Огляд
Кульові крани широко використовуються в різних робочих умовах через їх просту конструкцію, невеликий простір для встановлення, а кульові крани покладаються на середнє зусилля для ущільнення, і на них не впливають зовнішні рушійні сили. В даний час кульові крани з наднизькими температурами зазвичай використовуються на станціях прийому СПГ. Кількість ультранизькотемпературних кульових кранів становить 80% від загальної кількості кранів у всій приймальній станції СПГ. Існує явище внутрішнього витоку наднизькотемпературних кульових кранів під час використання. Базуючись на критеріях проектування кріогенних клапанів і базовій теорії ефективності ущільнення клапана, у цій статті аналізуються фактори, що впливають на ущільнення кульових кранів із наднизькими температурами.
2 Керівні принципи проектування
Через надзвичайно низьку робочу температуру розробка та виготовлення наднизькотемпературних клапанів стикається з низкою технічних труднощів, таких як вибір матеріалу, низькотемпературне ущільнення, конструктивне проектування, обробка розчином, кріогенна обробка, теплоізоляція, контроль якості, технічне обслуговування , безпека тощо. З цієї причини існує низка суворих стандартів для конструкції кріогенних клапанів. У світі переважно використовуються міжнародні стандарти BS6364 «Кріогенні клапани» та MSSSP-134 «Вимоги до кріогенних клапанів та їхніх подовжувачів корпусу/кришки клапана». Вичерпно вказано основні моменти та правила проектування та виготовлення кріогенної арматури. Стандарт JB/T7749 «Технічні умови для кріогенних клапанів» трансформовано з BS6364 «Кріогенні клапани».
При розробці кріогенних клапанів, крім дотримання принципів конструкції загальних клапанів, слід дотримуватися спеціальних вимог до конструкції кріогенних клапанів відповідно до умов використання.
① Клапани не повинні бути значним джерелом тепла в кріогенних системах. Це пояснюється тим, що надходження тепла не тільки знижує теплову ефективність, але, якщо надходження занадто велике, це також призведе до швидкого випаровування внутрішньої рідини, що призведе до аномального підвищення тиску та спричинить небезпеку.
②Низькотемпературне середовище не повинно мати шкідливого впливу на роботу маховичка та ефективність ущільнення упаковки.
③Клапани, що безпосередньо контактують з низькотемпературними середовищами, повинні мати вибухобезпечні та вогнестійкі конструкції.
④Клапанний вузол, який працює при низькій температурі, не можна змащувати, тому необхідні конструктивні заходи, щоб запобігти подряпинам на тертьових частинах.
У процесі проектування кріогенних клапанів, крім розгляду загальних вимог, таких як пропускна здатність кріогенних клапанів, необхідно враховувати деякі інші показники, щоб краще оцінити технічний рівень кріогенних клапанів. Технічний рівень кріогенних клапанів зазвичай оцінюється шляхом визначення обґрунтованого споживання енергії.
①Адіабатичні характеристики кріогенних клапанів.
② Ефективність охолодження кріогенних клапанів.
③Робочі характеристики ущільнень для відкриття та закриття клапана при низькій температурі.
④ Умова, що поверхня кріогенного клапана не замерзає.
Робоче середовище кріогенних клапанів дуже відрізняється від умов роботи звичайних клапанів. У процесі проектування, виробництва та перевірки кріогенних клапанів, окрім дотримання загальних правил проектування, виготовлення та перевірки клапанів, також слід приділяти увагу навколишньому середовищу, в якому розташовані кріогенні клапани. Відповідні коригування.
3 основні теорії
Основними факторами, що впливають на ущільнення клапана, є структура ущільнювальної пари, питомий тиск ущільнювальної поверхні, фізичні властивості середовища та якість ущільнювальної пари. Але лише тоді, коли ми дійсно розуміємо принцип ущільнення клапана та повністю враховуємо різні фактори, що впливають на його ефективність ущільнення, ми можемо запобігти витоку та забезпечити герметичність.
На прикладі плоского ущільнення досліджується проблема ущільнення з’єднання ущільнювальної поверхні та коротко пояснюється принцип ущільнення. Принцип герметичного з’єднання показано на малюнку 1, у якому контейнер заповнений рідиною та газом під певним тиском і герметизований кришкою. Статичний тиск середовища в ємності становить: FJ=A×P
У формулі FJ — середня сила, Н
A——площа середовища, що діє на накладку, мм2
P——Статичний тиск середовища в ємності, МПа
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, певний питомий тиск буде створюватися на комбінованій ущільнювальній поверхні, і існуюча площина на площині буде деформована залежно від питомого тиску. Якщо деформація знаходиться в межах діапазону пружності матеріалу і є невелика залишкова деформація, ущільнення може бути гарантовано, коли сила F прикладена до контактної поверхні. До факторів забезпечення герметичності з'єднання, крім питомого тиску ущільнення, відносять також ущільнювальну конструкцію тощо. Але в цьому ряді факторів ключову роль відіграє питома величина тиску між ущільнювальними поверхнями.
4 Ущільнювальні елементи
Незважаючи на те, що структура кульового крана проста, оскільки це самоущільнювальний клапан середнього тиску та особлива структура кулі, існує багато факторів, які впливають на те, чи буде кульовий кран остаточно герметичний.
4.1 Ущільнення вторинної якості
Якість ущільнювальної пари кульового крана в основному проявляється в округлості кульки та шорсткості поверхні ущільнювальної поверхні між кулькою та сідлом клапана. Округлість м'яча впливає на те, наскільки добре м'яч вписується в сидіння. Якщо ступінь підгонки високий, опір рідини переміщенню вздовж ущільнювальної поверхні буде збільшено, тим самим покращуючи ефективність ущільнення. Як правило, округлість сфери повинна бути 9 ступеня.
Оздоблення поверхні ущільнювальної поверхні має великий вплив на ущільнення. Коли плавність низька, а питомий тиск малий, витік збільшиться. Однак, коли питомий тиск великий, вплив обробки на витік значно зменшується, оскільки мікроскопічні зубчасті вершини на ущільнювальній поверхні сплющуються, а гладкість м’якої ущільнювальної поверхні має більший вплив на ефективність ущільнення, ніж Жорсткість металу до металу Ущільнення набагато менше. З точки зору того, що лише коли проміжок між парами ущільнювачів менший за молекулярний діаметр рідини, рідина не може витікати, можна вважати, що проміжок для запобігання витоку рідини має бути меншим ніж {{{{2} }}}.003 мкм. Однак висота піків навіть на дрібно подрібненій металевій поверхні все ще перевищує 0,1 мкм, що в 30 разів перевищує діаметр молекули води. Можна побачити, що насправді важко покращити ефективність ущільнення лише за рахунок покращення гладкості поверхні ущільнення. Якість ущільнювальної пари не тільки впливає на ефективність ущільнення, але й безпосередньо впливає на термін служби кульового крана. Тому якість ущільнювальної пари необхідно покращувати під час виробництва.
4.2 Питомий тиск ущільнення
Питомий тиск ущільнення відноситься до тиску, що діє на одиницю площі ущільнювальної поверхні. Питомий тиск ущільнення створюється різницею тиску між передньою та задньою сторонами клапана та зовнішньою силою ущільнення. Питомий тиск безпосередньо впливає на ефективність ущільнення, надійність і термін служби кульового крана. Величина витоку обернено пропорційна різниці тиску. Експерименти довели, що за інших однакових умов кількість витоку обернено пропорційна квадрату різниці тисків, отже, кількість витоку буде зменшуватися зі збільшенням різниці тиску. Різниця тиску є важливим фактором для визначення питомого тиску ущільнення, тому питомий тиск ущільнення дуже важливий для ефективності ущільнення кріогенного кульового крана. Питомий тиск ущільнення, що прикладається до кульки, не повинен бути занадто великим, занадто великий є корисним для ущільнення, але збільшить робочий крутний момент клапана, тому розумний вибір питомого тиску ущільнення є передумовою для забезпечення герметичності ультра- низькотемпературний кульовий кран.
4.3 Фізичні властивості рідин
1) В'язкість
Проникність рідини тісно пов'язана з її в'язкістю. За інших однакових умов чим більша в'язкість рідини, тим менша її проникаюча здатність. Гази і рідини мають дуже різну в'язкість. ①В’язкість газу в десятки разів менша, ніж рідини, тому його здатність до проникнення сильніша, ніж у рідини. Але насичена пара є винятком, і насиченою парою легко забезпечити герметизацію. ②Стиснений газ витікає легше, ніж рідина.
(2) температура
Проникність рідини залежить від температури, що викликає зміну в'язкості. В’язкість газу зростає зі збільшенням температури, яка пропорційна кореню з температури газу. В'язкість рідини навпаки, вона різко зменшується з підвищенням температури і обернено пропорційна кубу температури. Крім того, зміни розмірів деталей через зміни температури призведуть до зміни тиску ущільнення в зоні ущільнення та можуть пошкодити ущільнення. Його вплив особливо значний для герметизації кріогенних рідин. Оскільки ущільнювальна пара, що контактує з рідиною, зазвичай холодніша, ніж напружений елемент, це спричиняє стискання та розслаблення ущільнювальної пари. У стані низької температури його герметизація ускладнюється, і більшість герметизуючих матеріалів виходять з ладу при низькій температурі. Тому при виборі ущільнювального матеріалу слід враховувати вплив температури.
3) Гідрофільність поверхні
Вплив гідрофільності поверхні на витік зумовлений характеристиками капілярних пор. Коли на поверхні є тонкий шар масляної плівки, він порушує гідрофільність контактної поверхні та блокує канал рідини, що вимагає великої різниці тиску для проходження рідини через капілярні пори. Тому деякі кульові крани використовують ущільнювальне мастило для покращення герметичності та терміну служби. Використовуючи мастило, слід мати на увазі, що якщо масляна плівка зменшується під час використання, мастило слід поповнити. Мастило, що використовується, має бути нерозчинним у рідкому середовищі, не повинно випаровуватися, твердіти чи зазнавати інших хімічних змін. Кріогенні кульові крани не підходять для ущільнення мастила, і більша частина мастила склується в умовах наднизьких температур.
4.4 Конструктивні розміри
(1) Ущільнювальна структура
Оскільки ущільнювальна пара не є абсолютно жорсткою, її структурний розмір неминуче змінюватиметься під впливом ущільнювальної сили або зміни температури, що змінюватиме силу взаємодії між ущільнювальними парами, що призведе до зниження ефективності ущільнення. Щоб компенсувати цю зміну, пломба повинна мати певну пружну деформацію. В даний час деякі сідла кульових клапанів мають структурну форму з пружною компенсацією або металевою пружною опорою, а деякі кулі також приймають структуру пружної кулі. Це агресивна форма покращеної герметизації.
(2) Ширина ущільнювальної поверхні
Ширина ущільнювальної поверхні визначає довжину капілярних пор. При збільшенні ширини відстань руху рідини вздовж капіляра пропорційно збільшується, а витік зменшується обернено. Але насправді це не так, оскільки контактні поверхні ущільнювальної пари не можуть бути повністю узгоджені, і коли відбувається деформація, ширина ущільнювальної поверхні не може повністю ефективно відігравати роль ущільнення. З іншого боку, збільшення ширини ущільнювальної поверхні збільшить необхідну силу ущільнення, тому також важливо розумно вибрати ширину ущільнювальної поверхні.
(3) Розміри ущільнювального кільця
У наднизькотемпературних кульових кранах зазвичай використовуються ущільнювальні кільця з ПХТФЕ, а коефіцієнт лінійного розширення ПХТФЕ при низьких температурах набагато вищий, ніж у металів. Таким чином, при низьких температурах ущільнювальні кільця PCTFE зменшаться в розмірі, що призведе до зменшення питомого тиску ущільнення з кулькою, і між ним і сідлом клапана утвориться шлях витоку. Тому розмір ущільнювального кільця з PCTFE також є важливим фактором, що впливає на герметичність кульового крана для наднизьких температур. Вплив розмірної усадки при низькій температурі слід враховувати при проектуванні, а процес холодного складання слід прийняти в процесі.
5 Висновок
З огляду на поширені внутрішні витоки кульових кранів із наднизькими температурами на існуючих станціях прийому СПГ, на основі принципів конструкції кріогенних клапанів і базової теорії ущільнення клапана якість ущільнювальної пари, питомий тиск ущільнення, фізичні властивості рідини, а також структура та розмір ущільнювальної пари впливають на герметичність кульового крана з ультранизькою температурою. елементи аналізуються. Існує багато інших факторів, які впливають на герметичність кульових кранів із наднизькими температурами, наприклад, жорсткість кульки та те, чи концентрично центр кульки з ущільнювальною поверхнею сідла клапана під час складання. Питомий тиск ущільнення, а також структура та розмір пари ущільнювачів є важливими факторами, що впливають на ущільнення кріогенного кульового крана, які необхідно повністю враховувати при проектуванні.