы присоединений будут подобраны с учетом нужд клиента.

Керамическими элементами в клапанах Рис.3 являются плунжер и седло, и применяются, главным образом, в случае предполагаемой эрозии клапанного затвора. В случае потока газа более выгоден поток над плунжером (FTC). Возможно применение дросселирующей втулки (фланца) на выходе с целью снижения скорости потока и уровня шума. Клапаны с вращательным плунжером характеризуются малым коэффициентом восстановления давления FL, поэтому значения критических падений давления ∆pkr= FL2(p1- pv), при которых появляется кавитация, являются низкими. Применение дросселирующих элементов на выходе потока при направлении под плунжер (FTO) значительно улучшает устойчивость клапана к кавитации.

Pис. 4 Проходной антикавитационный клапан

Клапан Рис.4 применяется для жидкости при снижении давления около 200 бар. Керамическими элементами являются многокаскадные плунжера и седло. Дополнительное редуцирование давления происходит в узле трёх дросселирующих клеток с лучевым размещением проточных отверстий. Клапан может применяться в обходных системах (by-pass) насосов, питающих энергетические котлы.    

ПРИМЕНЕНИЕ       
Ниже будет представлен опыт по эксплуатации спроектированных  и изготовленных на заводе Автоматики АО „ПОЛЬНА” в Пшемысле клапанов с керамическими элементами и преимущества, следующие из этих аппликаций.

Клапан Рис.1,  обозначенный символом Z1A-C2, предназначен для Производственного  Центра Винна Гура (Нефтегазовая госкомпания PGNiG SA в Варшаве,  Отделение в Зелёной Гуре). Он работает в системе сепарации и редуцирования давления, в которой газ (CH4 79,9%, N218, 9%, CO2 0,8%, He 0,1%, C2H4+ 0,3%) из скважины Винна Гура 1 подается под полным давлением устья скважины (25 МПа) с производительностью 50 Нм3/мин на сепаратор I степени. В этом сепараторе отделяется подземная вода. Затем природный газ направляется к линейному нагревателю для подогрева его перед редуцированием. Выходящая струя газа с давлением p1 =24,83 МПа и температурой T1=+30 ºC подвергается редуцированию давления в клапане Z1A-C2 до величины p2=6,3 МПа, в результате чего охлаждается до температуры T2=-5ºC и происходит дальнейшее выделение подземной воды из струи газа в сепараторе II степени и его осушение.
   
Клапаны Рис.2 и Рис.3 установлены в компании KRNiGZ Дэмбно (PGNiG SA. в Варшаве, Отделени в Зелёной Гуре). Работают они в наиболее сложных условиях, какие имеют место в шахте при эксплуатации подземной жидкости, являющейся смесью нефти, газа и подземной воды. Часто примесью к выше представленному составу являются твердые частицы, являющиеся элементами материнской скалы, а также остатки после бурильной промывки и от консервационных жидкостей .
Нефть - это жидкость с плотностью 800 кг/м3, вязкостью 4 cST, температурой течения -36ºC, с содержанием твердых частиц 0,2% объема и парафина 5% веса.
Главные компоненты газа: азот 51%, метан 38%, этан 4%, пропан 2%, H2S 4% и CO2 0,5%, C4+ 0,5%.
Подземная вода – это во многих случаях (в зависимости от скважины) в 100% насыщенный раствор соли с плотностью до 1250 кг/м3, pH 5,5, содержанием Cl-  200г/л.

Подземная жидкость вытекает из эксплуатационной скважины под давлением от 250 до 430 бар(г) и с температурой от 30 до 60ºC в зависимости от пропускной способности нефти, количества сопровождающего ее газа и подземной воды, а также от технического состояния самой скважины. Она подогревается до 65ºC на установке около скважины и подвергается редуцированию давления до ок. 70 бар(г) (∆p до 360 бар). За редуцирование давления с одновременным контролём потока отвечают угловые клапаны престижных западных фирм, выполненные по классу 10000 согласно API 6A в соответствии с нормой NACE MR 0175. Эти клапаны являются частью системы безопасности трубопровода и выполняют дополнительно функцию клапана быстрого  закрытия. Проблемы с эксплуатацией этого типа клапанов заключались в быстром износе внутренних элементов, в результате чего они не могли исполнять свою основную роль, как клапаны быстрого закрытия. Случалась также разгерметизация корпуса клапана, что ввиду присутствия сероводорода представляло собой угрозу для жизни человека и окружающей среды.

Износ внутренних элементов был результатом воздействия практически всех возможных нежелательных явлений, какие имеют место в клапанах. Ввиду загрязнения твердыми частицами, парафином и кристаллами соли, которые заклеивают дросселирующие структуры с малым сечением, применение классических антикавитационных исполнений оказалось неэффективным, поскольку за короткий период времени привело бы к блокировке потока в клапане. Эффективным методом, способным исполнить предъявляемые к клапану требования, явилось применение в нём керамики – материала полностью устойчивого к механическому износу плунжера и седла, а также широких проточных каналов, устойчивых к загрязнению. Существенным достоинством этого решения является минимальное количество внутренних элементов, что делает клапан весьма простым при обслуживании и ремонте.  Выбирая керамику, мы принимали во внимание также её химические достоинства. Высокое парциальное давление H2S (свыше 1000 кПа) газа в соответствии с нормой ISO 15156 не позволяет употреблять улучшаемую термически сталь, а стеллитирование не оправдало себя в до сих пор существующих исполнениях клапанов, см. Рис.5.

Рис. 5 Металлические внутренние элементы эксплуатируемых клапанов.

Применение направления потока FTO, вынуждаемое существующей системой установки, обладает достоинствами, связанными с возможностью плавного регулирования при небольшом открытии клапана (отсутствие явления отрыва плунжера от седла при открывании и ударе плунжера о седло при закрытии). Кроме того, в клапанах с направлением потока FTO уплотнение штока происходит на стороне низкого давления (в клапане применено не требующее обслуживания уплотнение TA-Luft PTFE).

          С 4 декабря 2012 года клапан, обозначенный символом Z1A-C1, проверяется на скважине Барнувко-13, эксплуатируемой при следующих параметрах:
    p1 = 259 бар(г),  T1= 39 ºC, p2 = 71 бар(г), Q нефть = 50 тонн/сутки,
     Q газ = 17500 Нм3/сутки, Q сол.раствор = 400 л/сутки.
После месяца непрерывной эксплуатации были проведены полевые тесты герметичности с положительным результатом, что дает оптимистический прогноз для будущего этих решений.

           К клапанам, в которых появляются в шахте большие проблемы, относятся клапаны с вращательным плунжером. Клапан 1”, CL600  отвечает за выпуск подземной воды  из тестовых сепараторов в Главном центре Барнувко. Гравитационный горизонтальный сепаратор, работающий при давлении 66 бар(г) и температуре в 60ºC разделяет подземную жидкость на три фракции: газ, нефть и подземную воду. Подземная вода из сепаратора отводится в другой резервуар, действующий под давлением 3 бар(г) (∆p= 63 бар) для её очищения. Ввиду небольшого количества воды в большинстве тестовых сепараторов отвод воды происходит периодически. Чтобы предотвратить попадание нефти в систему очищения подземной воды, сливной клапан должен обладать 100% герметичностью закрытия.

Несмотря на применение полного стеллитового покрытия для элементов как седла, так и плунжера, а  позднее и термически улучшаемой стали 1.4125 до 55 HRC, не удалось увеличить срок службы внутренних элементов клапана свыше трех месяцев.

Учитывая вышеуказанные проблемы, а также повышенные требования, пользователь после согласования с производителем решил применить керамику для плунжера и седла клапана. Применение керамики, ввиду её особых механических свойств, потребовало ввода некоторых конструкционных изменений в паре „плунжер-седло” как в пункте крепления плунжера, так и в уплотнении плунжера с седлом. Технические и эксплуатационные испытания вышеуказанного решения начались в 2013 году.

            Представленные технические аргументы и опыт эксплуатации показывают, что регулирующие клапаны с керамическими внутренними элементами представляют собой удобную и заслуживающую распространения тенденцию в развитии этой группы изделий.

Разработка:
Станислав Ямроз - Завод Автоматики АО „ПОЛЬНА”, Пшемысль
Кшиштоф Мруз - компания KRNiGZ Dębno (PGNiG SA в Варшаве, Отделение в Зеленой Гуре)