Почему разрушился обратный клапан

Почему разрушился обратный клапан

Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия:

В. С. Репях, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов, канд. техн. наук, эл. почта: podval2004@mail.ru
В. М. Кушнаренко, профессор кафедры механики материалов, конструкций и машин, докт. техн. наук, эл. почта: vmkushnarenko@mail.ru
Ю. А. Чирков, профессор кафедры механики материалов, конструкций и машин, докт. техн. наук, эл. почта: chirkov_ura@mail.ru
С. В. Бойко, директор Инжинирингового центра, доцент, канд. техн. наук, эл. почта: boikosv61@mail.ru

Представлены результаты исследований по определению причин разрушения корпуса обратного клапана. Проведен анализ изломов, полученных в результате образования трещин на корпусе обратного клапана, с определением очага разрушения. На основе данных технологической документации на обратный клапан выполнен анализ процесса изготовления, режимов термической обработки и механических свойств материала корпуса обратного клапана. В процессе исследований определены возможные дефекты, полученные как в результате работы клапана, так и при изготовлении в результате термической обработки материала корпуса клапана, рассмотрены микроструктура основного металла корпуса клапана, результаты механических испытаний, причины разрушения. В элементах конструкций колонны насосно-компрессорных труб встречаются дефекты, вызывающие их отказы. Например, излом тела трубы или ниппельного конца возникает при коррозионно-сорбционном растрескивании стали, сульфидном растрескивании в сероводородсодержащей водной среде; нарушение сплошности стенки — при коррозионно-сорбционном механическом износе; нарушение витков резьбы — при фреттинг-коррозии и растрескивании стали; сужение внутреннего сечения — при образовании твердых отложений. В результате металлографических исследований выявлены микротрещины как в поверхностных слоях, так и в срединном слое металла корпуса клапана. Режим термообработки металла корпуса обратного клапана и рабочие нагрузки в условиях сложного напряженного состояния существенно влияют на концентрацию напряжений в области впадин резьбы и коррозионных язв металла корпуса обратного клапана, что даже при непродолжительном воздействии наводороживающей сероводородсодержащей рабочей среды приводит к развитию микротрещин и разрушению металла корпуса обратного клапана.

1. Гилин А. Н., Попов А. В., Пепеляев Д. В. Повышение надежности и расширение функционала оборудования «Установка насосная устьевая для поддержания пластового давления» // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования. 2019. Т. 1. С. 296–308.
2. Гуляев А. П. Материаловедение. — М. : Металлургия, 1977. — 648 с.
3. Узяков Р. Н., Кушнаренко В. М., Репях В. С., Чирков Ю. А. Влияние твердости на сероводородное растрескивание сталей // Вестник ОГУ. 2014. № 10 (171). С. 194–198.
4. Ziaei S. M. R., Kokabi A. H., Nasr-Esfehani M. Sulfide stress corrosion cracking and hydrogen induced cracking of A216-WCC wellhead flow control valve body // Case Studies in Engineering Failure Analysis. 2013. Vol. 1, Iss. 3. P. 223–234.
5. Wang T., Zhang H., Liang W. Hydrogen embrittlement fracture mechanism of 430 ferritic stainless steel: The significant role of carbides and dislocations // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 829, Iss. 11. 142043.
6. Dehnavi F., Eslami A., Ashrafizadeh F. A case study on failure of superheater tubes in an industrial power plant // Engineering Failure Analysis. 2017. Vol. 80. P. 368–377
7. Que Z., Ahonen M., Virkkunen I., Nevasmaa P., Rautala P., Reinvall H. Study of cracking and microstructure in Co-free valve seat hardfacing // Nuclear Materials and Energy. 2022. Vol. 31. 101202.
8. РД 50-672–88. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов. — М. : Госстандарт, 1989. — 22 с.
9. Фрактография и атлас фрактограмм / Справ. изд. пер. с англ. / Под ред. Дж. Феллоуза. — М. : Металлургия, 1982.
10. ГОСТ 18895–97. Сталь. Метод фотоэлектрического спектрального анализа. — Введ. 01.01.1998.
11. ГОСТ 9013–59. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Роквеллу. Шкалы А, В и С. — Введ. 01.01.1969.
12. СТП 26.260.484–2004. Термическая обработка коррозионностойких сталей и сплавов на железоникелевой основе в химическом машиностроении.
13. ГОСТ 5632–2014. Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. — Введ. 01.01.2015.
14. ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-3:2015. Нефтяная, нефтехимическая и газовая промышленность. Материалы для применения в средах, содержащих сероводород, при добыче нефти и газа – Часть 3: CRA (коррозионностойкие сплавы) и другие сплавы, стойкие к растрескиванию.
15. ГОСТ 1778–70. Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений. — Введ. 01.01.1972.
16. Мелехова Г. К. Коррозионные стали и сплавы для оборудования и трубопроводов АЭС. — Киев : Наукова думка, 1983. — 738 с.
17. ГОСТ Р 54918–2012 (ISO/TR 10400:2007). Трубы обсадные, насосно-компрессорные, бурильные и трубы для трубопроводов нефтяной и газовой промышленности. Формулы и расчет свойств. — Введ. 01.10.2013.
18. ГОСТ 25054–81. Поковки из коррозионностойких сталей и сплавов. Общие технические условия. — Введ. 01.01.1983.
19. Кушнаренко В. М., Чирков Ю.А., Полищук В. Ю., Репях В. С. Физическая природа разрушения : учебное пособие. — Оренбург : ОГИМ, 2014. — 369 с.
20. Кушнаренко В. М., Репях В. С., Чирков Е. Ю., Кушнаренко Е. В. Дефекты и повреждения деталей и конструкций : монография. — Оренбург : ООО «Руссервис», 2012. — 531 с.

Как проверить обратный клапан и принцип его действия

Обратный клапан — это элемент запорной трубопроводной арматуры, предназначенный для перекрытия потока рабочей среды в случае её движения в обратную сторону.

Принцип действия обратного клапана довольно прост и основан на автоматическом перекрытии проходного отверстия клапана при помощи запорного элемента. Это может быть затвор, диск, захлопка.

Когда движения рабочей среды в трубопроводе отсутствует, то запорный элемент плотно прижат к выступающим элементам внутри корпуса обратного клапана. Как только в трубопроводе появится движение рабочей среды, то она начнет давить на затвор и оттолкнет его, открыв таким образом проход для дальнейшего движения.

При прекращении движения среды по трубопроводу, запирающий элемент снова вернется в своё исходное положение под действием пружины или собственной силы тяжести. Движение рабочей среды в обратном направлении еще сильнее прижмет запирающий элемент к выступающим элементам корпуса (седлу) затвора. Таким образом обратный клапан закрывается.

Проверка работоспособности обратного клапана

Перед монтажом обратного клапана на трубопровод необходимо проверить его работоспособность и функциональность. Проверить работу клапана совсем не сложно- для этого необходимо лишь повернуть ручку или рычаг в сторону (в соответствии с инструкцией, прилагаемой к клапану), в результате будет подача рабочей среды. Производить подобные проверки необходимо периодически.

Некорректно работает обратный клапан. Что делать?

В случае выявления некорректной работы клапана необходимо:

• Установить причину неправильной работы клапана;
• Проверить все элементы конструкции для выявления причины, поскольку все онивзаимосвязаны между собой;
• Если причину поломки определить не удалось, то необходимо заменить непригодный обратный клапан на новый.Стоимость обратного клапана не высока и позволяет в любой момент заменить его на новый.

Для приобретения нового клапан необходимо знать модель старого обратного клапана. Или хотя бы надо узнать максимальное давление транспортируемой рабочей среды. Это просто узнать. Оно указано в сопроводительной документации и маркируется на корпусе самого клапана.

Основные причины поломки обратного клапана

Несколько причин, которые приводят обратный клапан в нерабочее состояние:

• Повышенное давление рабочей среды в системе, что приводит к подтеканию обратного клапана;
• Механический износ деталей клапана в процессе долговременной эксплуатации;
• Попадание грязи различных примесей, которые содержатся в рабочей среде и накипи, из-за чего закупоривается механизм обратного клапана.

Инструменты, которые необходимые для проверки клапана и выявления причины поломки:

• электронный тестер;
• ключ разводной, торцевой;
• нож;
• набор накидных ключей и отверток;
• силиконовый шланг.

Также необходимо удостовериться в правильности монтажа обратного клапана. На трубопровод он должен устанавливаться так, чтобы стрелка на корпусе совпадала с направлением движения рабочей среды.

Основные проблемы работоспособности обратного клапана

Самыми распространенными проблемами обратных клапанов можно назвать следующие:

• Обратный клапан стал пропускать рабочую среду. Это происходит по причине того, что он забился накипью, грязью и разными примесями из рабочей среды.
• Клапан начинает подтекать при прохождении через него холодной воды. Это является результатом повышения давления в системе.
• Течь из-под крышки клапана. Для исправления данной проблемы необходимо снять крышку клапана и определить место протечки.

Помимо этого, проблема с работоспособностью может быть вызвана некорректной установкой обратного клапана на трубопроводе.

Чтобы монтаж обратного клапана был произведен правильно необходимо выполнить следующие действия:

• Ознакомиться с инструкцией и точно следовать написанному в ней;
• Проверить давление рабочей среды в системе;
• Проверить ещё раз правильность установки обратного клапана так, чтобы стрелка на корпусе совпадала с направлением движения рабочей среды.
• Проверить все взаимосвязанные детали механизма перед его запуском чтобы не допустить ошибки.

Проверка правильной установки обратного клапана является обязательной, не следует ей пренебрегать. Монтировать и демонтировать обратный клапан на трубопровод необходимо при помощи специального инструмента. Так же периодически требуется менять старый обратный клапан на новой. В случае замены необходимо приобретать равноценный или лучший по характеристикам клапан. Экономить на этом не стоит, так как некорректная работа обратного клапана с большой вероятностью может привести к поломке всей системы. А стоимость самого обратного клапана не очень высокая.

Как проверить обратный клапан?

А как проверить механизм и понять, что он корректно функционирует? Большинство обратных клапанов сделаны так, чтобы их можно было проверить. Что интересно – возможность самостоятельно проверить – один из пунктов в руководстве пользователя большей части устройств.

Чтобы понять, как функционирует обратный клапан, нужно всего лишь взять и повернуть его рычаг в нужную сторону (как именно, можно найти в инструкции), результатом будет подача воды. Делать подобные проверки нужно периодически, тогда, если и случится поломка, вы сможете вовремя о ней узнать.

Важно! Если производите установку обратного клапана самостоятельно, внимательно изучите инструкцию, там обычно описаны все нюансы монтажа.

В любом случае, перед вводом в эксплуатацию арматуры необходимо обратить внимание на характеристики изделия, а также температуру, давление и направленность рабочей среды, а также не пренебрегать правилами техники безопасности. Не лишним будет установить изоляцию, а также сигнальные указания.

Если устройство некорректно работает, требуется:

1. Немедленно выяснить причину;
2. Понимать, что все части системы нужно проверить, так как они связаны друг с другом;
3. Помнить, что обратный клапан стоит недорого и, если причину поломки не определить, то лучше приобрести новый.

Для того, чтобы купить новый обратный клапан, требуется знать модель устройства, или хотя бы рабочее давление, с которым он работает. Это просто узнать – они есть в руководстве пользователя или на самом устройстве.

Причины поломки обратных клапанов

Как у любого механизма, причины неисправности обратных клапанов могут быть разными:

1. Если давление воды становится очень высоким, то клапан может начать подтекать;
2. Обратные клапаны могут портиться в процессе использования.
3. Бывает, в механизм попадает грязь и накипь;

Есть нюанс в установке обратного клапана – следует проверить, чтобы он был установлен вертикально.

Предотвращение поломки и что нужно для этого:

Если Вы обладатель системы с обратным клапаном, то вам нужно будет уметь проверить корректность его работы. Для этого нужны следующие вещи:

• электронный тестер;
• разводной ключ;
• силиконовый шланг;
• набор накидных ключей;
• нож;
• торцевой ключ;
• отвертки.

Распространенные проблемы с обратным клапаном

• Клапан перестает пропускать воду. Причина – в механизме появляется накипь и грязь
• Клапан может подтекать, когда через него течет холодная вода. Это происходит из-за высокого давления
• Вода может течь из-под нижней крышки клапана. Нужно снять крышку и понять, откуда именно течет.

Итак, на что все-таки стоит обратить внимание при установке обратного клапана и как проверить, правильно ли произведен монтаж:

• Ознакомиться с инструкцией и делать только так, как в ней написано.
• Проверить давление воды в механизме;
• Проверить, вертикально ли установлен обратный клапан, так, чтобы стрелка смотрела вверх;
• Перед запуском механизма проверить все взаимосвязанные детали, чтобы исключить ошибку.
• По возможности изолировать механизм таким образом, чтобы грязь не попадала внутрь;
• Вам следует приобрести нужный набор инструментов для корректного монтажа.

Периодически следует менять старый обратный клапан на новый. На этом не стоит экономить, так как работа обратного клапана, который некорректно функционирует, может обойтись очень дорого, вплоть до покупки нового прибора.

Итак, проверка корректности установки обратного клапана является обязательной, ею не следует пренебрегать, так как это может иметь негативные последствия для вас.

ПРОСТАЯ ПРИЧИНА СЛОЖНЫХ ПРОБЛЕМ. НЕИСПРАВНОСТЬ ОБРАТНЫХ КЛАПАНОВ — ПРИЧИНА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ И ПОВРЕЖДЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Банки, вузы, спорткомплексы, торговые центры и другие предприятия и организации, не имеющие постоянных квалифицированных ремонтников, способных качественно наблюдать за эксплуатацией и, при необходимости, исправить насосный агрегат, регулярно обращаются к нам с типичными жалобами: течет уплотнение вала насоса, шумят подшипники электродвигателей. Бывает, что дренажный насос перестает откачивать (а это обычно подвал), из-за чего помещение насосной со всем оборудованием оказывается затопленным.

Причиной перечисленных неприятностей часто является повреждение (засорение, «зависание») обратных клапанов, устанавливаемых между нагнетательными патрубками насосов и задвижками на нагнетании. При штатном или случайном отключении электроэнергии обратный клапан должен закрываться и препятствовать обратному потоку жидкости из нагнетательной части установки на всасывание.

Однако, при эксплуатации и ремонте насосов обратным клапанам редко уделяется внимание.

В современных установках отопления, кондиционирования, горячего водоснабжения, подпитки систем предусматривается, как минимум, один насос рабочий, а второй резервный. Причем, автоматика периодически их поочередно запускает и отключает. При отключении насоса должен закрываться обратный клапан. Обслуживающий персонал обычно оценивает исправность работы насоса по включению сигнальных ламп и по шуму агрегата. И если из уплотнения вала насоса нет серьезных утечек, агрегат считается исправным. А про обратный клапан никто и не вспоминает.

Между тем, постепенно и в зависимости от загрязнения перекачиваемой жидкости в подвижных сочленениях обратных клапанов накапливаются грязь и продукты коррозии. Клапан теряет подвижность и плотно не закрывается («зависает»). До тех пор, пока насос с таким клапаном подает жидкость по назначению, заметных проблем не возникает. Но при выводе насоса в резерв и запуске соседнего насоса часть жидкости, проходящей через включенный насос, поступает не по назначению, а через остановленный насос сливается из нагнетательной трубы на всасывание.

В нашей практике часто встречаются ситуации, когда обратный поток через резервный насос настолько велик, что ротор насоса, у которого отключен электродвигатель, интенсивно вращается в обратную сторону. Причем, внешне это не заметно и дежурный персонал этого не замечает. Понятно, что в систему по назначению поступает меньше жидкости, что чревато нарушением технологии. При автоматическом, очередном запуске насоса с «зависшим» обратным клапаном происходит ударное торможение ротора резервного насоса. Особенно это опасно для насосов, у которых проточная часть изготовлена из пластмасс или алюминиевого сплава. И после многократных запусков насосного агрегата с противовращением при очередном ремонте, связанном с заменой торцового уплотнения вала, часто требуется полная замена ротора, что намного удорожает ремонт и продляет его сроки.

Дренажные насосы обычно работают периодически по мере накопления жидкости в сборниках утечек, в которых имеются поплавковые или другие датчики уровня.

Эти насосы перекачивают жидкость с большим количеством абразива, а также с волокнами, обрывками бумаги и другим мусором. Засорение и «зависание» обратных клапанов здесь весьма вероятно. И если не обращать на это внимания, то автоматический запуск агрегата может оказаться бесполезным, т.к. вся откачиваемая жидкость будет сливаться в сборник утечек через резервный насос. Это увеличивает наработку насоса, сокращая его долговечность, в основном, за счет износа торцового уплотнения. Но главное — здесь велика опасность затопления всего помещения.

Тяжелые и даже разрушительные последствия может вызвать «зависание» обратных клапанов насосов водоснабжения и канализации. Подача этих насосов обычно сильно колеблется в течении суток. И эти насосы часто отключают. При этом обычно рекомендуется закрывать задвижки на нагнетании. Однако неопытные операторы часто пренебрегают этими рекомендациями. Тем более, что манипуляции с задвижками на трубопроводе приличного диаметра требуют физических усилий. В итоге, сливу через насос из нагнетательной части установки на всасывание насоса препятствует только обратный клапан. В условиях очистных сооружений и канализационных установок велика опасность засорения шарнирных соединений обратных клапанов. Клапаны «зависают» в частично открытом состоянии.

При отключении насоса вначале жидкость по инерции поступает из всасывающей трубы в нагнетание. Затем этот поток прекращается и начинается обратное течение из нагнетательной трубы через насос на всасывание. Если перепад давления между нагнетательной и всасывающей трубами существенен, а нагнетательный трубопровод довольно длинный, то обратный поток, ускоряясь, резко захлопывает зависший клапан. При этом происходит т.н. гидравлический удар. Это быстрое и значительное повышение давления в нагнетательной трубе. Если труба «старая», а так бывает сплошь и рядом, то может произойти разрыв трубы с последующим затоплением помещения насосной и всех коллекторов, по которым проложен нагнетательный трубопровод. О разрывах труб от гидравлических ударов, размыве дорог и даже человеческих жертвах при этом СМИ сообщают довольно часто.

Основной вывод: приступая к ремонту насосных агрегатов в целях устранения чрезмерных утечек из уплотнений валов, а также для замены изношенных подшипников двигателя или самого насоса (а это основные поводы для ремонта), не забывайте о необходимости ревизии обратных клапанов. Этим вы существенно продлите ресурс агрегатов, увеличите их надежность и сможете избежать больших неприятностей. Это операция лишь немного повысит стоимость обычного ремонта.

Ревизия и ремонт обратных клапанов требуют понимания их роли в установке, некоторых навыков и инструментов.