Kavitation in Absperrventilen und vorgeschlagene Lösungen

Abbildung 1 Abbildung 2

Figur 3

Figur 4

Ein erheblicher Druckabfall der Flüssigkeitsleitungen im Absperrventil unter den Dampfdruck führt dazu, dass der Dampf aus der Flüssigkeit herausgepresst wird. Die Blasen erholen sich vom Druck und kollabieren, wodurch Druckwellen entstehen. Folglich können die Druckwellen Sitz, Kegel und Gehäuse der Absperrventile beschädigen. Kavitation kann zu unregelmäßigen Vertiefungen und Erosion in der Innengarnitur (Sitz und Kegel), dem Gehäuse und den nachgeschalteten Rohrleitungen führen. Abbildung 2 zeigt Kavitationsschäden in Form von kleinen Vertiefungen, die Korrosionsschäden in den Kegeln der Absperrventile sehr ähnlich sind.

Kavitation hat neben Korrosion und Erosion weitere negative Auswirkungen:

• Lautes Geräusch
• Starke Vibration
• Drosselung des Durchflusses durch Dampfbildung
• Ändern der Flüssigkeitseigenschaften
• Anlage abgeschaltet

MESSUNG DER KAVITATIONSSCHÄRFE

Die Kavitationsstärke wird durch den Hohlraumindex gemessen, der durch diese Formel berechnet wird:

Die Schwere und Ausdehnung der Kavitation für die Ventile basierend auf Hohlraumindexwerten ist in Tabelle 1 angegeben.

Abbildung 3 zeigt das Ergebnis des Durchflusstests und die Entwicklung des Kavitationskoeffizienten für Ventile mit Vierteldrehung, einschließlich Kugel-, Absperrklappen- und Kegelventilen.

Das Kavitationsrisiko hängt nicht nur vom Kavitationsindex ab, sondern wird auch vom Öffnungsprozentsatz des Ventils beeinflusst. Tatsächlich erhöht ein geringeres Öffnen des Ventils die Wahrscheinlichkeit von Kavitation. Es gibt noch weitere Parameter, die die Kavitation beeinflussen:

1. Ventilgröße: Größere Ventilgrößen erhöhen das Kavitationsrisiko.
2. Druckklasse: Ventile in höheren Druckklassen haben die Möglichkeit eines höheren Druckabfalls und Kavitationsrisikos.
3. Material: Härtere Materialien wie 22Cr-Duplex haben ein geringeres Kavitationsrisiko im Vergleich zu weicheren Materialien wie austenitischen Edelstählen. Darüber hinaus haben harte Verkleidungsmaterialien wie Stellite 6 (UNS R30006) oder Stellite 21 als Massiv- oder Überzugsform und martensitische 13Cr-Edelstähle wie UNS S41000 oder 415000 eine höhere Beständigkeit gegen Kavitation.
4. Leckage: Leckage am Ventilsitz bei geschlossenem Ventil erhöht das Kavitationsrisiko.
5. Strömungsregime: Turbulente und hohe Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen das Kavitationsrisiko.
6. Trimming-Design: Beispielsweise erzeugt ein mehrstufiges Trimming-Design einen Druckabfall in zwei oder mehr Stufen, um einen hohen Druckabfall in einer Stufe zu vermeiden. Der andere Vorteil des mehrstufigen Trimming-Designs besteht darin, dass ein hoher Druckabfall von den Sitz- und Kegeldichtungsbereichen weg vorhanden ist.

VORGESCHLAGENE LÖSUNGEN

Um Kavitation zu vermeiden, gibt es verschiedene Ansätze. Dazu gehören der Austausch des Ventils und die Reduzierung der Auswahl an Durchgangsventilen. Andere Lösungen befassen sich mit der Auswahl des robusteren Durchgangsventils.

Neuer Standard

Die erste Ausgabe des American Petroleum Institute (API) 623, veröffentlicht im Jahr 2013, enthält Anforderungen an Absperrventile zur Vermeidung von Leckagen, Vibrationen und Kavitation. Die Norm API 623 spezifiziert eine Panzerung sowohl für Sitz und Kegel als auch für die geführte Scheibe, insbesondere für Hochdruckklassen. Der in API 623 spezifizierte Schaftdurchmesser folgt den Grundsätzen des API 600-Standards für Absperrschieber aus Stahlguss mit unterschiedlichen Werten. Die Spindeldurchmesserwerte in API 623 sind größer als andere Absperrventilnormen, einschließlich BS 1873, um Brüche wie eine Trennung von Spindel und Kegel zu vermeiden. Diese Norm deckt Ventile mit Durchmessern von 2- bis 24- Zoll und Druckklassen von 150 bis 2500 ab. Stellit ist eine Kobalt-Chrom-Legierung, die häufig zum Aufpanzern der Innenkomponenten von Kugelventilen einschließlich des Sitzes verwendet wird und Stopfen, um Erosion und Kavitation zu verhindern.

Alternative Ventilauswahl

Abbildung 5

Absperrventile vom Y-Typ (auch Schrägventile genannt) und Axialventile (Abbildung 4 und 5) sind alternative Ventiltypen, die zur Vermeidung von Erosion und Kavitation verwendet werden können. Der Strömungsweg im Y-förmigen Absperrventil ist gerader als beim geraden Absperrventil.

Axialventile als neue Generation von DAGO-Sitzventilen haben viele Vorteile wie geringer Druckabfall, schnelle Schließ- und Öffnungsgeschwindigkeit, ruhige Strömungscharakteristik, niedriges Betätigungsdrehmoment und lange Lebensdauer. Allerdings sind Axialventile und Y-Ventile in Bezug auf die Kosten des Aufwands (CAPEX) teurer als Durchgangsventile. Darüber hinaus können Absperrklappen anstelle von Kugelventilen die bevorzugte Wahl für die Drosselung in Versorgungseinrichtungen wie Wasser sein. Ein Grund für die Auswahl von Absperrklappen anstelle von Absperrventilen für die Drosselung in Meerwasseranwendungen ist, dass Absperrklappen weniger kostspielig sind, obwohl im Inneren der Absperrklappen wie bei Absperrventilen Kavitation auftreten kann.

FAZIT

Kavitation ist das Hauptbetriebsproblem bei konventionellen Kugelventilen vom T-Typ. Die Auswahl harter Innengarnituren wie Stellite, die Verwendung von Anti-Kavitations-Innengarnituren wie der mehrstufigen Ausführung und die Anwendung des API 623-Standards werden für die Konstruktion von Absperrventilen vom T-Typ (DAGO) empfohlen. Die Auswahl von Ventilen wie Y-Hubventilen (DAGO) oder Axialventilen kann jedoch auch eine gute Lösung sein, um das Kavitationsrisiko zu verringern oder zu vermeiden.