Почему стальную клиновую задвижку заклинивает после остывания трубопровода

Задвижку закрыли на горячем трубопроводе, линия остыла, и открыть ее вручную не удается. Явление называют термическим заклиниванием. Причина в том, что корпус и клин остывают и сжимаются неодинаково, и клин оказывается зажат между седлами с усилием, которого при закрытии не было.

Механизм

В горячем состоянии корпус расширен, расстояние между седлами увеличено. Клин при закрытии опускается до плотного контакта с седлами именно в этом расширенном корпусе.

Затем линия остывает. Корпус и клин охлаждаются с разной скоростью: стенки отдают тепло наружу быстрее, чем клин внутри. Седла сближаются и обжимают клин.

Клин имеет малый угол наклона уплотнительных поверхностей. Благодаря этому небольшое осевое усилие шпинделя создает большое усилие прижатия к седлам. Обратная сторона того же свойства: малое сближение седел создает огромную силу зажатия.

Порядок величин

Коэффициент линейного расширения углеродистой стали около 12 · 10?? на градус.

Задвижку закрыли при 320 °C, линия остыла до 20 °C. Перепад 300 градусов. Расстояние между седлами у задвижки DN 100 примем равным 60 мм. Оно сокращается на 60 · 12 · 10?? · 300 = 0,22 мм.

Клин сжимается с опозданием и неравномерно. Нескольких сотых миллиметра натяга на жестком клине достаточно, чтобы момент отрыва превысил момент закрытия в несколько раз.

Что усиливает эффект

• Жесткий клин. Цельная отливка не может деформироваться и принять новый зазор.
• Закрытие с большим усилием. Чем сильнее затянут клин в горячем состоянии, тем выше натяг после остывания.
• Быстрое остывание. Тонкие стенки корпуса охлаждаются раньше клина.
• Высокая температура закрытия.

Как избежать заклинивания

Конструктивные меры:

• упругий клин. Его диски соединены перемычкой и могут немного сходиться и расходиться, компенсируя деформацию корпуса;
• двухдисковый клин с тем же эффектом;
• для линий, где задвижки регулярно закрывают горячими, упругий клин указывают в заказе как обязательное требование.

Эксплуатационные меры:

• Закрывать с нормальным усилием, без рычагов на маховике.
• Если есть возможность, закрывать после снижения температуры.
• Задвижку, закрытую горячей, в процессе остывания один-два раза слегка приоткрыть и закрыть снова. Клин занимает новое положение, соответствующее остывшему корпусу.
• На электроприводных задвижках настроить отключение на закрытие по моменту с минимальным значением, достаточным для герметичности.

Что делать, если задвижку уже заклинило

Не использовать рычаги и удлинители. Шпиндель рассчитан на определенный момент, и первым разрушается он или ходовая гайка, клин при этом остается на месте.

Правильный способ: прогреть корпус. Температуру поднимают до уровня, близкого к той, при которой задвижку закрыли. Корпус расширяется, седла расходятся, клин освобождается. Греют паром через линию, если это возможно, или внешними нагревателями. Корпус прогревают равномерно, начиная с зоны седел.

После прогрева задвижку открывают штатным маховиком.

Что учесть при заказе

В опросном листе указывают максимальную температуру среды и то, будет ли задвижка закрываться в горячем состоянии. По этим данным завод подбирает тип клина. Стальные клиновые задвижки выпускаются в муфтовом и фланцевом исполнении, включая серии 31с41нж и 31с15нж, с корпусами из углеродистой, легированной и нержавеющей стали.

Марка стали влияет и на само явление. Аустенитная нержавеющая сталь расширяется при нагреве в полтора раза сильнее углеродистой, и задвижки из нее к заклиниванию более склонны.