1. Visió general
Les vàlvules de bola s'utilitzen àmpliament en diverses condicions de treball a causa de la seva estructura senzilla, el seu petit espai d'instal·lació i la dependència de la força mitjana per segellar sense ser afectades per les forces de conducció externes. Actualment, les vàlvules de bola criogèniques s'adopten habitualment als terminals receptors de GNL, que representen el 80% del nombre total de vàlvules d'aquests terminals. Tanmateix, durant el funcionament es produeix una fuita interna de les vàlvules de bola criogèniques. A partir dels criteris de disseny de les vàlvules criogèniques i la teoria bàsica del rendiment de segellat de vàlvules, aquest article analitza els factors que afecten el segellat de les vàlvules de bola criogèniques.
2. Criteris de disseny
La temperatura de funcionament extremadament baixa suposa una sèrie de reptes tècnics per al disseny i la fabricació de vàlvules criogèniques, com ara la selecció de materials, el segellat a baixa -temperatura, el disseny estructural, el tractament de la solució, el tractament de refrigeració profunda, l'aïllament tèrmic, la inspecció de qualitat, el manteniment i la seguretat. Per tant, hi ha una sèrie d'estàndards estrictes per al disseny de vàlvules criogèniques. A nivell internacional, els principals estàndards utilitzats són
BS6364 "Vàlvules criogèniques" i MSSSP-134 "Requisits per a vàlvules criogèniques i els seus
Extended Body/Bonnet". Aquests dos estàndards especifiquen de manera exhaustiva els punts clau i les regles per al disseny i la fabricació de vàlvules criogèniques. L'estàndard JB/T7749 "Especificacions tècniques per a vàlvules criogèniques" es transforma de BS6364 "Vàlvules criogèniques".
En el disseny de vàlvules criogèniques, a més de seguir els principis generals de disseny de vàlvules, s'han de complir requisits especials per al disseny de vàlvules criogèniques segons les condicions de funcionament.
① La vàlvula no hauria de ser una font de calor important per al sistema de baixa-temperatura. Això es deu al fet que l'entrada de calor no només redueix l'eficiència tèrmica, sinó que també provoca una ràpida evaporació del fluid intern si és excessiva, provocant un augment anormal de la pressió i un perill potencial.
② El medi de baixa -temperatura no hauria de tenir un impacte nociu en el funcionament del volant i el rendiment del segell de l'embalatge.
③ Els conjunts de vàlvules en contacte directe amb mitjans de baixa-temperatura han de tenir estructures a prova d'explosió-i resistents al foc-.
④ Els conjunts de vàlvules que funcionen a baixes temperatures no es poden lubricar, de manera que s'han de prendre mesures estructurals per evitar l'abrasió de les peces de fricció.
En el procés de disseny de vàlvules criogèniques, a més de tenir en compte requisits generals com ara la capacitat de cabal, cal tenir en compte altres indicadors per avaluar millor el nivell tècnic de les vàlvules criogèniques. Normalment, el nivell tècnic de les vàlvules criogèniques s'avalua mesurant la racionalitat del consum d'energia.
① Rendiment d'aïllament tèrmic de les vàlvules criogèniques.
② Rendiment de refrigeració de les vàlvules criogèniques.
③ Rendiment de treball dels segells d'obertura i tancament de vàlvules criogèniques.
④ Condicions perquè no hi hagi gel a la superfície de les vàlvules criogèniques.
L'entorn de treball de les vàlvules criogèniques és força diferent del de les vàlvules d'ús general-. En el procés de disseny, fabricació i inspecció de vàlvules criogèniques, a més de complir amb les normes generals de disseny, fabricació i inspecció de vàlvules, s'han de fer els ajustos adequats segons l'entorn de les vàlvules criogèniques.
3. Elements de segellat
Tot i que l'estructura de les vàlvules de bola és senzilla, ja que són vàlvules auto-de pressió mitjana i tenen una estructura de bola especial, hi ha molts factors que afecten el rendiment final de segellat de les vàlvules de bola.
3.1 Qualitat del parell de segellat
La qualitat del parell de segellat de la vàlvula de bola es reflecteix principalment en la rodonesa de la bola i la rugositat superficial de les superfícies de segellat de la bola i la vàlvula
seient. La rotunditat de la pilota
afecta el grau d'ajust entre la bola i el seient de la vàlvula. Un grau d'ajust més alt augmenta la resistència del moviment del fluid al llarg de la superfície de segellat, millorant així el rendiment del segellat. En general, la rodonesa de la pilota ha de ser de grau 9.
L'acabat superficial de la superfície de segellat té un impacte significatiu en el segellat. Quan l'acabat és baix i la pressió específica és petita, la fuita augmenta. Quan la pressió específica és gran, l'impacte de l'acabat sobre les fuites disminueix significativament perquè els pics dentats microscòpics de la superfície de segellat s'aplanen. L'impacte de l'acabat de la superfície de segellat suau en el rendiment del segellat és molt menor que el del segellat rígid de metall-a-metall.
A partir de la visió que les fuites de fluid només es poden prevenir quan la bretxa entre els parells de segellat és menor que el diàmetre de la molècula de fluid, es pot considerar que la bretxa per evitar la fuita de fluid ha de ser inferior a 0,003 μm. Tanmateix, fins i tot l'alçada màxima d'una superfície metàl·lica finament mòlta encara supera els 0,1 μm, que és 30 vegades més gran que el diàmetre de les molècules d'aigua. Es pot veure que és realment difícil millorar el rendiment del segellat només augmentant l'acabat superficial de la superfície de segellat. A més d'afectar el rendiment del segellat, la qualitat del parell de segellat afecta directament la vida útil de la vàlvula de bola. Per tant, la qualitat del parell de segellat s'ha de millorar durant la fabricació.
3.2 Pressió específica de segellat
La pressió específica de segellat es refereix a la pressió que actua sobre l'àrea de la unitat de la superfície de segellat. Es genera per la diferència de pressió entre la part davantera i posterior de la vàlvula i la força de segellat externa. La magnitud de la pressió específica afecta directament el rendiment de segellat, la fiabilitat i la vida útil de la vàlvula de bola. La fuita és inversament proporcional a la diferència de pressió. Les proves han demostrat que en les mateixes altres condicions, la fuita és inversament proporcional al quadrat de la diferència de pressió, de manera que la fuita disminueix amb l'augment de la diferència de pressió. Com que la diferència de pressió és un factor important que determina la pressió específica de segellat, la pressió específica de segellat és crucial per al rendiment de segellat de les vàlvules de bola criogèniques. La pressió específica de segellat aplicada a la bola no ha de ser massa gran. Tot i que una pressió específica més gran és beneficiosa per al segellat, augmentarà el parell de funcionament de la vàlvula. Per tant, la selecció raonable de la pressió específica de segellat és la premissa per garantir el segellat de les vàlvules de bola criogèniques.
3.3 Propietats físiques del fluid
3.3.1 Viscositat
La permeabilitat del fluid està estretament relacionada amb la seva viscositat. En les mateixes altres condicions, com més gran sigui la viscositat del fluid, menor serà la seva permeabilitat. La viscositat del gas i del líquid és molt diferent. ① La viscositat del gas és desenes de vegades més petita que la del líquid, de manera que la seva permeabilitat és més forta que la del líquid. Tanmateix, el vapor saturat és una excepció, que és fàcil de segellar. ② El gas comprimit és més propens a les fuites que el líquid.
3.3.2 Temperatura
La permeabilitat del fluid depèn de la temperatura que provoca el canvi de viscositat. La viscositat del gas augmenta amb l'augment de la temperatura i és proporcional a l'arrel quadrada de la temperatura del gas. Per contra, la viscositat del líquid disminueix bruscament amb l'augment de la temperatura i és inversament proporcional al cub de temperatura. A més, el canvi de dimensions de les peces causat pel canvi de temperatura comportarà canvis en la pressió de segellat a la zona de segellat i pot danyar el segell. El seu impacte és especialment significatiu per al segellat de fluids a baixa-temperatura. Com que el parell de segellat en contacte amb el fluid acostuma a tenir una temperatura més baixa que les parts-que suporten la força, això fa que els components del parell de segellat es redueixin i es relaxin. El segellat a baixes temperatures és complex i la majoria dels materials de segellat fallan a baixes temperatures. Per tant, s'ha de tenir en compte la influència de la temperatura a l'hora de seleccionar els materials de segellat.
3.3.3 Hidrofilia superficial
L'impacte de la hidrofilicitat superficial sobre les fuites és causat per les característiques dels porus capil·lars. Quan hi ha una fina pel·lícula d'oli a la superfície, la hidrofilicitat de la superfície de contacte es destrueix i el canal del fluid es bloqueja, de manera que es requereix una diferència de pressió més gran perquè el fluid passi pels porus capil·lars. Per tant, algunes vàlvules de bola utilitzen greix de segellat per millorar el rendiment del segellat i la vida útil. Quan utilitzeu greix per segellar, s'ha de prestar atenció a complementar el greix si la pel·lícula d'oli disminueix durant l'ús. El greix utilitzat no ha de ser soluble en el medi fluid, ni s'ha d'evaporar, endurir-se o experimentar altres canvis químics. Les vàlvules de bola criogèniques no són adequades per utilitzar greix de segellat, ja que la majoria de greixos es vitrificaran en condicions de temperatura ultra-baixa.
3.4 Dimensions estructurals
3.4.1 Estructura del parell de segellat
Com que el parell de segellat no és absolutament rígid, les seves dimensions estructurals canviaran inevitablement sota l'acció de la força de segellat o el canvi de temperatura. Això canviarà la força d'interacció entre els parells de segellat, donant lloc a un rendiment de segellat reduït. Per compensar aquest canvi, el segell hauria de tenir una certa deformació elàstica. Actualment, alguns seients de vàlvules de bola adopten una forma estructural amb compensació elàstica o suport elàstic metàl·lic, i algunes boles també adopten una estructura de bola elàstica. Aquestes són formes positives per millorar el rendiment del segellat.
3.4.2 Amplada de la superfície de segellat
L'amplada de la superfície de segellat determina la longitud dels porus capil·lars. Quan l'amplada augmenta, la trajectòria del moviment del fluid al llarg dels porus capil·lars augmenta proporcionalment, mentre que la fuita disminueix a la inversa. Però de fet, aquest no és el cas perquè les superfícies de contacte dels parells de segellat no es poden ajustar completament. Després de la deformació, l'amplada de la superfície de segellat no pot jugar completament un paper de segellat efectiu. D'altra banda, l'augment de l'amplada de la superfície de segellat requereix un augment de la força de segellat requerida. Per tant, també és important la selecció raonable de l'amplada de la superfície de segellat.
3.4.3 Mida de l'anell de segellat
Les vàlvules de bola criogèniques utilitzen generalment anells de segellat de PCTFE. El coeficient d'expansió lineal del PCTFE a baixes temperatures és molt superior al del metall. Per tant, l'anell de segellat PCTFE es reduirà a baixes temperatures, donant lloc a una pressió específica de segellat reduïda amb la bola i la formació de canals de fuites amb el seient de la vàlvula. Per tant, la mida de l'anell de segellat PCTFE també és un factor important que afecta el segellat de les vàlvules de bola criogèniques. En el disseny s'ha de tenir en compte la influència de la contracció de la mida a baixes temperatures i s'ha d'adoptar el procés de muntatge en fred.
4. Conclusió
Tenint com a objectiu el fenomen de fuites internes comú de les vàlvules de bola criogèniques als terminals receptors de GNL existents, basant-se en els criteris de disseny de les vàlvules criogèniques i la teoria bàsica del segellat de les vàlvules, aquest article analitza els factors que afecten el segellat de les vàlvules de bola criogèniques, inclosa la qualitat del parell de segellat, les propietats del fluid de segellat i la mida del fluid de segellat, la mida de la pressió i l'estructura física específica. Hi ha molts altres factors que afecten el segellat de les vàlvules de bola criogèniques, com ara la rigidesa
de la pilota i si el centre de la pilota és
concèntric amb la superfície de segellat del seient de la vàlvula durant el muntatge. El segellat de la pressió específica i l'estructura i la mida del parell de segellat són factors importants que afecten el segellat de les vàlvules de bola criogèniques, que s'han de tenir plenament en compte en el disseny.
