متطلبات استخدام وختم صمام درجة الحرارة المنخفضة كيفية اختيار مادة صمام درجة الحرارة المنخفضة

متطلبات استخدام وختم صمام درجة الحرارة المنخفضة كيفية اختيار مادة صمام درجة الحرارة المنخفضة

2. تأثير انخفاض درجة الحرارة على أداء إحكام الصمام
2.1 أزواج الختم غير المعدنية
تستخدم صمامات الكرة وصمامات الفراشة التي تعمل في درجة حرارة الغرفة عمومًا أزواجًا من المواد المعدنية وغير المعدنية للختم. نظرًا للمرونة العالية للمواد غير المعدنية، فإن الضغط النوعي المطلوب للختم صغير، وبالتالي يكون الختم جيدًا. ومع ذلك، في درجات الحرارة المنخفضة، نظرًا لأن معامل التمدد للمواد غير المعدنية أكبر بكثير من معامل المواد المعدنية، فإن انكماش درجات الحرارة المنخفضة وانكماش الأختام المعدنية وأجسام الصمامات والأجزاء الأخرى يختلف كثيرًا، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في الضغط النوعي للختم ونتيجة لذلك لا يمكن ختم الختم. تتصلب معظم المواد غير المعدنية وتصبح هشة في درجات الحرارة المنخفضة، وتفقد صلابتها، مما يؤدي إلى تدفق بارد واسترخاء الإجهاد. مثل المطاط عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة زجاجه، سيفقد مرونته تمامًا ويصبح زجاجيًا ويفقد إحكامه. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن استخدام المطاط لصمامات الغاز الطبيعي المسال لأنه يتمدد على شكل فقاعات في وسط الغاز الطبيعي المسال. لذلك، في الوقت الحاضر في تصميم صمام درجة الحرارة المنخفضة، درجة الحرارة العامة أقل من -70 درجة مئوية لم تعد تستخدم مواد مساعدة غير معدنية للإغلاق، أو المواد غير المعدنية من خلال عملية خاصة في نوع الهيكل المركب المعدني وغير المعدني.
وفقًا للسجلات الأجنبية، يمكن استخدام بعض المواد غير المعدنية بشكل جيد في الحالة المبردة. في سبعينيات القرن العشرين، كان "slip shod"، وهو بلاستيك جديد من شركة Irish Alloy Co., LTD.، نوعًا من البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي، والذي كان يتمتع بصلابة جيدة عند -269 درجة مئوية، ولم ينكسر تحت ضغط معين، وحافظ على مقاومة كبيرة للتآكل. لا يزال بلاستيك Mylar الذي تم تطويره في فرنسا مرنًا تمامًا عند درجة حرارة الهيدروجين السائل (-253 درجة مئوية). تم اختبار حامل ختم البولي كربونات لشركة HT Lomanenko من الاتحاد السوفيتي السابق في النيتروجين السائل (-196 درجة مئوية). تُظهر البيانات أن البولي كربونات له تأثير ختم جيد عند درجة حرارة منخفضة.
2.2 زوج ختم معدني
في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة، تزداد قوة وصلابة المواد المعدنية، وتقل اللدونة والصلابة، مما يظهر درجات مختلفة من ظاهرة الهشاشة الباردة في درجات الحرارة المنخفضة، مما يؤثر بشكل خطير على أداء وسلامة الصمام. من أجل منع كسر الهشاشة المنخفض الإجهاد للمواد في درجات الحرارة المنخفضة، عند تصميم صمامات درجات الحرارة المنخفضة، تُستخدم مواد الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي بشكل عام عندما تكون درجة الحرارة أعلى من -100 درجة مئوية، بينما عندما تكون درجة الحرارة أقل من -100 درجة مئوية، يتم استخدام جسم الصمام وغطاء الصمام وجذع الصمام ومقعد الختم في الغالب مع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المكعب المركزي الوجه والنحاس وسبائك النحاس والألومنيوم وسبائك الألومنيوم، إلخ. ولكن نظرًا لأن صلابة الألومنيوم وسبائك الألومنيوم ليست عالية، فإن مقاومة التآكل ومقاومة التآكل لسطح الختم ضعيفة، لذلك نادرًا ما تستخدم في صمام درجات الحرارة المنخفضة. تستخدم بشكل عام مواد الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، وتستخدم عادة 0Cr18Ni9، 00Cr17Ni12Mo2 (304، 316L)، وما إلى ذلك، هذه المواد ليس لديها درجة حرارة منخفضة أو درجة حرارة حرجة هشة باردة، وفي ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة، لا تزال قادرة على الحفاظ على صلابة عالية.
ومع ذلك، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي كمواد مساعدة لختم المعدن منخفض الحرارة للصمامات لديه أيضًا بعض العيوب. نظرًا لأن معظم هذه المواد في حالة غير مستقرة في درجة حرارة الغرفة، فإن الأوستينيت في المادة يتحول إلى مارتنسيت عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون نقطة انتقال الطور (MS). بالنسبة لشبكة مكعب مركزية الجسم من مارتنسيت، تكون الكثافة أقل من كثافة الشبكة المكعبة مركزية الوجه من الأوستينيت، ولأن بعض ذرات الكربون تنظم موضع الشبكة المكعبة مركزية الجسم، فإن الشبكة تنمو على طول المحور C، وبالتالي فإن زيادة التغييرات في الحجم الناجمة عن الإجهاد الداخلي، تجعل في الأصل بعد الطحن تلبية متطلبات الختم لتشوه انبعاج سطح الختم، مما يؤدي إلى فشل الختم.
بالإضافة إلى فشل تشوه سطح الختم الناجم عن تحول الطور عند درجات حرارة منخفضة، بسبب اختلاف درجة الحرارة لكل جزء أو اختلاف الخصائص الفيزيائية بين المواد المختلفة، مما يؤدي إلى انكماش غير متساوٍ، سيحدث أيضًا إجهاد اختلاف درجة الحرارة. عندما يكون الإجهاد أقل من حد مرونة المادة، يتم إنتاج تشوه مرن قابل للعكس في سطح الختم. عندما يتجاوز إجهاد درجة الحرارة لجزء حد الخضوع للمادة، سيكون للأجزاء تشوه وتشوه لا رجعة فيه، مما سيؤدي أيضًا إلى فشل سطح الختم ويؤثر على تأثير الختم.
نظرًا لتأثير درجات الحرارة المنخفضة على زوج الختم المعدني، يجب اتخاذ التدابير المقابلة لجعل تشوه سطح الختم المعدني صغيرًا أو تشوه سطح الختم له تأثير ضئيل على أداء الختم. أولاً، من حيث المواد، يجب أن نحاول اختيار مواد ذات ثبات عالٍ للهيكل المعدني (مثل 316L ولكن بتكلفة عالية). ثانيًا، بالنسبة للجسم والغطاء والساق والختم والمواد الأوستنيتية الأخرى المصنوعة من الأجزاء، يجب معالجتها في درجة حرارة منخفضة، بحيث يتم تنفيذ تحويل المارتنسيت وتشوه المادة بالكامل قبل التشطيب. يجب أن تكون درجة حرارة المعالجة منخفضة الحرارة أقل من درجة حرارة تغير طور المادة (MS) وأقل من درجة حرارة العمل الفعلية للصمام، ويجب أن يكون وقت المعالجة من 2 إلى 4 ساعات. إذا لزم الأمر، يمكن إجراء معالجة متعددة بدرجة حرارة منخفضة أو معالجة الشيخوخة المناسبة. بالإضافة إلى التدابير المذكورة أعلاه، ينبغي أيضًا مراعاة التصميم الهيكلي لتقليل تأثير تشوه سطح الختم على أداء الختم، كما هو الحال في تصميم صمامات البوابة وصمامات الكرة وصمامات الفراشة يمكن النظر في استخدام هيكل الختم المرن، بحيث يمكن تعويض تشوه درجات الحرارة المنخفضة جزئيًا. بالنسبة لصمام الكرة الأرضية، يجب أن يكون هيكل الختم مخروطيًا، بحيث يكون تشوه درجات الحرارة المنخفضة على سطح الختم ذو تأثير صغير.
3. تأثير درجات الحرارة المنخفضة على أداء إحكام الصمام
3.1 تعبئة الجذع
بسبب عيوب مادة المطاط في درجات الحرارة المنخفضة وهشاشة البرد وظاهرة التدفق البارد الخطيرة لمعظم المواد غير المعدنية، فإن تصميم الختم بين الساق وجسم الصمام لصمام درجة الحرارة المنخفضة لا يمكن استخدام شكل حلقة الختم، يمكن فقط استخدام هيكل ختم صندوق التعبئة وهيكل ختم المنفاخ. يتم استخدام ختم المنفاخ بشكل عام في الوسط لا يسمح بتسرب الأثر ولا يصلح لمناسبات التعبئة، وعمر هيكل الطبقة الواحدة قصير جدًا، وتكلفة الهيكل متعدد الطبقات عالية، والمعالجة صعبة، لذلك لا يتم استخدامه بشكل عام.
هيكل الختم لصندوق الحشو سهل التصنيع والمعالجة، وسهل الصيانة والاستبدال، وهو شائع جدًا في التطبيق العملي. ومع ذلك، لا يمكن أن تكون درجة حرارة العمل العامة للتغليف أقل من -40 درجة مئوية. من أجل ضمان أداء الختم للتغليف، يجب تشغيل جهاز صندوق التعبئة لصمام درجة الحرارة المنخفضة في ظل ظروف قريبة من درجة الحرارة المحيطة. عند درجة حرارة منخفضة، مع انخفاض درجة الحرارة، تختفي مرونة الحشو تدريجيًا، وينخفض ​​أداء منع التسرب. بسبب تسرب الوسائط الناجم عن التعبئة وثلج ساق الصمام، سيؤثر على التشغيل العادي لساق الصمام، ولكن أيضًا بسبب حركة ساق الصمام سيكون خدش التعبئة، مما يتسبب في تسرب خطير. لذلك، في ظل الظروف العادية، يلزم أن تعمل تعبئة الصمام منخفضة الحرارة عند درجة حرارة أعلى من 0 درجة مئوية، مما يتطلب تصميم هيكل غطاء الصمام طويل العنق، بحيث يكون صندوق التعبئة بعيدًا عن وسط درجة الحرارة المنخفضة، واختيار التعبئة ذات خصائص درجة الحرارة المنخفضة. الحشوات المستخدمة بشكل شائع هي بولي تترافلورو إيثيلين، الأسبستوس، حبل الأسبستوس المشبع بالبولي تترافلورو إيثيلين والجرافيت المرن، ومن بينها، نظرًا لأن الأسبستوس لا يمكنه تجنب تسرب النفاذية، فإن معامل التمدد الخطي للبولي تترافلورو إيثيلين كبير جدًا، وظاهرة التدفق البارد خطيرة، لذلك لا يتم استخدامها بشكل عام. الجرافيت المرن هو مادة مانعة للتسرب ممتازة، الغاز والسوائل غير منفذة، ومعدل الضغط أكبر من 40٪، والمرونة أكبر من 15٪، واسترخاء الإجهاد أقل من 5٪، ويمكن سد ضغط التثبيت المنخفض. كما أنه يتمتع بقدرة تشحيم ذاتية، ويستخدم كحشو للصمام يمكن أن يمنع بشكل فعال التعبئة وتآكل ساق الصمام، وأداء الختم الخاص به أفضل من مادة الأسبستوس التقليدية، لذلك فهو أحد أفضل مواد الختم.
نظرًا لأن الحشو عبارة عن مادة غير معدنية بشكل عام، فإن معامل التمدد الخطي أكبر بكثير من صندوق الحشو المعدني وجذع الصمام. لذلك، عندما تنخفض التعبئة المجمعة في درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة معينة، يكون انكماشها أكبر من انكماش فتحة التعبئة وجذع الصمام، مما قد يتسبب في تسرب بسبب انخفاض ضغط التحميل المسبق. في التصميم، يمكن تحميل مسمار غدة التعبئة مسبقًا بمجموعات متعددة من حشوات زنبرك القرص، بحيث يمكن تعويض قوة التحميل المسبق للتعبئة عند درجة حرارة منخفضة بشكل مستمر لضمان تأثير الختم للتعبئة.
يتم إنتاج التعبئة الجذعية المدمجة منخفضة التسرب من قبل شركة Garlock في الولايات المتحدة، الحلقة النهائية مصنوعة من جذر قرص مضفر من ألياف الكربون، حلقة الختم مصنوعة من قالب شريط الجرافيت ذو نسيج الماس عالي النقاء، من خلال هيكل الكأس والمخروط وخصائص التوسع الشعاعي، بحيث يتم تحسين أداء الختم.
كما أن تشوه مادة الساق بسبب درجات الحرارة المنخفضة سيؤثر أيضًا على أداء الختم للحشوة. لذلك، كما هو الحال مع جسم الصمام وغطاء الصمام ومواد ملحقات الختم، يجب أيضًا معالجة الساق بالتبريد بعد التشطيب، من أجل جعل التشوه في درجات الحرارة المنخفضة صغيرًا. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المستخدم في مادة الساق بالتبريد لا يمكن معالجته بالحرارة لتحسين صلابة السطح، فإن المفصل بين الساق والحشوة أكثر عرضة للكدمات، مما يؤدي إلى تسرب في الحشوة. لذلك، يجب طلاء سطح الساق بالكروم الصلب أو النتريد لتحسين صلابة السطح.
3.2 حشية الشفة الوسطى
إن كلاً من مانع التسرب في الحافة الوسطى للصمام والاتصال الخارجي لصمام اتصال الحافة يكونان بشكل عام على شكل حشوات. ونظرًا لأن مادة الحشوة تتصلب وتقلل من اللدونة عند درجات الحرارة المنخفضة، فإن حشوة الصمامات ذات درجات الحرارة المنخفضة لها متطلبات أعلى. يجب أن تتمتع بمانع تسرب موثوق به واستعادة في درجات الحرارة العادية ودرجات الحرارة المنخفضة وتغيرات درجات الحرارة. يجب النظر في تأثير درجات الحرارة المنخفضة على أداء مانع التسرب للحشوة بشكل شامل.
وفقًا لأشكال إحكام غلق الحشية المستخدمة بشكل شائع، فإن طول البراغي وسمك الحشية والشفة سوف يتقلص مع انخفاض درجة الحرارة. من أجل ضمان إحكام غلق الحشية بشكل موثوق في درجات الحرارة المنخفضة، يجب تلبية
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 اكتب في
ΔH1 — تشوه الشد لتجميع البراغي، مم
Δ H1 = 1 / E1H سيجما
ΔHT1 — انكماش البراغي في نطاق درجة حرارة ΔT، مم
Δ HT1 Δ T = ح ألفا 1
ΔHT — انكماش الحشية في منطقة درجة الحرارة ΔT، مم
Δ HT = ألفا 2 Δ ح T
ΔHT3 — انكماش الحواف العلوية والسفلية في منطقة درجة الحرارة ΔT، مم
Δ HT3 = ألفا 3 Δ T1 (ح – ح)
σ1 — حمل الترباس المسبق، نيوتن/مم
E1 - معامل مرونة البرغي، نيوتن/مم
α1، α2، α3 — هي معامل التمدد الخطي لمواد البراغي والحشية والشفة، على التوالي، مم/م
ح، ح – مم
عندما يصل ختم الحشية إلى درجة حرارة العمل المنخفضة المصممة من درجة حرارة الغرفة، يجب أن يكون مجموع انكماش الشفاه العلوية والسفلية وانكماش الحشية أقل من مجموع انكماش البرغي والتشوه الشد لتجميع البرغي، وذلك لضمان أن الحشية لا تزال تحتوي على جزء من التحميل المسبق عند درجة حرارة العمل والحفاظ على قدرة الختم.
وعليه، ينبغي مراعاة أربعة جوانب في التصميم. ① البراغي مصنوعة من مادة ذات معامل تمدد خطي أكبر، والتي يكون انكماشها أكبر عند درجة حرارة منخفضة. ② الحافة مصنوعة من مادة ذات معامل تمدد خطي أصغر لتقليل ΔHT3. ③ تقليل سمك الحشية، واستخدام المادة ذات معامل التمدد الخطي الصغير كحشية. (4) زيادة تشوه الشد للبراغي.
بالنسبة للصمامات ذات درجات الحرارة المنخفضة التي تقل عن -100 درجة مئوية، فإن مادة الجسم ومادة البراغي مصنوعة بشكل عام من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، ومعامل التمدد الخطي هو نفسه، لذلك من المهم اختيار مادة الحشية المناسبة وزيادة تشوه الشد للبراغي. مادة الحشية المثالية ذات درجات الحرارة المنخفضة، تكون صلابتها منخفضة في درجة حرارة الغرفة، ويمكن أن تكون مرونتها جيدة في درجات الحرارة المنخفضة، ومعامل التمدد الخطي صغير وله قوة ميكانيكية معينة. في التطبيقات العملية، تُستخدم عمومًا حشوات اللف المصنوعة من شريط الفولاذ المقاوم للصدأ المملوء بالأسبستوس أو بولي تترافلورو إيثيلين أو الجرافيت المرن، ويكون تأثير الختم لحشوات اللف المصنوعة من الجرافيت المرن والفولاذ المقاوم للصدأ مثاليًا. أما بالنسبة لزيادة تشوه الشد للبرغي، فبسبب حد التحميل المسبق لتركيب البرغي، فإن الهامش المتزايد ليس كبيرًا، لذلك يمكن اعتبار ضبط حشية زنبرك القرص للتعويض.