Svarbiausiose naftos, dujų ir chemijos pramonės vamzdynų sistemose didelio{0}}skersmens, aukšto slėgio{1}}vožtuvuose paprastai yra įtaisytos pavaros, kad būtų galima valdyti nuotoliniu būdu arba atlikti avarinio išjungimo (ESD) funkcijas. Tokiose konfigūracijose yra didžiausia struktūrinė rizika: jei pavaros maksimalus išėjimo sukimo momentas viršija vožtuvo transmisijos komponentų fizines ribas, priverstinis važiavimo bandymas gedimo metu gali sukelti koto lūžį. Dėl šio gedimo režimo vožtuvo -uždarymo galimybė visiškai prarandama. Didžiausias leistinas koto sukimo momentas (MAST) yra galutinė saugos riba, apsauganti nuo tokių katastrofiškų įvykių.
1. MAST apibrėžimas ir projektavimo kriterijai
Didžiausią leistiną koto sukimo momentą (MAST) vožtuvo gamintojas apibrėžia kaip didžiausią sukimo momentą, kuris gali būti taikomas vožtuvo koto eilutei nuo valdymo sąsajos iki uždarymo elemento, išskyrus pavarą ir pavarų dėžę, nesukeliant nuolatinės deformacijos ar konstrukcijos gedimo.
Pagrindinis projektavimo principas diktuoja griežtą suderinimo logiką: maksimalus sukimo momentas, kurį sukuria pavara, esant vardinėms maksimalioms sąlygoms, jokiame eigos taške neturi viršyti vožtuvo MAST nominalo.
Nors rankiniu būdu valdomi vožtuvai retai susiduria su šia perkrovos rizika dėl žmogaus fizinių apribojimų, varomos pavaros dažnai parenkamos su didelėmis saugos ribomis, kad būtų užtikrintas patikimumas avarinių situacijų metu. Be griežto MAST patikrinimo, pavaros maksimali išėjimo galia gali lengvai viršyti stiebo mazgo konstrukcinį stiprumą ir sukelti paslėptą pavojų saugai.
2. Įtempių ribos ir skaičiavimo pagrindas
MAST skaičiavimai griežtai atitinka tarptautinius standartus, tokius kaip ASME kodai ir API/ISO specifikacijos, o leistini įtempiai nustatomi iš medžiagos takumo stiprumo (YS):
Pagrindinis leistinas stresas (Sm):Paprastai nustatoma 2/32/3 medžiagos takumo ribos.
Sukimo šlyties įtempis:Kietoms apskritoms stiebo sekcijoms didžiausias pagrindinis šlyties įtempis ribojamas iki 0,53 × YS .
Grynas šlyties įtempis:Sudedamųjų dalių, kurios pirmiausiai veikiamos šlyties apkrovos, pvz., raktų ir kirpimo žiedų, vidutinis pagrindinis šlyties įtempis turi būti mažesnis nei 0,4 × YS .
3. Kritinių perdavimo grandinės atkarpų įvertinimas
Vožtuvo koto sistema nėra vienalytė struktūra; jo apkrova-nustatoma pagal kelių pagrindinių skerspjūvių stiprumą. Inžinerinei analizei reikalingas atskiras šių keturių kritinių sričių patikrinimas, o galutiniam sistemos MAST įvertinimui taikoma mažiausia apskaičiuota vertė iš jų:
Viršutinė dviguba{0}}rakto sekcija:Turi būti atsižvelgiama į pjūvio sumažinimą ir įtempių koncentraciją, kurią sukelia raktų grioveliai, dažnai apskaičiuojami naudojant Roarko formules.
Vidurinis apskritas skyrius:Įvertinta pagal standartines kietųjų velenų sukimo lygtis; ši sekcija paprastai turi didelę saugos ribą.
Apatinis stačiakampis / kvadratinis disko galas:Kaip sąsaja, tiesiogiai susijusi su uždarymo elementu, ši sekcija pasižymi sudėtinga geometrija ir koncentruotais įtempimais, kurie dažnai yra silpniausia perdavimo grandinės grandis.
Vairavimo raktas:Įvertinta pagal raktui būdingą šlyties apkrovą.
Be to, turi būti patikrintas kontaktinis slėgis tarp rakto ir rakto griovelio bei tarp pavaros galo ir rutulio lizdo, kad būtų išvengta suspaudimo gedimų.
4. Atvejo analizė: kritinio gedimo režimo nustatymas
Atvejis, susijęs su 30- colių 1500 klasės viršutinio įėjimo rutuliniu vožtuvu, sumontuotu jūroje esančioje žalios naftos eksporto linijoje ESD paslaugai, iliustruoja tipišką rizikos scenarijų.
Veikimo parametrai:
Reikalingas maksimalus sukimo momentas: ~110 016 Nm.
Pavaros pasirinktas sukimo momentas (su 2x saugos koeficientu): 220 032 Nm.
Koto medžiaga: ASTM A182 F6NM (13% Cr), išeiga 517 MPa.
Stiprumo patikrinimo rezultatai:
Viršutinė raktų griovelio sekcija (MC1): 270 555 Nm
Vidurinė apskrita sekcija (MC2): 1 452 191 Nm
Apatinis stačiakampis pavaros galas (MC3): 191 874 Nm
Pavaros rakto sekcija (MC4): 935 433 Nm
Rizikos analizė:
Analizė atskleidė, kad apatinio stačiakampio pavaros galo apkrovos riba (191 874 Nm) buvo mažesnė nei pavaros maksimalus išėjimo sukimo momentas (220 032 Nm). Nors saugu normaliai eksploatuojant, gedimo sąlyga, dėl kurios vožtuvas užsikimšęs, pavara gali veikti visą jėgą. Kadangi taikomas sukimo momentas (220 032 Nm) viršija komponento ribą (191 874 Nm), apatinis pavaros galas nutrūktų, todėl avarinio išjungimo funkcija neveiktų.
5. Techninės švelninimo strategijos
Siekiant pašalinti apatinės pavaros dalies stiprumo trūkumą, naudojami du pagrindiniai inžineriniai sprendimai:
A strategija: geometrinis optimizavimas
Padidinus apatinio stačiakampio pavaros galo skerspjūvio plotą- (pvz., padidinus matmenį nuo 600 mm iki 700 mm), padidėja jo polinis inercijos momentas. Perskaičiavimas rodo, kad šis pakeitimas padidina šios sekcijos MAST iki 223 853 Nm, šiek tiek viršijant maksimalią pavaros galią ir tenkinant konstrukcijos reikalavimus. Šis metodas yra ekonomiškas-, tačiau reikia patvirtinti gamybos leistinus nuokrypius ir montavimo galimybes.
B strategija: medžiagų atnaujinimas
Atnaujinus stiebo medžiagą iš ASTM A182 F6NM į didelio -stiprumo nikelio- lydinį, takumo riba padidėja nuo 517 MPa iki 896 MPa. Šis medžiagos patobulinimas padidina apatinės pavaros dalies MAST iki 332 579 Nm, o tai užtikrina didelę saugos ribą, palyginti su pavaros galia. Be to, tai žymiai pagerina visų kitų perdavimo grandinės sekcijų saugos veiksnius. Nors tai reiškia didesnes medžiagų sąnaudas, tai užtikrina didesnį patikimumą ekstremaliomis eksploatavimo sąlygomis.
Išvada
Projektuojant ir parenkant didelio{0}}skersmens, aukšto slėgio{1}}vožtuvus, griežtas MAST patikrinimas yra privalomas, ypatingą dėmesį skiriant struktūrinėms silpnoms vietoms, pvz., apatinei pavaros pusei. Kai didžiausias pavaros mechanizmo išėjimo sukimo momentas viršija stiebo apkrovą-, inžinieriai turėtų teikti pirmenybę geometriniam optimizavimui. Jei struktūriniai apribojimai neleidžia keisti matmenų, būtina atnaujinti medžiagos klasę. Šios priemonės užtikrina vožtuvo perdavimo grandinės struktūrinį vientisumą ir funkcinį patikimumą gedimo sąlygomis, užkertant kelią katastrofiškam koto gedimui.
