1. Översikt
Kulventiler används ofta i olika arbetsförhållanden på grund av deras enkla struktur, små installationsutrymme och beroende av medelkraft för tätning utan att påverkas av externa drivkrafter. För närvarande används kryogena kulventiler vanligtvis i LNG-mottagningsterminaler, vilket står för 80 % av det totala antalet ventiler i sådana terminaler. Emellertid uppstår internt läckage av kryogena kulventiler under drift. Baserat på designkriterierna för kryogena ventiler och den grundläggande teorin om ventiltätningsprestanda, analyserar detta dokument de faktorer som påverkar tätningen av kryogena kulventiler.
2. Designkriterier
Den extremt låga driftstemperaturen innebär en rad tekniska utmaningar för design och tillverkning av kryogena ventiler, såsom materialval, låg-temperaturtätning, strukturell design, lösningsbehandling, djupkylningsbehandling, värmeisolering, kvalitetsinspektion, underhåll och säkerhet. Därför finns det en rad strikta standarder för utformningen av kryogena ventiler. Internationellt är de viktigaste standarderna som används
BS6364 "Cryogenic Valves" och MSSSP-134 "Requirements for Cryogenic Valves and their
Extended Body/Bonnet". Dessa två standarder specificerar uttömmande nyckelpunkterna och reglerna för design och tillverkning av kryogena ventiler. Standarden JB/T7749 "Technical Specifications for Cryogenic Valves" är transformerad från BS6364 "Cryogenic Valves".
Vid konstruktionen av kryogena ventiler bör, förutom att följa de allmänna ventilkonstruktionsprinciperna, särskilda krav för kryogen ventilkonstruktion uppfyllas i enlighet med driftsförhållandena.
① Ventilen bör inte vara en betydande värmekälla för låg-temperatursystemet. Detta beror på att värmeinflöde inte bara minskar den termiska effektiviteten utan också orsakar snabb avdunstning av intern vätska om den är överdriven, vilket leder till onormal tryckökning och potentiell fara.
② Mediet med låg-temperatur bör inte ha en skadlig inverkan på handrattens funktion och packningsförseglingens prestanda.
③ Ventilenheter i direkt kontakt med media med låg-temperatur bör ha explosionssäker- och brandsäkra strukturer-.
④ Ventilenheter som arbetar vid låga temperaturer kan inte smörjas, så strukturella åtgärder måste vidtas för att förhindra nötning av friktionsdelar.
I designprocessen för kryogena ventiler, förutom att ta hänsyn till allmänna krav såsom flödeskapacitet, måste andra indikatorer beaktas för att bättre utvärdera den tekniska nivån av kryogena ventiler. Vanligtvis utvärderas den tekniska nivån av kryogena ventiler genom att mäta energiförbrukningens rationalitet.
① Värmeisoleringsprestanda för kryogena ventiler.
② Kylprestanda för kryogena ventiler.
③ Arbetsprestanda för att öppna och stänga tätningar av kryogena ventiler.
④ Förutsättningar för ingen isbildning på ytan av kryogena ventiler.
Arbetsmiljön för kryogena ventiler skiljer sig helt från den för ventiler för allmänna-ändamål. I processen för design, tillverkning och inspektion av kryogena ventiler, förutom att följa de allmänna reglerna för ventildesign, tillverkning och inspektion, bör lämpliga justeringar göras i enlighet med miljön för kryogena ventiler.
3. Tätningselement
Även om strukturen för kulventiler är enkel, eftersom de är självtätande ventiler med medeltryck- och har en speciell kulstruktur, finns det många faktorer som påverkar kulventilernas slutliga tätningsprestanda.
3.1 Kvaliteten på tätningsparet
Kvaliteten på kulventiltätningsparet återspeglas huvudsakligen i kulans rundhet och ytgrovheten hos kulans och ventilens tätningsytor
plats. Bollens rundhet
påverkar passningsgraden mellan kulan och ventilsätet. En högre passningsgrad ökar motståndet för vätskerörelser längs tätningsytan, vilket förbättrar tätningsprestandan. I allmänhet krävs att bollens rundhet är grad 9.
Tätningsytans ytfinish har en betydande inverkan på tätningen. När finishen är låg och det specifika trycket är litet ökar läckaget. När det specifika trycket är stort, minskar effekten av finish på läckage avsevärt eftersom de mikroskopiska tandade topparna på tätningsytan tillplattas. Effekten av finishen på den mjuka tätningsytan på förseglingsprestandan är mycket mindre än den för metall-till-metall stel försegling.
Baserat på uppfattningen att vätskeläckage endast kan förhindras när gapet mellan tätningsparen är mindre än vätskemolekylens diameter, kan det anses att gapet för att förhindra vätskeläckage måste vara mindre än 0,003 μm. Men även topphöjden på en finslipad metallyta överstiger fortfarande 0,1 μm, vilket är 30 gånger större än vattenmolekylernas diameter. Det kan ses att det faktiskt är svårt att förbättra tätningsprestandan endast genom att öka tätningsytans ytfinish. Förutom att påverka tätningsprestandan påverkar tätningsparets kvalitet direkt kulventilens livslängd. Därför måste kvaliteten på tätningsparet förbättras under tillverkningen.
3.2 Tätningsspecifikt tryck
Tätningsspecifikt tryck avser trycket som verkar på tätningsytans enhetsarea. Den genereras av tryckskillnaden mellan ventilens främre och bakre del och den yttre tätningskraften. Storleken på det specifika trycket påverkar direkt kulventilens tätningsprestanda, tillförlitlighet och livslängd. Läckaget är omvänt proportionellt mot tryckskillnaden. Tester har visat att under samma andra förhållanden är läckaget omvänt proportionellt mot kvadraten på tryckskillnaden, så läckaget minskar med ökningen av tryckskillnaden. Eftersom tryckskillnaden är en viktig faktor som bestämmer det tätningsspecifika trycket, är det tätningsspecifika trycket avgörande för tätningsprestandan hos kryogena kulventiler. Det tätningsspecifika trycket som appliceras på kulan bör inte vara för stort. Även om ett högre specifikt tryck är fördelaktigt för tätningen, kommer det att öka ventilens manövermoment. Därför är det rimliga valet av tätningsspecifikt tryck förutsättningen för att säkerställa tätningen av kryogena kulventiler.
3.3 Fysiska egenskaper hos vätska
3.3.1 Viskositet
Vätskans permeabilitet är nära relaterad till dess viskositet. Under samma andra förhållanden, ju högre vätskeviskositeten är, desto lägre är dess permeabilitet. Viskositeten för gas och vätska skiljer sig mycket åt. ① Gasens viskositet är dussintals gånger mindre än vätskans, så dess permeabilitet är starkare än vätskans. Däremot är mättad ånga ett undantag, som är lätt att täta. ② Komprimerad gas är mer benägen att läcka än vätska.
3.3.2 Temperatur
Vätskans permeabilitet beror på temperaturen som orsakar viskositetsförändringar. Gasens viskositet ökar med temperaturhöjningen och är proportionell mot kvadratroten av gastemperaturen. Tvärtom minskar vätskans viskositet kraftigt med temperaturhöjningen och är omvänt proportionell mot temperaturens kub. Dessutom kommer förändringen i deldimensioner som orsakas av temperaturförändringar att leda till förändringar i tätningstrycket i tätningsområdet och kan skada tätningen. Dess inverkan är särskilt betydande för tätning av vätskor med låg-temperatur. Eftersom tätningsparet i kontakt med vätskan vanligtvis har en lägre temperatur än de kraft-bärande delarna, gör detta att tätningsparets komponenter krymper och slappnar av. Tätning vid låga temperaturer är komplex och de flesta tätningsmaterial misslyckas vid låga temperaturer. Därför bör temperaturens inverkan beaktas vid val av tätningsmaterial.
3.3.3 Ythydrofilicitet
Effekten av ythydrofilicitet på läckage orsakas av egenskaperna hos kapillärporer. När det finns en tunn oljefilm på ytan förstörs kontaktytans hydrofilicitet och vätskekanalen blockeras, så det krävs en större tryckskillnad för att få vätskan att passera genom kapillärporerna. Därför använder vissa kulventiler tätningsfett för att förbättra tätningsprestanda och livslängd. Vid användning av fett för tätning bör man vara uppmärksam på att komplettera fett om oljefilmen minskar under användning. Fettet som används bör inte vara lösligt i det flytande mediet, det bör inte heller avdunsta, härda eller genomgå andra kemiska förändringar. Kryogena kulventiler är inte lämpliga för att använda tätningsfett, eftersom de flesta fetter förglasas under extremt-låga temperaturförhållanden.
3.4 Strukturella mått
3.4.1 Tätningsparets struktur
Eftersom tätningsparet inte är absolut styvt kommer dess strukturella dimensioner oundvikligen att förändras under inverkan av tätningskraft eller temperaturförändring. Detta kommer att förändra samverkanskraften mellan tätningsparen, vilket resulterar i minskad tätningsprestanda. För att kompensera för denna förändring bör tätningen ha en viss elastisk deformation. För närvarande antar vissa kulventilsäten en strukturell form med elastisk kompensation eller elastiskt metallstöd, och vissa kulor antar också en elastisk kulstruktur. Dessa är positiva former för att förbättra tätningsprestanda.
3.4.2 Tätningsytans bredd
Tätningsytans bredd bestämmer längden på kapillärporerna. När bredden ökar ökar vätskerörelsens väg längs kapillärporerna proportionellt, medan läckaget minskar omvänt. Men i själva verket är detta inte fallet eftersom kontaktytorna på tätningsparen inte kan passas helt. Efter deformation kan tätningsytans bredd inte helt spela en effektiv tätningsroll. Å andra sidan kräver ökningen av tätningsytans bredd en ökning av den erforderliga tätningskraften. Därför är det rimliga valet av tätningsytans bredd också viktigt.
3.4.3 Storlek på tätningsringen
Kryogena kulventiler använder vanligtvis PCTFE-tätningsringar. Den linjära expansionskoefficienten för PCTFE vid låga temperaturer är mycket högre än för metall. Därför kommer PCTFE-tätningsringen att krympa vid låga temperaturer, vilket resulterar i minskat tätningsspecifikt tryck med kulan och bildandet av läckagekanaler med ventilsätet. Därför är storleken på PCTFE-tätningsringen också en viktig faktor som påverkar tätningen av kryogena kulventiler. Inverkan av storlekskrympning vid låga temperaturer bör beaktas i konstruktionen, och kallmonteringsprocessen bör antas i processen.
4. Slutsats
Med sikte på det vanliga interna läckagefenomenet med kryogena kulventiler i befintliga LNG-mottagande terminaler, baserat på designkriterierna för kryogena ventiler och den grundläggande teorin om ventiltätning, analyserar denna uppsats de faktorer som påverkar tätningen av kryogena kulventiler, inklusive kvaliteten på tätningsparet, tätning av det specifika trycket och tätningens struktur, tätningens fysiska egenskaper och tätningsegenskaper. Det finns många andra faktorer som påverkar tätningen av kryogena kulventiler, såsom styvheten
av bollen och om bollens mitt är
koncentrisk med ventilsätets tätningsyta under montering. Tätningsspecifikt tryck och tätningsparets struktur och storlek är viktiga faktorer som påverkar tätningen av kryogena kulventiler, vilket måste beaktas fullt ut i konstruktionen.
