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 les vàlvules de bola depenen d'una força mitjana per segellar i no es veuen afectades per les forces de conducció externes. Actualment, les vàlvules de bola de temperatura ultra baixa s'utilitzen generalment a les estacions de recepció de GNL. El nombre de vàlvules de bola de temperatura ultra baixa representa el 80% del nombre total de vàlvules de tota l'estació receptora de GNL. Hi ha un fenomen de fuita interna de vàlvules de bola de temperatura ultra baixa durant l'ús. A partir dels criteris de disseny de les vàlvules criogèniques i de la teoria bàsica del rendiment de segellat de vàlvules, aquest article analitza els factors que afecten el segellat de les vàlvules de bola de temperatura ultra baixa.
2 Pautes de disseny
A causa de la temperatura de treball extremadament baixa, el disseny i la fabricació de vàlvules de temperatura ultra baixa s'enfronten a una sèrie de dificultats tècniques, com ara selecció de material, segellat a baixa temperatura, disseny estructural, tractament de solució, tractament criogènic, aïllament tèrmic, inspecció de qualitat, manteniment. , seguretat, etc. Per aquest motiu, hi ha una sèrie de normes estrictes per al disseny de vàlvules criogèniques. L'estàndard internacional BS6364 "Vàlvules criogèniques" i MSSSP-134 "Requisits per a les vàlvules criogèniques i les seves extensions del cos de la vàlvula/del capó" s'utilitzen principalment al món. S'especifiquen de manera exhaustiva els punts clau i les regles per al disseny i la fabricació de vàlvules criogèniques. L'estàndard JB/T7749 "Condicions tècniques per a vàlvules criogèniques" es transforma de BS6364 "vàlvules criogèniques".
Quan es dissenyen vàlvules criogèniques, a més de seguir els principis de disseny de les vàlvules generals, s'han de seguir requisits especials per al disseny de vàlvules criogèniques segons les condicions d'ús.
① Les vàlvules no haurien de ser una font important de calor als sistemes criogènics. Això es deu al fet que l'entrada de calor no només redueix l'eficiència tèrmica, sinó que si l'entrada és massa, també farà que el fluid intern s'evapori ràpidament, donant lloc a un augment anormal de la pressió i causant perill.
②El medi de baixa temperatura no ha de tenir efectes nocius sobre el funcionament del volant i el rendiment del segellat de l'embalatge.
③Els conjunts de vàlvules directament en contacte amb mitjans de baixa temperatura han de tenir estructures a prova d'explosió i a prova de foc.
④ El conjunt de la vàlvula que treballa a baixa temperatura no es pot lubricar, per la qual cosa es requereixen mesures estructurals per evitar que les peces de fricció es rasquin.
En el procés de disseny de vàlvules criogèniques, a més de considerar els requisits generals com ara la capacitat de flux de les vàlvules criogèniques, cal tenir en compte alguns altres indicadors per avaluar millor el nivell tècnic de les vàlvules criogèniques. El nivell tècnic de les vàlvules criogèniques s'avalua normalment mesurant si el consum d'energia és raonable.
①Rendiment adiabàtic de les vàlvules criogèniques.
② Rendiment de refrigeració de les vàlvules criogèniques.
③ Rendiment de treball dels segells d'obertura i tancament de la vàlvula de baixa temperatura.
④ La condició que la superfície de la vàlvula criogènica no es congeli.
L'entorn de treball de les vàlvules criogèniques és molt diferent del de les vàlvules generals. En el procés de disseny, fabricació i inspecció de vàlvules criogèniques, a més de seguir les normes generals de disseny, fabricació i inspecció de vàlvules, també s'ha de prestar atenció a l'entorn on es troben les vàlvules criogèniques. Ajustaments adequats.
3 teoria bàsica
Els principals factors que afecten el segellat de la vàlvula són l'estructura del parell de segellat, la pressió específica de la superfície de segellat, les propietats físiques del medi i la qualitat del parell de segellat. Però només quan entenem realment el principi de segellat de la vàlvula i considerem completament diversos factors que afecten el seu rendiment de segellat, podem prevenir les fuites i garantir el segellat.
Prenent com a exemple el segellat pla, s'estudia el problema de segellat de la connexió de la superfície de segellat i s'explica breument el principi de segellat. El principi de connexió segellada es mostra a la figura 1, en què el recipient s'omple de líquid i gas amb una certa pressió i segella amb una placa de coberta. La pressió estàtica del medi al recipient és: FJ=A×P
A la fórmula, FJ——força mitjana, N
A——l'àrea del medi que actua sobre la placa de coberta, mm2
P——Pressió estàtica del medi al recipient, MPa
In order to keep the cover plate in the position shown in the figure, an external force F=FJ must be applied in the vertical direction of the contact surface of the container and the cover plate, so that only the end faces can be guaranteed. Only when the sealing surface is an ideal plane, the medium will not pass through between the joint surfaces. In order to ensure the tightness of the contact surface, an interaction force must be generated between the sealing surfaces, that is, the cover is pressed against the container by force. When the force F>FJ, es generarà una determinada pressió específica a la superfície de segellat combinada i la planitud existent al pla es deformarà basant-se en la pressió específica. Si la deformació es troba dins del rang límit elàstic del material i hi ha poca deformació residual, el segellat es pot garantir quan s'aplica la força F a la superfície de contacte. A més de la pressió específica del segell, els factors per garantir l'estanquitat de la connexió també inclouen l'estructura de segellat, etc. Però en aquesta sèrie de factors, el valor de pressió específic entre les superfícies de segellat té un paper clau.
4 Elements de segellat
Tot i que l'estructura de la vàlvula de bola és senzilla, ja que és una vàlvula de segellat de pressió mitjana i l'estructura especial de la bola, hi ha molts factors que afecten si la vàlvula de bola està finalment segellada.
4.1 Segell de qualitat secundària
La qualitat del parell de segellat de la vàlvula de bola es manifesta principalment en la rodonesa de la bola i la rugositat superficial de la superfície de segellat entre la bola i el seient de la vàlvula. La rotunditat de la pilota afecta el grau d'adaptació de la pilota al seient. Si el grau d'ajust és alt, augmentarà la resistència del fluid a moure's al llarg de la superfície de segellat, millorant així el rendiment del segellat. En general, la rodonesa de l'esfera ha de ser de grau 9.
L'acabat superficial de la superfície de segellat té una gran influència en el segellat. Quan la suavitat és baixa i la pressió específica és petita, la fuita augmentarà. Tanmateix, quan la pressió específica és gran, l'efecte de l'acabat sobre les fuites es redueix significativament, perquè els pics microscòpics irregulars de la superfície de segellat s'aplanen i la suavitat de la superfície de segellat suau té un efecte més gran en el rendiment de segellat que la rigidesa de metall a metall El segell és molt més petit. Des del punt de vista que només quan el buit entre els parells de segellat és menor que el diàmetre molecular del fluid, el fluid no pot filtrar, es pot considerar que el buit per evitar fuites de fluid ha de ser inferior a {{{{2} }}},003 μm. No obstant això, l'alçada dels pics fins i tot en una superfície metàl·lica finament mòlta encara supera els 0,1 μm, que és 30 vegades més gran que el diàmetre d'una molècula d'aigua. Es pot veure que en realitat és difícil millorar el rendiment de segellat només millorant la suavitat de la superfície de segellat. La qualitat del parell de segellat no només afecta el rendiment del segellat, sinó que també 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.
4.2 Pressió específica del segell
La pressió específica del segell es refereix a la pressió que actua sobre l'àrea de la unitat de la superfície de segellat. La pressió específica 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 pressió específica afecta directament el rendiment de segellat, la fiabilitat i la vida útil de la vàlvula de bola. La quantitat de fuita és inversament proporcional a la diferència de pressió. Els experiments han demostrat que, sota les mateixes condicions, la quantitat de fuita és inversament proporcional al quadrat de la diferència de pressió, per tant, la quantitat de fuita disminuirà amb l'augment de la diferència de pressió. La diferència de pressió és un factor important per determinar la pressió específica de segellat, de manera que la pressió específica de segellat és molt important per al rendiment de segellat de la vàlvula de bola criogènica. La pressió específica de segellat aplicada a la bola no ha de ser massa gran, massa gran és beneficiosa per al segellat, però augmentarà el parell de funcionament de la vàlvula, de manera que una selecció raonable de pressió específica de segellat és la premissa per garantir el segellat de l'ultra- vàlvula de bola de baixa temperatura.
4.3 Propietats físiques dels fluids
1) Viscositat
La penetrabilitat d'un fluid està estretament relacionada amb la seva viscositat. En igualtat d'altres condicions, com més gran sigui la viscositat del fluid, menor serà la seva capacitat de penetració. Els gasos i els líquids tenen viscositats molt diferents. ①La viscositat del gas és desenes de vegades més petita que la del líquid, de manera que la seva capacitat de penetració és més forta que la del líquid. Però el vapor saturat és una excepció, i el vapor saturat és fàcil de garantir el segellat. ②El gas comprimit és més fàcil de filtrar que el líquid.
(2) temperatura
La penetrabilitat d'un fluid depèn de la temperatura que provoca el canvi de viscositat. La viscositat d'un gas augmenta amb l'augment de la temperatura, que és proporcional a l'arrel de la temperatura del gas. La viscositat del líquid és la contrària, disminueix bruscament amb l'augment de la temperatura i és inversament proporcional al cub de la temperatura. A més, els canvis en les dimensions de les peces a causa dels canvis de temperatura provocaran canvis en la pressió del segell a la zona del segell i poden danyar el segell. La seva influència és especialment significativa per al segellat de fluids criogènics. Com que el parell de segellat en contacte amb el fluid sol ser més fred que el membre d'estrès, això fa que el parell de segellat es redueixi i es relaxi. En estat de baixa temperatura, el seu segellat és complicat i la majoria dels materials de segellat fallen a baixa temperatura. Per tant, s'ha de tenir en compte la influència de la temperatura a l'hora de seleccionar el material de segellat.
3) Hidrofilia superficial
L'efecte de la hidrofilicitat superficial sobre les fuites és causat per les característiques dels porus capil·lars. Quan hi ha una fina capa de pel·lícula d'oli a la superfície, destruirà la hidrofilicitat de la superfície de contacte i bloquejarà el canal del fluid, la qual cosa requereix una gran diferència de pressió per passar el fluid a través dels porus capil·lars. Per tant, algunes vàlvules de bola utilitzen greix de segellat per millorar el segellat i la vida útil. Quan utilitzeu un segell de greix, cal tenir en compte que si la pel·lícula d'oli disminueix durant l'ús, el greix s'ha de reposar. El greix utilitzat ha de ser insoluble en el medi fluid, i no s'ha d'evaporar, endurir o experimentar altres canvis químics. Les vàlvules de bola criogèniques no són adequades per segellar el greix i la majoria del greix es vitrificarà en condicions de temperatura molt baixa.
4.4 Dimensions estructurals
(1) Estructura de segellat
Com que el parell de segellat no és absolutament rígid, la seva mida estructural canviarà inevitablement sota la influència de la força de segellat o el canvi de temperatura, cosa que 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 la forma estructural amb compensació elàstica o suport elàstic metàl·lic, i algunes boles també adopten una estructura de bola elàstica. Es tracta d'una forma agressiva de millora del rendiment de segellat.
(2) Amplada de la superfície de segellat
L'amplada de la superfície de segellat determina la longitud dels porus capil·lars. Quan augmenta l'amplada, la distància de moviment del fluid al llarg del capil·lar augmenta proporcionalment, mentre que la fuita disminueix a la inversa. Però aquest no és el cas, de fet, perquè les superfícies de contacte del parell de segellat no es poden igualar completament i, quan es produeix una deformació, l'amplada de la superfície de segellat no pot tenir un paper de segellat totalment eficaç. D'altra banda, l'augment de l'amplada de la superfície de segellat augmentarà la força de segellat necessària, per la qual cosa també és important triar l'amplada de la superfície de segellat de manera raonable.
(3) Dimensions de l'anell de segellat
Les vàlvules de bola de temperatura ultrabaixa utilitzen generalment anells de segellat de PCTFE i el coeficient d'expansió lineal de PCTFE a baixes temperatures és molt superior al dels metalls. Per tant, a baixes temperatures, els anells de segellat de PCTFE es reduiran de mida, donant lloc a una disminució de la pressió específica de segellat amb la bola i es crea un camí de fuga entre aquesta i 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 la vàlvula de bola de temperatura ultra baixa. En el disseny s'ha de tenir en compte l'impacte de la contracció dimensional a baixa temperatura i s'ha d'adoptar el procés de muntatge en fred.
5 Conclusió
Tenint en compte les fuites internes generalitzades de les vàlvules de bola de temperatura ultrabaixa a les estacions de recepció de GNL existents, basades en els principis de disseny de les vàlvules criogèniques i la teoria bàsica del segellat de la vàlvula, la qualitat del parell de segellat, la pressió específica del segell, les propietats físiques del fluid i l'estructura i la mida del parell de segellat afecten el segellat de la vàlvula de bola de temperatura ultra baixa. s'analitzen els elements. Hi ha molts altres factors que afecten el segellat de les vàlvules de bola de temperatura ultra baixa, com ara la rigidesa de la bola i si el centre de la bola és concèntric amb la superfície de segellat del seient de la vàlvula durant el muntatge. La pressió específica de segellat i l'estructura i la mida del parell de segellat són factors importants que afecten el segellat de la vàlvula de bola criogènica, que s'han de tenir en compte completament en el disseny.