Diagnose en oplossing van waterslag van terugslagklep: analyse van dichtslaan, sluitsnelheid en demperselectie

1. Beschrijving van het probleem en toepassingsgebied

Waterslag veroorzaakt door het snel sluiten van een terugslagklep is een kritisch fenomeen in industriële leidingsystemen. Het treedt op wanneer de vloeistofstroom van richting verandert of abrupt stopt, waardoor de klep snel sluit en drukgolven ontstaan ​​die zich door het systeem voortplanten. Dit kan leiden tot aanzienlijke mechanische schade aan pijpleidingen, fittingen, pompen en andere apparatuur.

Typische symptomen:

• Een luide "klap" of "klop" in de pijpleiding bij het veranderen van de bedrijfsmodus van de pomp (start, stop) of een andere stroombron.
• Intensieve trillingen van de pijpleiding en fittingen.
• Plotselinge druksprongen op korte termijn, geregistreerd door manometers of sensoren.
• Lekkages in flensverbindingen of afdichtingen.
• Vernietiging of vervorming van pijpleidingelementen en steunen.
• Schade aan de interne componenten van terugslagkleppen (schijf, zitting, veer).

Betrokken apparatuur:

Systemen met pompstations, lange pijpleidingen, koelsystemen, watervoorziening, maar ook in de chemische en olie- en gasindustrie, waar vloeistoffen worden getransporteerd, zijn het meest vatbaar voor waterslag. Dit geldt voor zowel zuivere vloeistoffen als suspensies.

Classificatie van ernst:

• Kritisch: Onmiddellijk risico op vernietiging van de pijpleiding, apparatuur, stopzetting van de productie, bedreiging voor de veiligheid van personeel. Vereist onmiddellijke interventie.
• Belangrijk: Constant, intens geluid en trillingen die leiden tot versnelde slijtage en lekkages, maar geen directe dreiging van een ramp vormen. Heeft een geplande eliminatie nodig.
• Klein: een licht, onderbroken geluid dat geen zichtbare schade veroorzaakt, maar een indicatie is van een mogelijk probleem. Er is monitoring en preventie nodig.

Naleving van normen:

De diagnose en eliminatie van waterslag moeten voldoen aan nationale en internationale normen, zoals DSTU EN 12266-1 (Industriële buisfittingen. Kleptesten), ISO 4126 (Veiligheidskleppen) en relevante arbeidsveiligheidsvoorschriften.

2. Voorzorgsmaatregelen

VEILIGHEIDSMAATREGELEN: Alle veiligheidsprocedures moeten zorgvuldig worden gevolgd vóór elke interventie in leidingsystemen onder druk of systemen die gevaarlijke vloeistoffen bevatten. Het niet opvolgen van deze instructies kan leiden tot ernstig letsel, de dood of aanzienlijke materiële schade.

• LOCKOUT / TAG OUT (LOTO): Voer altijd de LOTO-procedure uit voor alle krachtbronnen (elektrisch, hydraulisch, pneumatisch) van de apparatuur die wordt onderhouden. Zorg ervoor dat de pompen niet per ongeluk kunnen worden gestart.
• RESIDUELE ENERGIE: systemen onder druk kunnen aanzienlijke hoeveelheden energie opslaan. Zorg ervoor dat alle druk is ontlast en de vloeistof is afgetapt voordat u het demonteert. Gebruik geschikte drukontlastingspunten.
• PBM (persoonlijke beschermingsmiddelen): Zorg ervoor dat u de juiste PBM gebruikt: veiligheidsbril of gelaatsscherm, beschermende handschoenen (indien nodig chemisch resistent), veiligheidsschoenen, gehoorbescherming.
• GEVAARLIJKE STOFFEN: Als het systeem agressieve, giftige, hete of andere gevaarlijke vloeistoffen bevat, volg dan speciale behandelingsprotocollen, inclusief het gebruik van gespecialiseerde PBM's en ventilatie.
• HETE OPPERVLAKKEN: Ga voorzichtig om met apparatuur die heet kan zijn. Gebruik hittebestendige handschoenen.

3. Noodzakelijke diagnostische hulpmiddelen

Voor een nauwkeurige diagnose van een hydraulische schok van de terugslagklep is de volgende lijst met gereedschappen nodig:

4. Initiële beoordelingschecklist

Voordat u met een gedetailleerde diagnose begint, is het noodzakelijk om initiële gegevens te verzamelen en te analyseren. Dit zal helpen mogelijke oorzaken te beperken en de volgende stappen te bepalen.

5. Systematische stroom van diagnostiek

Met deze diagnostische stroom kunt u op consistente wijze de hoofdoorzaak van een waterslag van de terugslagklep identificeren.

1. Eerste waarneming: Een luide "plop" of "dreun" in de pijpleiding wanneer de pomp stopt.
   1. Controle 1: Inspecteer de terugslagklep visueel.
      1. Resultaat: De klep is correct geïnstalleerd, de stroompijl komt overeen met de richting van de vloeistofbeweging.
         • Ga naar 1.b.
      2. Resultaat: De klep is verkeerd geïnstalleerd (de pijl staat bijvoorbeeld tegen de stroom in).
         • Waarschijnlijke oorzaak: Onjuiste klepinstallatie.
         • Acties: Installeer de klep opnieuw volgens de instructies van de fabrikant.
   2. Controle 2: Schatting van de pompblokkeersnelheid.
      1. Resultaat: De pomp stopt onmiddellijk (zonder soepel uitlopen).
         • Waarschijnlijke oorzaak: Plotseling stoppen van de pomp waardoor een snelle terugstroming ontstaat.
         • Acties: overweeg de implementatie van Soft Starters (VFD's).
      2. Resultaat: De pomp heeft een gecontroleerde stop.
         • Ga naar 1.c.
   3. Controle 3: Meet de sluittijd van de terugslagklep.
      1. Gebruik een ultrasone tester of een hogesnelheidsdrukrecorder (als het mogelijk is om de beweging van de schijf of de aard van de drukverandering te volgen).
         • Resultaat: Klepsluittijd > 0,5 seconde (voor kleppen DN < 100 mm) of > 1 seconde (voor kleppen DN > 200 mm).
           • Waarschijnlijke oorzaak: overmatige traagheid van de vloeistofkolom veroorzaakt waterslag bij het langzaam sluiten van de terugslagklep.
           • Acties: Overweeg het installeren van een versneld sluitende klep (veerbelast, niet-schok) of demper.
         • Resultaat: Klepsluittijd < 0,2 seconden.
           • Waarschijnlijke oorzaak: De klep sluit te snel voordat de terugstroming de tijd heeft gehad om volledig tot stand te komen, waardoor waterslag ontstaat door insluiting van de stroming.
           • Acties: Overweeg het installeren van een gecontroleerde afsluiter (met hydraulische demper) of het verlengen van de looptijd van de pomp.
2. Eerste waarneming: constante trillingen en geluid in de pijpleiding, vooral tijdens stabiele werking.
   1. Controle 1: Meet de trillingen op het kleplichaam en de aangrenzende pijpleiding.
      1. Resultaat: Trillingssnelheid > 7,1 mm/s (volgens ISO 10816, voor onbeperkt gebruik).
         • Waarschijnlijke oorzaak: Mechanische slijtage van interne klepcomponenten (schijf, zitting, as) of resonantie met natuurlijke frequenties van de pijpleiding.
         • Acties: Demontage en visuele inspectie van de klep; analyse van het frequentiespectrum van trillingen.
      2. Resultaat: Trillingssnelheid < 4,5 mm/s.
         • Ga naar 2.b.
   2. Controle 2: Meet de druk en debiet in het systeem.
      1. Resultaat: De druk of het debiet fluctueert aanzienlijk.
         • Waarschijnlijke oorzaak: Instabiele werking van de pomp, regelkleppen of fluctuerend verbruik waardoor de terugslagklep regelmatig wordt geopend/gesloten.
         • Acties: diagnosticeer de oorzaken van systeeminstabiliteit.
      2. Resultaat: Druk en flow zijn stabiel.
         • Ga naar 2.c.
   3. Controle 3: Analyse van de overeenstemming van de klep met de bedrijfsomstandigheden.
      1. Resultaat: De geïnstalleerde klep (zoals een watje) is niet ontworpen voor systemen met frequente stroomveranderingen of hoge snelheden.
      2. Waarschijnlijke oorzaak: Verkeerd type terugslagklep voor de toepassing.
      3. Acties: Vervang de klep door een geschikter exemplaar (bijvoorbeeld veerbelast of met gecontroleerde sluiting).
3. Eerste waarneming: lekkages in flensverbindingen of leidingbreuk.
   1. Controle 1: Meet de piekdrukken met een hogesnelheidsrecorder.
      1. Resultaat: Piekdrukken overschrijden 1,5-2,0 keer de werkdruk van het systeem (bijvoorbeeld bij werking van 10 bar, piek > 15-20 bar).
         • Waarschijnlijke oorzaak: Ongecontroleerde waterslag veroorzaakt overmatige belasting van het systeem.
         • Acties: Gedetailleerde analyse van het systeem en selectie van maatregelen om waterslag te verminderen (zie sectie 8).
      2. Resultaat: De piekdruk bedraagt ​​niet meer dan 1,3 keer de werkdruk.
         • Waarschijnlijke oorzaak: Andere oorzaken van lekkage zijn mogelijk (slechte installatie, versleten afdichtingen), of waterslag is een ondergeschikte factor.
         • Acties: Controleer de kwaliteit van de installatie van de flenzen, de staat van de pakkingen en de conformiteit van het aanhaalmoment van de bouten.

6. Storing-oorzaakmatrix

Deze matrix helpt u snel de meest waarschijnlijke oorzaken van waterslag te identificeren op basis van de waargenomen symptomen.

7. Analyse van de hoofdoorzaken van elke storing

7.1. Overmatige terugstroomsnelheid en vloeistoftraagheid

Uitleg: Dit is de meest voorkomende oorzaak van waterslag. Wanneer de pomp plotseling stopt, blijft de vloeistofkolom in de pijpleiding door traagheid vooruit bewegen. De druk bij de uitlaat van de pomp daalt en de druk in het stroomopwaartse systeem zorgt ervoor dat de vloeistof van richting verandert en terug naar de pomp versnelt. Als de terugslagklep een grote schijfslag heeft of een langzaam sluitmechanisme (zoals een standaard draai- of schotelklep), heeft deze geen tijd om volledig te sluiten voordat de terugstroom een ​​aanzienlijke snelheid heeft bereikt. Wanneer de klep uiteindelijk sluit, wordt de vloeistofstroom die al in de omgekeerde richting beweegt abrupt afgesloten, waardoor een piekdrukgolf ontstaat.

Bevestiging: bevestigd door drukregistratie op hoge snelheid. Kenmerkend is een scherpe drukpiek die 2-3 keer de werkdruk overschrijdt, die optreedt onmiddellijk nadat de klep sluit. U kunt ook een snelle drukval waarnemen nadat de pomp is uitgeschakeld, gevolgd door een scherpe sprong. Analyse van deze gegevens maakt berekening van de terugstroomsnelheid en het momentum mogelijk.

Gevolgen: Herhaalde hydraulische schokken veroorzaken vermoeidheid van het pijpleidingmateriaal, vernietiging van flensverbindingen, schade aan de interne componenten van de kleppen (vervorming van de schijf, as, slijtage van de zitting), defecten aan lagers en afdichtingen van pompen, evenals vernietiging van meetapparatuur.

7.2. Verkeerd type terugslagklep voor toepassing

Uitleg: Er zijn veel soorten terugslagkleppen (pop, schijf, roterend, lift, veer, niet-impact). Elk van hen heeft zijn optimale toepassingsomstandigheden. De standaard katoenen terugslagklep (Swing Check Valve) is bijvoorbeeld effectief voor lage stroomsnelheden en grote diameters waarbij de drukval minimaal moet zijn. De schijf heeft echter een grote slag, wat resulteert in een langzame sluiting en deze zeer kwetsbaar maakt voor waterslag in systemen met snelle stroomveranderingen of een hoge vloeistoftraagheid.

Veerbelaste terugslagkleppen, vooral axiale (Axial Check Valve) of liftterugslagkleppen (Lift Check Valve) met een korte verplaatsingsafstand en een veer die de schijf actief sluit, verminderen het risico op waterslag aanzienlijk omdat ze sneller reageren en sluiten voordat de terugstroming aanzienlijk sneller wordt.

Bevestiging: Vergelijking van het geïnstalleerde kleptype met de aanbevelingen van de fabrikant voor specifieke bedrijfsomstandigheden (debiet, pompstoptijd, leidinglengte). Typisch voor systemen waarbij de pomp regelmatig start/stopt, is het gebruik van een standaard schotelklep een directe indicator van deze hoofdoorzaak.

Gevolgen: Permanente waterslag, voortijdige slijtage van de klep en het systeem, noodzaak voor frequente reparatie of vervanging.

7.3. Slijtage of schade aan interne klepcomponenten

Uitleg: Na verloop van tijd kan het gebeuren dat de klepschijf als gevolg van erosie, cavitatie, corrosie of mechanische schade niet volledig sluit, vastloopt of overmatige speling vertoont. Een versleten klepzitting verliest zijn dichtheid, waardoor vloeistof zelfs in de "gesloten" positie naar achteren kan stromen, waardoor de schijf "trilt" en frequente micro-hydro-hamers ontstaan. Beschadiging van de veer bij veerkleppen resulteert in een langzame of onvolledige sluiting, waardoor ze zich gedragen als katoenen kleppen.

Bevestiging: Demontage van de klep en een grondige visuele inspectie van de interne onderdelen. Zoek naar defecten zoals:

• Sporen van erosie of cavitatie op de schijf en het zadel.
• Vervorming of vervorming van de schijf.
• Slijtage of schade aan as/scharnier.
• Verzwakking of vernietiging van de veer.
• De aanwezigheid van vreemde voorwerpen verhindert een volledige sluiting.

Gevolgen: Constant geluid, trillingen, energieverlies door terugstroming, schade aan apparatuur door waterslag, verminderde levensduur van het systeem.

7.4. Storing in de demper of het gecontroleerde sluitsysteem

Uitleg: Sommige terugslagkleppen (vooral grote diameters) zijn uitgerust met hydraulische of pneumatische dempers voor een soepele, gecontroleerde sluiting. Hierdoor kan de schijf langzaam sluiten in de laatste fasen van de beweging, waardoor plotselinge stromingsblokkering en het blussen van waterslagenergie wordt voorkomen. Een storing van de demper (bijvoorbeeld lekkage van werkvloeistof, verstopping, schade aan de bedieningselementen) leidt tot het verlies van deze functie en de klep begint vrij te sluiten, als een ongecontroleerde katoenen klep.

Bevestiging: Visuele inspectie van de demper op lekkages, verstoppingen of mechanische schade. Controle van de werking van de klep handmatig (indien mogelijk) of door de sluittijd van de klep te observeren. Voor hydraulische dempers – controle van het niveau en de toestand van de werkvloeistof.

Gevolgen: De klep verliest zijn vermogen om soepel te sluiten, wat resulteert in intense waterslag en alle daarmee samenhangende schade die hierboven wordt beschreven.

7.5. Resonantie van het systeem

Uitleg: In zeldzame gevallen kan waterslag worden versterkt of veroorzaakt door resonantie, wanneer de frequentie van trillingen veroorzaakt door het sluiten van de klep samenvalt met een van de natuurlijke frequenties van trillingen van de pijpleiding. Dit resulteert in een significante toename van de druk en de trillingsamplitude, zelfs als de initiële impuls relatief klein was.

Bevestiging: Complexe analyse die frequentieanalyse van piekdrukken en trillingen vereist (met behulp van een trillingsanalysator). Vergelijking van de dominante frequenties van waterslag met de geschatte eigenfrequenties van de pijpleiding.

Gevolgen: Catastrofale vernietiging die moeilijk te voorspellen en te lokaliseren is, omdat de energie van de waterslag vele malen wordt vermenigvuldigd.

8. Stapsgewijze procedures voor probleemoplossing

Nadat de oorzaak is geïdentificeerd, moeten de volgende stappen worden genomen om waterslag te elimineren:

8.1. Vervanging van de terugslagklep door het juiste type

Stap 1:  LOCKOUT / TAG OUT (LOTO). Isoleer het leidinggedeelte, maak de druk af en tap de vloeistof af volgens de veiligheidsprocedures.

Stap 2: Verwijder de bestaande terugslagklep.

Stap 3: Selecteer een nieuwe terugslagklep op basis van een analyse van transiënten in het systeem. Aanbevolen soorten om waterslag te voorkomen:

• No-Slam/Silent terugslagkleppen: Snelle veersluiting, minimale schijfslag. Effectief voor kleine en middelgrote diameters.
• Dashpot-terugslagkleppen: zorgen voor gecontroleerde afsluiting, vooral voor grote diameters en hoge stroomsnelheden. Instelbare sluitingstijd.
• Axial Flow Check Valves: De veer en de aerodynamische/hydrodynamische vorm van de schijf zorgen voor een zeer snelle sluiting.

Stap 4: Installeer de nieuwe klep in de juiste stroomrichting (pijl op behuizing). Gebruik nieuwe pakkingen en bouten. Het aanhaalmoment van de flensbouten moet voldoen aan de normen (bijv. EN 1591-1 voor flensverbindingen).

Stap 5: Start het systeem langzaam en controleer op druk, stroming en afwezigheid van ongebruikelijke geluiden.

8.2. Een hydraulische/pneumatische demper afstellen of installeren

Stap 1:  LOCKOUT / TAG OUT (LOTO). Isoleer het gedeelte van de leiding, maak de druk af en tap de vloeistof af.

Stap 2 (voor bestaande demper): Controleer het niveau en de staat van de werkvloeistof (olie). Vervang de vloeistof als deze verontreinigd is. Controleer de instellingen voor het aanpassen van de sluitingstijd. Reinig de demperkanalen van verstoppingen.

Stap 3 (om een ​​nieuwe te installeren): Monteer de demper op de bestaande terugslagklep (als deze deze optie ondersteunt) of vervang de klep door een model met een geïntegreerde demper.

Stap 4: Pas de sluittijd van de klep aan. Beginwaarden:

• Voor kleppen DN < 200 mm: sluittijd 0,5 - 1,0 seconden.
• Voor kleppen DN > 200 mm: sluittijd 1,0 - 3,0 seconden.

Voer teststarts en -stops van de pomp uit en registreer de druk. De optimale sluittijd is het kleinste tijdstip waarop de drukpieken niet groter zijn dan 1,25 maal de werkdruk.

8.3. Modernisering van het pompmanagementsysteem

Stap 1: installeer softstarters of frequentieregelaars (VFD's) voor de pompen die vloeistof naar de terugslagklep voeren.

Stap 2: Configureer de start- en stopparameters van de pomp:

• Acceleratietijd: 10-30 seconden.
• Vertragingstijd: 20-60 seconden.

Stap 3: Voer teststarts/stops uit terwijl u de systeemdruk bewaakt. Het doel is om een ​​geleidelijke afname van de stroomsnelheid te bewerkstelligen voordat de klep sluit, waardoor traagheidsschokken worden geminimaliseerd.

8.4. Reparatie of vervanging van klepcomponenten

Stap 1:  LOCKOUT / TAG OUT (LOTO). Isoleer het gedeelte van de leiding, maak de druk af en tap de vloeistof af.

Stap 2: Verwijder de klep en demonteer deze.

Stap 3: Vervang beschadigde of versleten onderdelen (schijf, zadel, stuurpen, veer) door originele UNITEC-reserveonderdelen. Zorg ervoor dat alle toleranties en spelingen in overeenstemming zijn met de specificaties van de fabrikant.

Stap 4: Monteer de klep en zorg ervoor dat de schijf goed gecentreerd is en vrij kan bewegen zonder vast te lopen.

Stap 5: Start het systeem langzaam en test de werking ervan.

8.5. Wijzigingen in de pijplijnconfiguratie

Deze methode wordt gebruikt in extreme gevallen of als aanvullend middel:

• Installatie van luchtkamers of hydraulische accumulatoren: ze absorberen de energie van piekdrukken, waardoor de amplitude van waterslag wordt verminderd. Plaats het zo dicht mogelijk bij de bron van de waterslag.
• Bypass-leidingen met regelkleppen: Zorgt voor gecontroleerde drukontlasting of het handhaven van een minimale stroom, waardoor totale verstopping wordt voorkomen.
• Het veranderen van de diameter of lengte van de pijpleiding: kan de natuurlijke frequenties van het systeem en de snelheid van de golfvoortplanting veranderen, maar is een dure en complexe oplossing.

9. Voorzorgsmaatregelen

Om herhaling van een waterslag met terugslagklep te voorkomen, is het noodzakelijk om een alomvattende preventiestrategie te implementeren:

10. Reserveonderdelen en componenten

Vervangingsonderdelen van hoge kwaliteit zijn van cruciaal belang om waterslag effectief te elimineren en de betrouwbaarheid van het systeem op de lange termijn te garanderen. UNITEC-D GmbH biedt een breed scala aan componenten die aan hoge kwaliteitsnormen voldoen.

Bezoek onze UNITEC elektronische catalogus om kwaliteitsreserveonderdelen en componenten te bestellen die zijn gecertificeerd door CE en UkrSEPRO. Onze specialisten helpen u bij het kiezen van de beste oplossingen.

11. Koppelingen

• DSTU EN 12266-1:2018 Industriële pijpleidingfittingen. Testen van kleppen (EN 12266-1:2012, IDT).
• ISO 4126-1:2013 Veiligheidskleppen — Deel 1: Algemene eisen.
• ISO 10816-3:2009 Mechanische trillingen — Evaluatie van machinetrillingen door metingen aan niet-roterende onderdelen — Deel 3: Industriële machines met een nominaal vermogen boven 15 kW en nominale snelheden tussen 120 tpm en 15.000 tpm indien ter plaatse gemeten.
• Bedienings- en onderhoudshandleidingen van fabrikanten van pompapparatuur en leidingen (OEM).
• UNITEC: Interne technische handleidingen voor de selectie en bediening van terugslagkleppen.