Руководство по отказам промышленных клапанов: 8 распространенных видов отказов, предупреждающие знаки и стратегии предотвращения

Промышленный клапан может пройти заводское испытание под давлением и все же преждевременно выйти из строя после установки, если условия эксплуатации, конструкция клапана, комплект привода или режим работы не были правильно определены. И наоборот, старый клапан может оставаться надежным в течение многих лет, если его конструкция подходящая, рабочий диапазон стабилен, а деградация обнаруживается до того, как он достигнет функционального предела.

В этом руководстве объясняются основные виды отказов промышленных клапанов с точки зрения проектирования и технического обслуживания. Основное внимание уделяется тому, что видит оператор, что может происходить внутри клапана, как исследовать первопричину и что следует изменить во время спецификации, покупки, установки или профилактического обслуживания, чтобы предотвратить повторение одной и той же неисправности.

Для химических предприятий, работающих с агрессивными средами, клапанами с футеровкой, растворителями, кислотами, щелочами, кристаллизующимися жидкостями или агрессивными суспензиями, также см. Vcore’s Распространенные неисправности клапанов в химических трубопроводах. В этой статье более подробно рассматриваются химическая совместимость и проблемы, связанные с футеровкой, а на этой странице рассматривается более широкий контекст промышленных отказов.

1. Что считается неисправностью промышленного клапана?

Клапан вышел из строя, когда он больше не может выполнять функцию, требуемую технологическим процессом или конструкцией безопасности. Это не всегда означает, что корпус треснул или клапан полностью неработоспособен. Регулирующий клапан, который движется, но не может стабилизировать процесс, обратный клапан, который дребезжит и позволяет повредить обратный поток, или запорный клапан, который пропускает чрезмерную утечку через седло, возможно, уже функционально неисправен, даже если клапан остается физически установленным.

2. Утечка внутри седла: когда закрытый клапан не изолируется

Внутренняя утечка возникает, когда технологическая жидкость проходит через закрытый клапан, поскольку запорный элемент и седло не могут обеспечить требуемое закрытие. Проблема может возникнуть в шаровых, дроссельных, шиберных, проходных, пробковых и обратных клапанах, но механизм отказа во многом зависит от конструкции клапана и его обслуживания.

Распространенные причины внутренней утечки клапана

• Абразивные частицы царапают, разрезают или разрушают уплотнительные поверхности.
• Коррозия или кавитация изменяют геометрию седла или запорного элемента.
• Мягкие седла набухают, затвердевают, расползаются, выдавливаются или теряют эластичность за пределами утвержденного диапазона эксплуатации.
• Клапан никогда не достигает своего истинного закрытого положения из-за настройки привода, остановки хода, перемещения штока или механического воздействия.
• Термическая деформация изменяет контакт между металлическим седлом и запорным элементом.
• Задвижки или запорные клапаны неоднократно дросселируются в положении, при котором скорость концентрируется в зоне посадки.
• Инородный материал остается на седле после промывки, изготовления или обслуживания.

Как диагностировать внутреннюю утечку

Начните с подтверждения того, превышает ли наблюдаемая утечка указанные приемочные требования. Не думайте, что каждый клапан должен обеспечивать герметичное закрытие. Требуемая утечка через седло зависит от типа клапана, конструкции седла, стандарта изделия, класса утечки регулирующего клапана, где это применимо, и технических условий проекта.

Затем проверьте ход полного закрытия и выходную мощность привода перед демонтажем клапана. Если клапан достигает правильного механического положения, но по-прежнему протекает, проверьте уплотнительные поверхности на наличие направленных царапин, частиц, эрозии, коррозии, вмятин, смещения седла или местной деформации. Характер повреждений часто более информативен, чем сама интенсивность утечек.

3. Внешняя утечка: уплотнение, шток, прокладки и соединения, ограничивающие давление.

Внешняя утечка принципиально отличается от утечки через седло, поскольку технологическая среда выходит за пределы границы давления в окружающую среду. Перед корректирующими действиями необходимо определить точный путь утечки. Затягивание каждого видимого крепежа не является надежным методом устранения неполадок и может привести к повреждению уплотнений, прокладок, сальников или болтов.

Типичные пути внешних утечек

• Набивка штока или вала
• Прокладка крышки или крышки
• Соединение корпуса на составных клапанах
• Резьбовые дренажные, вентиляционные или инжекционные соединения
• Фланцевое присоединение к процессу
• Сварная зона границы давления
• Литье корпуса, поковка или сборный профиль при возникновении дефекта на границе давления

Утечка из уплотнения штока может быть вызвана неподходящим материалом уплотнения, неправильным сжатием, задиров на штоке, коррозией, чрезмерным циклическим циклом, изменением температуры, плохой центровкой сальника или системой уплотнения, которая не соответствует требуемым характеристикам выбросов. Для энергозависимых или опасных видов деятельности в проектах могут быть указаны требования к квалификации неорганизованных выбросов или требования к приемке производства. Vcore Руководство по тестированию неорганизованных выбросов клапанов объясняет разницу между выбросами из штока, утечкой через седло и корпусом, а также обсуждает ISO 15848, API 624 и API 641 в их применимом контексте.

4. Кавитация, мигание, эрозия и истирание.

Высокая скорость и резкое снижение давления могут привести к разрушению трима клапана, даже если материал корпуса химически совместим с жидкостью. Первым шагом является определение механизма повреждения, поскольку кавитация, вспышка и эрозия твердых частиц не реагируют на одно и то же корректирующее воздействие.

Кавитация

При работе с жидкостями кавитация может возникнуть, когда местное давление падает ниже давления паров жидкости, а пузырьки пара позже схлопываются по мере восстановления давления. Обрушение может привести к интенсивному локальному воздействию на обшивку и близлежащие поверхности. Типичными проявлениями являются точечная коррозия, шероховатые поверхности, вибрация и характерный высокочастотный шум в зоне восстановления давления.

Поэтому при выборе размера регулирующего клапана следует учитывать значения Cv или Kv, превышающие требуемые. Профиль давления, тип клапана, поведение при восстановлении давления и все варианты эксплуатации имеют значение. Тяжелые условия эксплуатации могут потребовать поэтапного снижения давления, антикавитационной настройки, изменения распределения давления в системе или другой конфигурации клапана. Более подробную последовательность выбора см. Руководство по выбору регулирующего клапана.

Мигает

Вспышка отличается от кавитации, поскольку некоторая часть жидкости после сужения остается паром, а не полностью конденсируется при восстановлении давления. Антикавитационная регулировка не может просто устранить условия процесса, при которых давление на выходе остается ниже давления паров. Выбор материала, скорость на выходе, устойчивость к эрозии и геометрия на выходе становятся особенно важными.

Эрозия и истирание твердых тел

Шламы, частицы катализатора, минеральные твердые вещества и грязные материалы могут привести к износу седел, шариков, дисков, сепараторов, гильз и каналов потока корпуса. Повреждения часто следуют за направлением потока и могут быть сосредоточены там, где скорость увеличивается или меняет направление. Стандартный клапан, выбранный только по номинальному размеру и классу давления, может иметь очень короткий срок службы при работе с абразивами, даже если он проходит все заводские испытания под давлением.

5. Коррозия и несовместимость материалов.

Коррозионное разрушение может повлиять на границу давления, трим, шток, болты, область седла или внешние поверхности. Материал, который подходит для чистых коммунальных услуг, может оказаться непригодным, если изменяются содержание хлоридов, концентрация химикатов, pH, растворенные газы, температура или чистящие химикаты.

Неисправность может проявляться в виде равномерного утончения стенок, локализованной точечной коррозии, образования щелей, гальванической коррозии, разрушения покрытия или механизмов растрескивания, которые требуют специальной металлургической оценки. Поскольку при быстром визуальном осмотре различные механизмы коррозии могут выглядеть одинаково, корректирующие действия должны основываться на реальной среде и механизме повреждения, а не на общих указаниях «переход на нержавеющую сталь».

Проверка материала перед покупкой

• Укажите точные материалы корпуса, крышки, трима, штока, седла, уплотнения, прокладки и болтов, необходимые для обслуживания.
• Определите, требуются ли отчеты об испытаниях материалов и отслеживание плавки.
• Определите NACE / ISO 15156, твердость, PMI или другие требования, специфичные для проекта, где это применимо.
• Проверьте покрытия или футеровки на предмет химической обработки, истирания, температуры, вакуума и условий обращения.
• Не предполагайте, что одна марка нержавеющей стали или один эластомер обладают универсальной коррозионной стойкостью.

Когда речь идет конкретно о химическом трубопроводе, разрушения футеровки, кристаллизация, набухание уплотнений и агрессивная химическая совместимость заслуживают отдельной оценки. Более подробно эти вопросы освещены в Распространенные неисправности клапанов в химических трубопроводах.

6. Механическое заедание, чрезмерный крутящий момент и повреждение компонентов.

Клапан, который становится трудно работать, отправляет полезную диагностическую информацию. Увеличение крутящего момента или усилия может быть вызвано трением седла, отложениями, коррозией, температурными воздействиями, сжатием набивки, повреждением направляющих, несоосностью штока, истиранием, деградацией редуктора, перепадом технологического давления или наличием постороннего предмета на пути потока.

Правильный ответ — отделить механическую нагрузку клапана от доступной мощности привода. Увеличение размера привода без проверки пределов клапана и штока может привести к тому, что поврежденный клапан начнет двигаться, передавая перегрузку на шток, вал, шпонку, муфту, редуктор или запорный элемент.

7. Отказ привода, позиционера и системы управления.

Автоматический клапан может быть механически исправен, но при этом не выполнять свою технологическую функцию, поскольку привод, аксессуары или система управления не могут переместить его в необходимое положение. Пневматические, электрические и гидравлические системы имеют разные пути отказа, но все их следует оценивать как часть одного собранного блока клапанов.

Распространенные причины

• Пневматическое давление питания ниже значения, используемого для расчета привода.
• Засорение трубок, загрязненный воздух, неисправность соленоида или проблемы с фильтром-регулятором.
• Потеря электроэнергии, неправильное напряжение, неисправность двигателя или системы управления, попадание воды или несоответствие рабочего цикла.
• Потеря гидравлического давления, утечка, проблемы с аккумулятором или управляющим коллектором
• Отклонение калибровки позиционера, ошибка связи обратной связи или неправильное действие при сбое
• Выходная мощность привода, которая больше не превышает крутящий момент или усилие клапана после отложений, коррозии или замены седла
• Неправильный монтажный кронштейн, выравнивание муфты или регулировка ограничителя хода.

Для нового оборудования при выборе привода следует использовать проверенные данные производителя клапана о крутящем моменте или усилии и наименее благоприятные условия эксплуатации. См. Руководство по выбору привода клапана для выбора пневматического, электрического и гидравлического комплекта.

Для модулирующих регулирующих клапанов настройку позиционера следует проверять как часть функционального испытания, а не рассматривать как отдельную вспомогательную задачу. Vcore Руководство по калибровке позиционера регулирующего клапана охватывает проверку нуля, диапазона, хода, обратной связи и действий при сбое.

8. Дребезг обратного клапана, удары и повреждение обратного потока.

Неисправности обратных клапанов во многом зависят от динамики потока. Обратный клапан может иметь идеальные результаты испытаний под давлением, но при этом работать плохо, если диск или пластины не могут достичь стабильного рабочего положения при реальном расходе, если ориентация установки неподходящая или если срабатывание насоса приводит к быстрой обратной скорости.

Типичные предупреждающие знаки

• Повторяющийся удар или стук
• Вибрация диска или пластины при работе с низким расходом
• Износ седла сконцентрирован в результате повторяющихся ударов.
• Сломанная пружина, шарнир или стопорные компоненты
• Обратный поток, обратное вращение насоса или помпаж после остановки
• Ненормальная вибрация после обратного клапана

Корректирующие действия могут включать тип клапана, динамику пружины или затвора, положение установки, скорость потока, рабочий диапазон насоса, расположение трубопроводов или анализ пульсаций. Замена поврежденного сиденья такой же конструкции без проверки системы может привести к еще одной поломке. См. Руководство по установке обратного клапана о направлении потока, горизонтальной и вертикальной установке, расположении нагнетания насоса и типичных ошибках.

9. Термическое искажение, связывание и температурный цикл

Изменения температуры изменяют размеры, зазоры, трение уплотнения, контакт седла и механические нагрузки. В системах с высокотемпературным паром, углеводородом и терможидкостью клапан может нормально работать в холодном состоянии, но становится трудно перемещаться или возникает утечка после того, как корпус, затвор, шток и области седла достигают разных температур.

Задвижки могут испытывать термическое заклинивание, когда дифференциальное расширение или условия закрытия создают чрезмерную силу расклинивания. Однако решение состоит не в том, чтобы просто указать один тип крышки. Анализ должен включать геометрию задвижки и седла, температурный градиент, последовательность закрытия клапана, перепад давления, требования к выравниванию или перепуску, где это применимо, усилие привода, нагрузку на шток и утвержденную производителем рабочую процедуру.

Повторное термоциклирование также может ослабить болтовые соединения, изменить поведение набивки и ускорить повреждение мягких седел или уплотнений, которые работают вблизи своих температурных пределов. Таким образом, процедура технического обслуживания, написанная только с учетом условий мастерской, может не учитывать условия, вызвавшие отказ на месте эксплуатации.

10. Предупреждающие знаки перед тем, как отказ промышленного клапана приведет к останову

Многие неудачи развиваются постепенно. Таким образом, наиболее полезная программа проверки отслеживает изменения нормального состояния клапана, а не полагается только на общий календарный интервал.

• Отслеживайте крутящий момент привода, ток двигателя, тягу или давление воздуха, когда доступны диагностические данные.
• Сравните заданное положение клапана с фактическим ходом и реакцией процесса.
• Запишите регулировку уплотнения вместо многократного затягивания без учета истории.
• Немедленно исследуйте новую вибрацию, кавитационный шум или воздействие обратного клапана.
• Осматривайте клапаны после аномальных технологических событий, таких как отключения насоса, загрязнения или скачки температуры.
• Используйте риск и серьезность обслуживания, чтобы определить объем и частоту проверок.

11. Практический процесс расследования первопричин

Неисправный клапан следует рассматривать как доказательство. Если поврежденные детали выбросить до того, как будут задокументированы история эксплуатации и характер отказов, предприятие может потерять информацию, необходимую для предотвращения повторения ошибок.

1. Определите неудавшуюся функцию. Была ли проблема внутренней утечкой, внешней утечкой, невозможностью хода, нестабильным управлением, обратным потоком, чрезмерным рабочим усилием или повреждением границы давления?
2. Фиксируйте условия эксплуатации. Записывайте давление на входе и выходе, температуру, среду, концентрацию, твердые частицы, скорость потока, положение клапана, историю цикла и событие непосредственно перед отказом.
3. Проверьте указанный клапан. Сравните паспортную табличку, техническое описание, утвержденный чертеж, записи о материалах, размеры привода и требования проекта с установленным оборудованием.
4. Осмотрите перед чисткой. Отложения, направление износа, продукты коррозии, следы посадочных мест и поверхности изломов могут выявить механизм. Сфотографируйте и задокументируйте их перед чисткой.
5. Отделите первичное повреждение от вторичного. Сломанный компонент может быть результатом вибрации, перегрузки или коррозии, а не первопричины.
6. Сравните с историей обслуживания. Обращайте внимание на повышение крутящего момента, повторную регулировку уплотнения, повторяющиеся утечки, отключения привода или предыдущие ремонты.
7. Меняйте причину, а не только часть. Окончательное действие может включать тип клапана, трим, материалы, привод, порядок работы, расположение трубопроводов, фильтрацию, промывку или частоту проверок.

12. Предотвратите отказы клапанов на четырех разных стадиях

Выбор и дизайн

Процесс предотвращения начинается с сервисных данных, а не с каталога клапанов. Укажите нормальные, минимальные и максимальные рабочие случаи, когда они влияют на поведение клапана. Определите, будет ли клапан изолироваться, дросселироваться, модулировать, предотвращать обратный поток или перемещаться в безопасное положение после определенного отказа.

Заводская проверка

Заводская проверка не может воспроизвести все будущие условия эксплуатации, но она может подтвердить, что поставляемый клапан соответствует утвержденной конфигурации и что основные функции ограничения давления, закрытия и эксплуатации соответствуют указанным критериям приемки. Vcore Руководство по проверке давления клапана объясняет тестирование корпуса, сиденья и заднего сиденья и почему эти тесты проверяют различные функции.

13. Стандарты, поддерживающие предотвращение отказов клапанов

Ни один стандарт не может гарантировать, что клапан не выйдет из строя при эксплуатации. Стандарты определяют конкретные требования к проектированию, изготовлению, проверке или испытаниям, в то время как покупателю и инженеру все равно необходимо привести клапан в соответствие с фактическим применением и спецификациями проекта.

14. Контрольный список запросов предложений по промышленной арматуре для предотвращения сбоев

Когда надежность клапана имеет значение, в запросе предложений должно быть предоставлено достаточно информации, чтобы поставщик мог оценить фактическую нагрузку. Следующий список является практической отправной точкой; требования проекта могут добавлять или удалять элементы.

• Тип клапана и требуемая функция: изоляция, дросселирование, управление, невозвратное или аварийное действие.
• Номинальный размер, класс давления/PN и торцевое присоединение.
• Стандарты проектирования, размеров, испытаний и проектов.
• Рабочее и расчетное давление и температура.
• Технологическая среда, концентрация, твердые частицы, коррозионные или абразивные характеристики.
• Требования к корпусу, триму, штоку, седлу, уплотнению, прокладке и болтовым соединениям.
• Требуемая герметичность седла или характеристики запирания.
• Варианты расхода и падения давления для регулирующих клапанов или клапанов для тяжелых условий эксплуатации.
• Ориентация установки и направление потока, где это необходимо.
• Ручное, зубчатое, пневматическое, электрическое или гидравлическое управление.
• Основа крутящего момента/осевого усилия привода, действие при отказе, управляющий сигнал и утилиты.
• Пожаробезопасность, неорганизованные выбросы, NACE/ISO 15156 или другие специальные требования к обслуживанию, если применимо.
• Требуемые отчеты об испытаниях материалов, PMI, твердость, неразрушающий разрушение или проверка третьей стороной.
• Испытание под давлением, испытание на утечку и документация по функциональным испытаниям.
• Утвержденный чертеж общего назначения, паспорт, паспортная табличка/маркировка и пакет окончательной документации.

Типичная предотгрузочная проверка

15. Ремонт, перенастройка или замена?

Не каждый вышедший из строя клапан нуждается в замене, и не каждый клапан подлежит ремонту. При принятии решения следует учитывать целостность границы давления, оставшуюся толщину стенки, место повреждения, наличие одобренных запасных частей, состояние трима, пределы ремонта корпуса и седла, отслеживаемость материала, стоимость повторного ремонта и вообще, подходит ли существующая конструкция клапана для эксплуатации.

16. Предотвращение отказов промышленных клапанов с помощью применения

Отказ промышленного клапана: окончательная инженерная проверка

Отказы промышленных клапанов легче предотвратить, если рассматривать их как проблемы системы, а не как отдельные дефекты компонентов. Седло может протекать из-за износа, но износ мог быть вызван неправильным типом клапана, чрезмерной скоростью, абразивными частицами, термической деформацией или неполным ходом привода. Привод может отключиться из-за того, что его размеры недостаточны, но он также может отключиться из-за увеличения крутящего момента клапана из-за коррозии, отложений или повреждения седла.

Таким образом, наиболее эффективная стратегия надежности объединяет пять дисциплин: правильный выбор клапана, полные данные обслуживания, проверенное производство и испытания, правильная установка и техническое обслуживание в зависимости от состояния. Когда эти меры контроля документируются на протяжении всего запроса предложений и эксплуатации, у завода появляется гораздо более прочная основа для того, чтобы отличить нормальный износ от отказа, которого можно избежать.

Часто задаваемые вопросы