Методы предупреждения кавитации, вскипания и эрозии в регулирующих клапанах. Керамические элементы

26 июня 2017

В регулирующих клапанах может наблюдаться ряд негативных явлений, таких как кавитация, вскипание и эрозия, которые оказывают разрушающее воздействие на внутренние элементы клапана, вызывая их преждевременный износ и повреждение. Это нарушает технологический процесс и зачастую влечет за собой серьезные потери.

Кавитация заключается в локальном вскипании жидкости в случаях, когда давление опускается ниже давления насыщения. Чаще всего это происходит в зоне местного сужения потока — точке наибольшей скорости потока и наибольшего снижения давления. В жидкости образуются пузырьки пара, которые подвергаются схлопыванию при увеличении давления на выходе клапана. Это явление характеризуется внезапным ускорением и образованием двухфазной смеси: жидкость — пар. Энергия, высвобождаемая в этом процессе, вызывает поверхностное напряжение, которое приводит к повреждению внутренних частей клапана. Кроме того, кавитация вызывает вибрацию, увеличение уровня шума и снижение коэффициента расхода клапана.

Явление вскипания заключается в постепенном испарении жидкости в результате снижения давления ниже давления насыщения на выходе клапана. В то время как в жидкости образуется двухфазная смесь, объем и скорость потока возрастают. Неиспарившиеся частицы жидкости с большой энергией воздействуют на внутренние элементы клапана, вызывая их преждевременный износ в результате эрозии.

Последствия эрозии и абразивного износа еще более значительны, когда рабочая среда содержит твердые частицы. В случаях, если в клапане дополнительно присутствуют большие давления и скорость потока, то срок службы стандартных элементов клапана резко снижается.

Рассмотрим методы предупреждения описанных выше неблагоприятных явлений, предлагаемые компанией POLNA. Методы можно разделить на три группы:

• применение специальной конструкции клапана;
• правильная установка клапана;
• применение специальных конструкционных материалов.

В течение последних нескольких лет компания POLNA разрабатывает конструкции клапанов, предназначенных для работы в сложных условиях. Клапаны с перфорированными дросселирующими структурами (плунжеры, клетки, тарелки) и с многоступенчатыми элементами предназначены для ограничения и исключения проблем, связанных с шумом, кавитацией, вскипанием или критическим потоком.

Важную роль играют правильная установка клапана, выбор между проходным и угловым клапанами, а также определение наиболее благоприятного направления потока.

Что касается конструкционных материалов, то их правильный выбор и способы улучшения их качества имеют большое влияние на долговечность и надежность изделия.

Компания POLNA использует следующие методы улучшения механических свойств элементов клапана:

• закалка и отпуск в диапазоне твердости 35–55 HRC, в зависимости от типа и функции элемента;
• стеллитирование (стеллит № 6) профилей или поверхностей седел, плунжеров, направляющих втулок, штоков; твердость ок. 40 HRC;
• элементы, полностью изготовленные из стеллита (плунжера, седла) или титана (штоки);
• жидкостное или газовое азотирование (CrN), твердость 900 HV, толщина упрочненного слоя ок. 0,1 мм;
• покрытие BELZONA 1590, наносимое на внутренние поверхности корпуса;
• элементы, выполняемые из керамики.

Керамика

Керамика является материалом, который ввиду своих исключительных механических и химических свойств начинает все чаще применяться в современных конструкциях механизмов и устройств, в том числе и в регулирующих клапанах. Чаще всего применяются керамические материалы на основе оксида алюминия (AL2O3), нитрида кремния (Si2N4) и диоксида циркония (ZrO2). Диоксидциркониевая керамика (ZrO2) формируется из гранулированного продукта диокисида циркония методом спекания при температуре 1500–2200 ºC. Полученный таким образом полуфабрикат требует окончательной обработки при помощи шлифования алмазным абразивом.

Керамика ZrO2 характеризуется следующими механическими свойствами:

• прочность: 1200 HV, 70 HRC;
• максимальная рабочая температура: 500 ºC;
• прочность при сжатии, мин.: 2100 МПа;
• прочность при изгибе, мин.: 300 МПа;
• модуль Юнга: 210 ГПа;
• трибологические свойства: самосмазка;
• высокая стойкость к абразивному износу;
• низкая теплопроводность.

Диоксидциркониевая керамика отличается превосходной химической стойкостью к большинству текучих сред, за исключением растворов серной и фтористой кислот. Специфические свойства керамики обуславливают то, что детали редко изготавливаются полностью из керамики. Чаще всего это металлокерамический композит.

Для выбора соответствующего материала и правильного применения элементов из керамики необходимо располагать информацией о рабочих условиях: температура, химическая среда, нагрузка с учетом динамических воздействий.

Применение керамики, благодаря своим механическим и химическим свойствам, увеличивает прочность и долговечность деталей в среднем в 8–10 раз по сравнению с деталями, изготовленными по традиционной технологии.

Ниже представлены несколько конструктивных решений регулирующих клапанов с керамическими элементами.

Рис.1. Угловой клапан для сжимаемой рабочей среды.

Конструкция клапана, представленная на рис. 1, предназначена для регулирования потока газа с перепадом давления до 400 бар. Керамическими элементами являются: плунжер, седло и дросселирующая втулка. Применение втулки позволяет снизить скорость потока и, более чем в два раза снизить уровень шума. Направление потока — над плунжером (поток на закрытие) снижает эрозионное воздействие рабочей среды, особенно в случае содержания в ней твердых частиц.

Рис.2. Угловой клапан для жидкости.

Клапан (рис. 2) имеет антикавитационную конструкцию. Керамическими элементами являются плунжер и седло. Данная конструкция плунжера и седла вызывает многоступенчатый перепад давления на клапане с целью исключения риска возникновения кавитации. Направление потока — под плунжер (поток на открытие). Втулка внутри выходной камеры выполнена полностью из стеллита для защиты от эрозии.

Корпуса угловых клапанов рис. 1 и рис. 2 разделены, что обеспечивает легкий доступ к внутренним элементам в случаях проверки и обслуживания. Конструкция корпуса — угловая или проходная, диаметры, давления, типы присоединений должны соответствовать потребностям заказчика.

Рис. 3. Регулирующий клапан с поворотной тарелкой.

Керамическими элементами в клапанах с поворотной тарелкой (рис.3) являются плунжер и седло, и применяются они, главным образом, в случае предполагаемой эрозии клапанного затвора. Для газовых сред предпочтительным является направление потока над плунжером (поток на закрытие). Возможно применение дросселирующей втулки на выходе с целью снижения скорости потока и уровня шума. Клапаны с поворотной тарелкой характеризуются малым коэффициентом восстановления давления FL, что обеспечивает низкое значение критического перепада давления ∆pkr=FL2(p1- pv), при котором появляется кавитация. Применение дросселирующих элементов на выходе при направлении потока под плунжер (поток на открытие) значительно улучшает устойчивость клапана к кавитации.

Pис. 4. Проходной антикавитационный клапан.

Регулирующий клапан (рис.4) применяется для жидкостей при перепаде давления около 200 бар. Керамическими элементами являются многоступенчатые плунжер и седло. Дополнительное снижение давления происходит в узле трех дросселирующих клеток с лучевым размещением проточных отверстий.

Компания АДЛ является эксклюзивным дистрибьютором продукции производства POLNA (Польша) и поставляет все регулирующие клапаны данного производителя для различных процессов в промышленности.