Пользователи, ежедневно использующие запорные клапаны большого диаметра, часто сообщают о проблеме, связанной с тем, что запорные клапаны большого диаметра трудно закрыть при работе в средах с относительно большой разницей давления, таких как пар, вода высокого давления и т. д. При принудительном закрытии всегда возникает утечка, и затруднительно обеспечить плотное закрытие. Причина этой проблемы кроется в конструктивных особенностях клапана и недостаточном выходном крутящем моменте, необходимом для обеспечения предельного уровня человеческого потенциала.

Анализ сложности переключения клапанов большого диаметра

Предельная горизонтальная выходная сила среднего взрослого человека составляет 60–90 кг в зависимости от телосложения.

Как правило, направление потока в запорном клапане проектируется таким образом, чтобы поток поступал снизу вверх и выходил сверху вниз. При закрытии клапана человек своим телом толкает маховик в горизонтальное положение, в результате чего заслонка клапана опускается вниз, обеспечивая закрытие. При этом необходимо преодолеть совокупность трёх сил, а именно:

(1) Осевая сила тяги Fa;

(2) Сила трения Fb между уплотнением и штоком клапана;

(3) Сила контактного трения Fc между штоком клапана и сердечником тарелки клапана

Сумма моментов равна ∑M=(Fa+Fb+Fc)R

Видно, что чем больше диаметр, тем больше осевая сила тяги. В состоянии, близком к закрытому, осевая сила тяги практически равна фактическому давлению в трубопроводной сети (из-за P1-P2≈P1, P2=0).

Например, шаровой клапан калибра DN200 используется на паропроводе под давлением 10 бар, только первое закрывающее осевое усилие Fa=10×πr2=3140 кг, а горизонтальная круговая сила, необходимая для закрытия, близка к горизонтальной круговой силе, которую может создать нормальное человеческое тело. Это предельное усилие, поэтому одному человеку очень сложно полностью закрыть клапан в этих условиях.

Конечно, некоторые заводы рекомендуют устанавливать такие клапаны в обратном порядке, что решает проблему затрудненного закрытия, но есть и проблема затрудненного открытия после закрытия.

Анализ причин внутренних утечек запорных клапанов большого диаметра

Запорные клапаны большого диаметра обычно используются на выходах котлов, главных цилиндрах, паропроводах и других объектах. В таких местах возникают следующие проблемы:
(1) Как правило, перепад давления на выходе из котла относительно велик, поэтому расход пара также больше, а эрозионное повреждение уплотнительной поверхности также больше. Кроме того, эффективность сгорания в котле не может быть 100%, что приводит к высокому содержанию воды в паре на выходе из котла, что легко приводит к кавитации и кавитационному повреждению уплотнительной поверхности клапана.

(2) Что касается запорного клапана, расположенного вблизи выхода из котла и вспомогательного цилиндра, то, поскольку пар, выходящий из котла, периодически перегревается, в процессе насыщения, если умягчение котловой воды выполнено недостаточно качественно, часть воды часто выпадает в осадок. Кислоты и щелочи вызывают коррозию и эрозию уплотнительной поверхности; некоторые кристаллизующиеся вещества также могут налипать на уплотнительную поверхность клапана и кристаллизоваться, что приводит к нарушению герметичности клапана.

(3) Впускные и выпускные клапаны подцилиндров имеют большой расход пара после клапана, а иногда и малый из-за производственных требований и других причин. Это приводит к эрозии, кавитации и другим повреждениям уплотнительной поверхности клапана.

(4) Как правило, при открытии трубопровода большого диаметра требуется его предварительный нагрев. Процесс предварительного нагрева обычно предполагает прохождение небольшого потока пара, что позволяет медленно и равномерно нагреть трубопровод до определённой степени перед полным открытием запорного клапана, предотвращая его повреждение. Быстрый нагрев приводит к чрезмерному расширению, что приводит к повреждению некоторых соединительных деталей. Однако при этом отверстие клапана часто оказывается слишком малым, что приводит к значительному увеличению скорости эрозии по сравнению с нормальным режимом эксплуатации и значительно сокращает срок службы уплотнительной поверхности клапана.

Решения проблем переключения шаровых кранов большого диаметра

(1) В первую очередь рекомендуется выбирать запорный клапан с сильфонным уплотнением, что исключает влияние сопротивления трения плунжерного клапана и сальникового клапана, а также облегчает переключение.

(2) Сердечник клапана и седло клапана должны быть изготовлены из материалов с хорошей стойкостью к эрозии и износостойкостью, таких как карбид стеллита;

(3) Рекомендуется использовать двухклапанную дисковую конструкцию, которая не вызовет чрезмерной эрозии из-за малого отверстия, что повлияет на срок службы и эффективность уплотнения.