uszczelnienia kurków kulowych w wysokociśnieniowych sieciach gazowniczych
Sieć przesyłowa gazu ziemnego jest w znacznym stopniu siecią podziemną, z posadowieniem na głębokości większej niż głębokości przemarzania, czyli ok 1,2 m pod poziomem gruntu. Armatury odcinające kurki kulowe są elementami gazociągu również w zabudowie podziemnej jak sam gazociąg, łączone najczęściej z rurociągiem procesem spawania. Koszty wymiany kurków kulowych na gazociągach znacznie przewyższają koszt samego kurka kulowego. Z tego też względu nowoczesne konstrukcje kurków opracowane przez czołowych producentów posiadają zabezpieczenia szczelności poprzez:
Zapewnienie szczelności poprzez uszczelki kuli i czynniki wpływające na ich dobór wyjaśniamy w artykule uszczelki kurków kulowych w sieciach gazowniczych.
Duble Piston Effect
Dwustronne uszczelnienie (DPE) to konstrukcja pozwalająca na podwójne uszczelnienie kuli na uszczelce 1 i 2 z ciśnieniem działającym z tej samej strony zgodnie z przepływem.
Na pierwszej uszczelce działać będą siły (patrz oznaczenia na rys. 2
F1=p1 * (A²- D²) * PI/4 i przeciwdziałająca siła G1=p1 * (S²- D²) * PI/4, ponieważ ciśnienie jest równe, a powierzchnie (A²- D²) są większe niż powierzchnie (S²- D²) to F1>G1, czyli siła docisku uszczelki zapewnia szczelność połączenia. Na drugiej uszczelce działają siły F2=p1 * (L²-S²) * PI/4 i przeciwdziałająca siła G2=p2 * (L²-B²) * PI/4 w przypadku równych ciśnień p1= p2, oraz powierzchni (L²-S²) większych od powierzchni (L²-B²), siy F2>G2 czyli siła docisku uszczelki zapewnia szczelność połączenia, a w przypadku gdy kurek jest zamknięty i ciśnienie p1>p2 to siła docisku F2>>G2.
Rys 2 Rozkład sił docisku uszczelnienia na lewym (wejściowym) i prawym (wyjściowym) pierścieniu uszczelniającym.
Zasada DPE zapewnia szczelność kurka kulowego w przypadku uszkodzenia uszczelki wejściowej (lewej). Tym samym pewność zamknięcia kurka wzrasta dwukrotnie gdyż uszkodzenie uszczelki zasadniczej nie wpływa na szczelność kurka kulowego.
Duble Block and Bleed
Konstrukcja zapewniająca odwodnienie i odpowietrzenie przestrzeni między kulą a korpusem w pozycji kurka otwarty i zamknięty, oraz możliwość montażu kurka w dowolnej pozycji bez zachowania zaznaczeń kierunku przepływu. Konieczność podwójnego zapewnienia szczelności wynika z wymagań API 6D sekcja 5.
System dekompresji pierścienia uszczelniającego
W przypadkach pracy kurka kulowego w gazociągach wysokiego ciśnienia w warunkach zagazowywania gazociągu lub po operacjach eksploatacyjnych odwodnienia i odgazowania istnieje taka sytuacja złe rozkład ciśnienń kształtuje sił jak niżej:
ciśnienie na wejściu - A np. 10Mpa
ciśnienie w przestrzeni kula-korpus - B = 0 Mpa
ciśnienie na wyjściu - C = 0 Mpa
Przy takim rozkładzie ciśnień przy otwieraniu kurka (obrót kuli) mamy niewielką szczelinę przez którą przepływa gaz z ogromną prędkością. Szybkość przepływu gazu może powodować wyrwanie uszczelek niemetalowych szczególnie w miejscach określanych tarczą zegarową - godziny trzeciej i dziewiątej. Dla eliminacji tego zjawiska w pierścieniu uszczelniającym wykonywane są otwory dekompresyjne wiercone w taki sposób aby skierować dodatkowy strumień gazu nad uszczelką w celu dociskania jej do pierścienia z którego stara się ją wyrwać główny strumień przepływu. W kurkach kulowych dużych średnic (DN>400) taki sposób dekompresji może byś niewystarczający i wtedy dodatkowo stosowane są instalacje buy-paas otwierane dla zagazowania przestrzeni kula-korpus oraz dodatkowego obniżenia prędkości przepływu w czasie początku obrotu kuli na otwarcie.
- zastosowanie podwójnych (miękkie+metal; metal+metal) lub potrójnych (miękkie+metal+pasta) uszczelek kuli;
- konstrukcje umożliwiającą dwustronne uszczelnienie (Duble Piston Effect);
- konstrukcje pierścieni uszczelniających zapewniającą możliwość dwustronnego uszczelnienia (Duble Block and Bleed).
- Pierścienie uszczelniające z systemem dekompresji
Zapewnienie szczelności poprzez uszczelki kuli i czynniki wpływające na ich dobór wyjaśniamy w artykule uszczelki kurków kulowych w sieciach gazowniczych.
Duble Piston Effect
Dwustronne uszczelnienie (DPE) to konstrukcja pozwalająca na podwójne uszczelnienie kuli na uszczelce 1 i 2 z ciśnieniem działającym z tej samej strony zgodnie z przepływem.
Na pierwszej uszczelce działać będą siły (patrz oznaczenia na rys. 2
F1=p1 * (A²- D²) * PI/4 i przeciwdziałająca siła G1=p1 * (S²- D²) * PI/4, ponieważ ciśnienie jest równe, a powierzchnie (A²- D²) są większe niż powierzchnie (S²- D²) to F1>G1, czyli siła docisku uszczelki zapewnia szczelność połączenia. Na drugiej uszczelce działają siły F2=p1 * (L²-S²) * PI/4 i przeciwdziałająca siła G2=p2 * (L²-B²) * PI/4 w przypadku równych ciśnień p1= p2, oraz powierzchni (L²-S²) większych od powierzchni (L²-B²), siy F2>G2 czyli siła docisku uszczelki zapewnia szczelność połączenia, a w przypadku gdy kurek jest zamknięty i ciśnienie p1>p2 to siła docisku F2>>G2.
Rys 2 Rozkład sił docisku uszczelnienia na lewym (wejściowym) i prawym (wyjściowym) pierścieniu uszczelniającym.
Zasada DPE zapewnia szczelność kurka kulowego w przypadku uszkodzenia uszczelki wejściowej (lewej). Tym samym pewność zamknięcia kurka wzrasta dwukrotnie gdyż uszkodzenie uszczelki zasadniczej nie wpływa na szczelność kurka kulowego.
Duble Block and Bleed
Konstrukcja zapewniająca odwodnienie i odpowietrzenie przestrzeni między kulą a korpusem w pozycji kurka otwarty i zamknięty, oraz możliwość montażu kurka w dowolnej pozycji bez zachowania zaznaczeń kierunku przepływu. Konieczność podwójnego zapewnienia szczelności wynika z wymagań API 6D sekcja 5.
System dekompresji pierścienia uszczelniającego
W przypadkach pracy kurka kulowego w gazociągach wysokiego ciśnienia w warunkach zagazowywania gazociągu lub po operacjach eksploatacyjnych odwodnienia i odgazowania istnieje taka sytuacja złe rozkład ciśnienń kształtuje sił jak niżej:
ciśnienie na wejściu - A np. 10Mpa
ciśnienie w przestrzeni kula-korpus - B = 0 Mpa
ciśnienie na wyjściu - C = 0 Mpa
Przy takim rozkładzie ciśnień przy otwieraniu kurka (obrót kuli) mamy niewielką szczelinę przez którą przepływa gaz z ogromną prędkością. Szybkość przepływu gazu może powodować wyrwanie uszczelek niemetalowych szczególnie w miejscach określanych tarczą zegarową - godziny trzeciej i dziewiątej. Dla eliminacji tego zjawiska w pierścieniu uszczelniającym wykonywane są otwory dekompresyjne wiercone w taki sposób aby skierować dodatkowy strumień gazu nad uszczelką w celu dociskania jej do pierścienia z którego stara się ją wyrwać główny strumień przepływu. W kurkach kulowych dużych średnic (DN>400) taki sposób dekompresji może byś niewystarczający i wtedy dodatkowo stosowane są instalacje buy-paas otwierane dla zagazowania przestrzeni kula-korpus oraz dodatkowego obniżenia prędkości przepływu w czasie początku obrotu kuli na otwarcie.