Eliminatie van hydraulische schokken in terugslagkleppen: diagnose van dichtslaan, analyse van sluitsnelheid en selectie van dempers

1. Beschrijving van het probleem en toepassingsgebied

Hydraulische hamer veroorzaakt door terugslagkleppen is een veel voorkomend en kritisch probleem in industriële leidingsystemen, dat kan leiden tot aanzienlijke mechanische schade, uitval van apparatuur en zelfs catastrofaal falen. Dit fenomeen doet zich voor wanneer de vloeistofstroom in de pijpleiding plotseling van richting verandert en de terugslagklep snel sluit, waardoor een plotselinge druksprong (drukpuls) ontstaat.

Symptomen van hydraulische schokken:

• Kenmerkende geluiden: Scherpe, luide knallen of "knallen" uit de klep of aangrenzende delen van de pijpleiding.
• Trillingen van pijpleidingen: Waarneembare trillingen of beweging van leidingen, vooral wanneer pompen worden gestopt of tijdens snelle veranderingen in de werking.
• Drukschommelingen: scherpe en korte sprongen of drukdalingen geregistreerd door manometers of druksensoren.
• Beschadiging van apparatuur: Vernieling of beschadiging van terugslagkleppen (breuk van schijf, spindel, veer), lekkage van flensverbindingen, vervorming of vernieling van pijpleidingen, schade aan pompen en andere appendages.

Betrokken apparatuurtypen:

Deze handleiding is van toepassing op alle typen terugslagkleppen (lift, roterend, tussenflens, kogel, tweekleppig, axiaal) in vloeistofpompsystemen, zoals:

• Watertoevoer- en afvoersystemen.
• Olie- en gaspijpleidingen.
• Koel- en verwarmingssystemen.
• Chemische en petrochemische industrie.
• Energie installaties.

Classificatie van ernst:

• Kritisch: Onmiddellijk risico op het instorten van pijpleidingen, lekkage van gevaarlijke stoffen, aanzienlijke schade aan pompen of andere dure apparatuur. Vereist onmiddellijke uitschakeling en reparatie.
• Belangrijk: lekkages, schade aan individuele klepcomponenten, verhoogde slijtage leidend tot ongeplande stilstand.
• Klein: Intermitterende geluiden en lichte trillingen zonder zichtbare schade, maar kunnen zich ontwikkelen tot een groot of kritiek probleem.

2. Voorzorgsmaatregelen

LET OP! Voordat u begint met diagnose- of reparatiewerkzaamheden met betrekking tot leidingsystemen waarbij er een risico bestaat op hydraulische schokken, moeten de volgende veiligheidsregels strikt in acht worden genomen:

• Lockout en Tagout (LOTO): Zorg ervoor dat u alle energiebronnen (elektrisch, hydraulisch, pneumatisch) isoleert en spanningsloos maakt voor pompen en kleppen die de stroom in het te onderzoeken gebied regelen. Pas lockout- en tagout-procedures toe in overeenstemming met de interne bedrijfsnormen en de OHSAS 18001- of ISO 45001-vereisten.
• Persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM): Gebruik altijd de juiste PBM: veiligheidsbril, helm, veiligheidshandschoenen, veiligheidsschoenen en gehoorbescherming (oordopjes of koptelefoon) vanwege het hoge geluidsniveau tijdens waterslag.
• Energieopslag: onthoud de opgeslagen energie in pijpleidingen (druk, temperatuur). Zorg ervoor dat het systeem volledig gedecomprimeerd en afgekoeld is tot veilige temperaturen voordat u het demonteert.
• Gevaarlijke vloeistoffen: Volg bij het werken met agressieve, giftige of ontvlambare vloeistoffen speciale veiligheidsprocedures, gebruik geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen en zorg voor voldoende ventilatie.
• Pijpleidingstabiliteit: Vermijd dat u zich in de buurt van niet-ondersteunde delen van de pijpleiding bevindt tijdens potentiële hydraulische schokken, aangezien de beweging van de pijp onvoorspelbaar kan zijn.

3. Noodzakelijke diagnostische hulpmiddelen

Voor een effectieve diagnose van hydraulische schokken zijn gespecialiseerde gereedschappen vereist:

4. Initiële evaluatiechecklist

Voordat u met een gedetailleerde diagnose begint, is het noodzakelijk om de eerste gegevens te verzamelen en een visuele inspectie uit te voeren:

5. Systematische stroom van diagnostiek

1. Het symptoom van waterslag identificeren:
   1. Hoort u een luide "plop" of bonzen wanneer de pomp stopt?
   2. Ziet u trillingen of beweging van de leiding?
   3. Vertoont de manometer plotselinge druksprongen?
   4. Indien JA voor een van de items: Ga naar stap 2.
   5. Indien NEE: De terugslagklep is mogelijk niet het probleem. Controleer bovendien op andere bronnen van geluid of trillingen.
2. Bevestiging van waterslag en gegevensregistratie:
   1. Installeer hogesnelheidsdruksensoren onmiddellijk voor en na de terugslagklep.
   2. Installeer trillingssensoren op de klep en aangrenzende delen van de pijpleiding.
   3. Gebruik een data-acquisitiesysteem (DAQ) om tegelijkertijd druk en trillingen te registreren.
   4. Start en stop de pomp, reproduceer de omstandigheden die waterslag veroorzaken.
   5. Analyse van de gegevens:
      1. Worden de piekdrukwaarden geregistreerd die de werkdruk 1,5-2 keer overschrijden? (Alarmdrempel: P_peak > 1,5 * P_working).
      2. Zijn er tegelijkertijd hoge trillingspieken (>15 mm/s RMS) met de drukpieken?
      3. Indien JA op beide items: Hydraulische schok bevestigd. Ga naar stap 3.
      4. Indien NEE: Het probleem kan mechanische schade aan de klep of andere elementen zijn zonder noemenswaardige waterslag.
3. Het inschatten van de snelheid waarmee de klep sluit en de stroomomkeert:
   1. Gebruik een ultrasone debietmeter om de vloeistofstroomsnelheid voor en na de klep te meten.
   2. Registreer de tijd vanaf het uitschakelen van de pomp tot het volledig sluiten van de klep (visueel, indien mogelijk, of met behulp van een positiesensor).
   3. Analyse:
      1. Is er sprake van tegenstroom (negatieve snelheidswaarde) voordat de klep sluit?
      2. Is de sluittijd van de klep erg kort (bijvoorbeeld <0,1-0,5 seconden voor grote diameters)?
      3. Indien JA: Het snel klapperen van de klep als gevolg van de tegenstroom met hoge snelheid is de waarschijnlijke oorzaak. Ga naar stap 4.
      4. Indien NEEN: Andere mogelijke oorzaken van waterslag. Ga naar stap 5.
4. De oorzaak van snel dichtslaan bepalen:
   1. Kleptype:
      1. Is het een roterende klep in een verticale of hoge stroomlijn? (Gegarandeerd bijna een slam).
      2. Is het een liftklep met een zware schijf?
      3. Indien JA: De klep is niet geschikt voor de toepassing.
   2. Afwezigheid/storing van de demper:
      1. Is er een dempingsapparaat geïnstalleerd (hydraulisch, pneumatisch)?
      2. Zo ja, is deze goed afgesteld of werkt hij (controleer het oliepeil, de luchtdruk, geen lekkages)?
      3. Als de demper ontbreekt of defect is: Dit is de belangrijkste reden.
   3. Systeemkenmerken:
      1. Zijn er lange lijnen of grote hoogten na de klep? (Draagt ​​bij aan snelle omkering).
      2. Zijn er geen lucht-vacuümkleppen op hoge punten in de leiding?
   4. Algemene conclusie: hoofdoorzaak geïdentificeerd. Ga naar stap 7 (Analyse van de hoofdoorzaak).
5. Diagnose van systeemtransiënten (als de sluitsnelheid van de klep niet de enige oorzaak is):
   1. Analyse van de pompuitschakeling/aan-sequentie:
      1. Treedt er altijd waterslag op wanneer een specifieke pomp wordt uitgeschakeld?
      2. Vindt er een gelijktijdige uitschakeling van meerdere pompen plaats?
      3. Is er sprake van een snelle sluiting van een andere afsluiter in het systeem, waardoor een drukpuls ontstaat?
      4. Indien JA: Het probleem houdt verband met de dynamiek van het gemaal of de interactie van de fittingen.
   2. Controle van de elasticiteit van de pijp:
      1. Is de pijpleiding gemaakt van materialen met een lage Young-modulus (bijvoorbeeld plastic) of heeft deze lange, niet-ondersteunde delen?
      2. Dit kan leiden tot resonante oscillaties.
   3. Algemene conclusie: hoofdoorzaak geïdentificeerd. Ga naar stap 7 (Analyse van de hoofdoorzaak).
6. Diagnose van verborgen mechanische defecten van de klep (als andere oorzaken zijn uitgesloten):
   1. Slijtage van interne onderdelen:
      1. Demonteer de klep (na LOTO en decompressie).
      2. Controleer de schijf, stuurpen, zadel op slijtage, corrosie, schade.
      3. Alarmdrempel: Ruimte tussen schijf en zitting groter dan 0,5 mm (voor DN100-200) of zichtbare bramen, diepe erosie.
   2. Verstopping:
      1. Inspecteer de binnenkant van de klepholte op vreemde voorwerpen of afzettingen die een soepele sluiting verhinderen.
   3. Veerfout (indien aanwezig):
      1. Beoordeel de stijfheid en integriteit van de veer. Voldoet het aan de specificatie?
      2. Als er gebreken zijn: Dit kan een goede sluiting verhinderen of dichtslaan veroorzaken.
   4. Algemene conclusie: hoofdoorzaak geïdentificeerd. Ga naar stap 7 (Analyse van de hoofdoorzaak).
7. Overstappen op analyse van de hoofdoorzaak en herstel.

6. Matrix van storingen en oorzaken

7. Analyse van de oorzaak van elke storing

A. Snel klapperen van de terugslagklep vanwege de hoge mate van tegenstroom

Uitleg: Deze oorzaak is de meest voorkomende vorm van hydraulische schokken in terugslagklepsystemen. Nadat de pomp stopt, vertraagt ​​de vloeistofstroom en begint vervolgens, onder invloed van de vloeistofkolom of druk van het ontvangstsysteem, in de tegenovergestelde richting te bewegen. Als de achteruitsnelheid aanzienlijke waarden bereikt voordat de klep volledig gesloten is, "slaat" de klepschijf plotseling tegen de zitting. Hierdoor ontstaat een drukschokgolf die zich door de pijpleiding voortplant. De impactenergie is evenredig met de massa van de klepschijf en de sluitsnelheid.

Bevestiging: bevestigd door snelle druk- en debietmonitoring. Het record toont een korte periode van terugstroming (bijvoorbeeld >0,5 m/s) onmiddellijk vóór een scherpe, bijna verticale druksprong die de bedrijfsdruk met 5-10 bar of meer overschrijdt. De stijgtijd van de drukpiek bedraagt ​​doorgaans milliseconden.

Gevolgen: Als dit niet wordt geëlimineerd, zal dit leiden tot: vermoeidheid van het klep- en pijpleidingmateriaal, slijtage van de klepzitting en schijf, vernieling van de afdichtingen, falen van de klepsteel, vervorming of breuk van de pijpleiding, schade aan de pompeenheden (lagers, afdichtingen).

B. Verkeerd type terugslagklep voor de toepassing

Uitleg: Het kiezen van het verkeerde type terugslagklep voor een bepaalde bedrijfsomstandigheid is een veelvoorkomende oorzaak. Een standaard terugslagklep in een verticale leiding met opwaartse stroming of in een systeem met veelvuldig stoppen/starten van de pomp waarbij de stroming snel wordt omgekeerd, zal bijvoorbeeld bijna altijd knappen. Klepschijven van zware lifters hebben ook een aanzienlijke traagheid, waardoor ze langzamer sluiten voordat de terugstroming begint.

Validatie: Vergelijking van het geïnstalleerde kleptype met de aanbevelingen van de klepfabrikant en industriestandaarden (bijv. EN 14341) voor vergelijkbare stroomomstandigheden en systeemdynamiek. Analyse van de stroomomkeersnelheid versus de geschatte sluittijd van de klep.

Gevolgen: herhaalde waterslagen, verhoogde slijtage van de kleppen, noodzaak voor frequente vervanging of reparatie, risico op ongelukken. Dit is een fundamenteel probleem dat niet alleen door regelgeving kan worden opgelost.

C. Afwezigheid of falen van dempingsvoorzieningen

Uitleg: Dempingsinrichtingen (bijv. hydraulische of pneumatische schokdempers, sluithulpveren) zijn ontworpen om de beweging van de klepschijf tijdens het sluiten te vertragen. Door hun afwezigheid of storing kan de klep ongecontroleerd dichtslaan. Onjuiste afstemming (zoals een te stijve veer of onvoldoende demping) kan het probleem ook verergeren.

Bevestiging: Visuele inspectie op de aanwezigheid van een demper. Controle van het oliepeil in de hydraulische dempers, de luchtdruk in de pneumatische dempers, de integriteit van de veren. Klepsluittijdtest met demper geactiveerd/gedeactiveerd (indien van toepassing).

Gevolgen: Direct pad naar waterslag. Schade aan de demper kan er ook voor zorgen dat deze volledig kapot gaat, waardoor de klep onbeschermd blijft.

D. Systeemtransiënten (bijvoorbeeld snelle pompuitschakeling)

Uitleg: Hydraulische schokken zijn niet altijd uitsluitend een klepprobleem. Soms wordt het veroorzaakt door snelle veranderingen in het hele systeem, bijvoorbeeld de nooduitschakeling van een of meer pompen in een parallel systeem, wat leidt tot een plotseling drukverlies en een snelle omkering van de stroom in het gemeenschappelijke verdeelstuk. Ook het ongecontroleerd sluiten van andere afsluiters kan drukpulsen veroorzaken.

Bevestiging: Analyse van ACS-gebeurtenislogboeken om de correlatie tussen waterslag en pompuitschakeling of andere systeemgebeurtenissen te identificeren. Het modelleren van pijplijntransiënten kan de systemische aard van het probleem bevestigen.

Gevolgen: Grotere schade dan een lokaal klepprobleem, omdat de schokgolf zich over grote delen van de pijpleiding kan verspreiden en meerdere componenten kan aantasten.

8. Stapsgewijze eliminatieprocedures

A. Optimaliseren van de sluitsnelheid van de terugslagklep

1. Het juiste kleptype selecteren:
   1. Voor systemen met frequente stroomomkeringen of hoge omkeersnelheden: overweeg de installatie van axiale stroomterugslagkleppen of kantelschijfterugslagkleppen. Deze kleppen hebben minder traagheid van bewegende delen en minder schijfbewegingen, waardoor ze sneller kunnen sluiten voordat er aanzienlijke terugstroming optreedt.
   2. Parameters: Selecteer een klep met de minimale stromingsweerstandscoëfficiënt (Cv) die vereist is voor uw toepassing om overmatig drukverlies te voorkomen. Voldoen aan EN 16767 en ISO 10434.
2. Installatie/afstelling van dempingsinrichtingen:
   1. Hydraulische dempers: Als de klep een ingebouwde hydraulische demper heeft (zoals een oliecilinder), controleer dan het oliepeil en de kwaliteit (volgens de instructies van de fabrikant). Pas de gasklepopening aan om de sluittijd te verlengen tot 0,5-2 seconden (voor DN150-DN300-kleppen hangt de exacte tijd af van het systeem en de pompkarakteristieken).
   2. Pneumatische schokdempers: Controleer de luchtdruk in de pneumatische schokdemper. Het moet voldoen aan de aanbevolen 4-6 bar om voldoende demping te garanderen.
   3. Externe dempers: Overweeg de installatie van externe hydraulische cilinders om de sluitsnelheid van kleppen met grote diameter te regelen.
3. Veerbelaste terugslagkleppen:
   1. Voor kleine diameters en systemen met hoge drukval en snelle stroomomkering, gebruikt u veerbelaste terugslagkleppen.
   2. Veerselectie: Zorg ervoor dat de veer voldoende stijfheid heeft (10-20% ontwerpkracht van de stromingskracht) om het sluiten te versnellen, maar niet zo stijf dat er overmatig drukverlies ontstaat.

B. Installatie van waterslagbeveiligingen

1. Hydraulische accumulatoren / Hydraulische schokcompensatoren:
   1. Installeer de hydraulische accumulator met een stikstofkussen of membraan zo dicht mogelijk bij de terugslagklep die het probleem veroorzaakt.
   2. Instellingen: De initiële druk in de hydraulische accumulator moet 10-20% onder de minimale werkdruk van het systeem liggen. Het volume van de accumulator wordt berekend op basis van het volume van de omkeervloeistof en de toegestane drukval.
2. Lucht-vacuümkleppen:
   1. Installeer op hoge punten in de pijpleiding om vacuümopbouw te voorkomen nadat de pompen snel zijn uitgeschakeld.
   2. Afmetingen: De afmetingen van de klep moeten een snelle in-/uitlaat van voldoende luchtvolume mogelijk maken om negatieve drukpieken te voorkomen.
3. Gecontroleerde sluitingstijd afsluitkleppen:
   1. Gebruik hydraulisch of elektrisch bediende pompafvoerkleppen die zorgen voor een soepele sluiting binnen 5-15 seconden nadat de pomp stopt.

C. Het optimaliseren van de werking van het gemaal

1. Soepel starten/stoppen van pompen:
   1. Introductie van frequentieomvormers of softstarters voor pompen.
   2. Instellingen: Pas de acceleratie-/deceleratietijd van de pomp aan tot 10-30 seconden om de stroomsnelheid geleidelijk te verhogen/verlagen.
2. Gecoördineerde uitschakeling van pompen:
   1. In systemen met parallelle pompen programmeert u de units zo dat ze opeenvolgend worden uitgeschakeld in plaats van gelijktijdig.

D. Versterking van het pijpleidingsysteem

1. Versterking van steunen en ankers:
   1. Inspecteer en versterk pijpleidingsteunen en ankers, vooral in de buurt van kleppen en omleidingen.
   2. Steekhoogte van steunen: Controleer of de stap van de steunen voldoet aan EN 13480 en de aanbevelingen van de pijpleidingfabrikant.
2. Installatie van compensatoren:
   1. In sommige gevallen kan de installatie van rubberen of metalen compensatoren helpen een deel van de impactenergie te absorberen.

9. Preventieve maatregelen

10. Reserveonderdelen en componenten

Tijdige vervanging van versleten of beschadigde onderdelen is van cruciaal belang om herhaling van waterslag te voorkomen.

Om hoogwaardige reserveonderdelen en componenten te bestellen, gaat u naar de UNITEC-D e-catalogus.

11. Koppelingen

• DSTU EN 13480: Industriële metalen pijpleidingen.
• ISO 10816: Mechanische trillingen. Evaluatie van machinetrillingen door metingen aan niet-roterende onderdelen.
• EN 14341: Industriële buisfittingen. Terugslagkleppen gemaakt van staal, gietijzer en koperlegeringen.
• DSTU OHSAS 18001 (of ISO 45001): Managementsystemen voor gezondheid en veiligheid op het werk.
• Bedienings- en onderhoudsinstructies van fabrikanten van pompen en kleppen (OEM).
• UNITEC-D Onderhoudshandleidingen: www.unitecd.com/maintenance-guides/.