Verwendung und Dichtungsanforderungen für Niedertemperaturventile. Auswahl des Materials für Niedertemperaturventile.

Verwendung und Dichtungsanforderungen für Niedertemperaturventile. Auswahl des Materials für Niedertemperaturventile.

2. Der Einfluss niedriger Temperaturen auf die Dichtleistung des Ventils
2.1 Nichtmetallische Dichtpaarungen
Kugelhähne und Absperrklappen, die bei Raumtemperatur betrieben werden, verwenden im Allgemeinen Dichtungspaarungen aus metallischen und nichtmetallischen Materialien. Aufgrund der hohen Elastizität nichtmetallischer Materialien ist der zum Abdichten erforderliche spezifische Druck gering, sodass die Abdichtung gut ist. Bei niedrigen Temperaturen ist der Ausdehnungskoeffizient nichtmetallischer Materialien jedoch viel größer als der von metallischen Materialien. Daher unterscheiden sich die Schrumpfung bei niedrigen Temperaturen stark von der Schrumpfung von Metalldichtungen, Ventilkörpern und anderen Teilen. Dies führt zu einer starken Verringerung des spezifischen Dichtungsdrucks und das Ergebnis der Abdichtung kann nicht mehr dicht sein. Die meisten nichtmetallischen Materialien versteifen sich bei kryogenen Temperaturen und werden spröde, wodurch sie an Zähigkeit verlieren, was zu Kaltfluss und Spannungsrelaxation führt. Beispielsweise verliert Gummi bei Temperaturen unter seiner Glastemperatur vollständig seine Elastizität, wird glasig und verliert seine Dichtigkeit. Außerdem kann Gummi nicht für LNG-Ventile verwendet werden, da es im LNG-Medium Blasen bildet. Aus diesem Grund werden bei der Konstruktion von Niedertemperaturventilen für Temperaturen unter -70 °C gegenwärtig keine nichtmetallischen Dichtungshilfsmaterialien mehr verwendet, und nichtmetallische Materialien werden durch ein spezielles Verfahren in eine metallische und nichtmetallische Verbundstruktur umgewandelt.
Ausländischen Aufzeichnungen zufolge können einige nichtmetallische Materialien im kryogenen Zustand gut verwendet werden. In den 1970er Jahren war „Slip Shod“, ein neuer Kunststoff der Irish Alloy Co., LTD., eine Art Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, das bei -269 °C eine gute Zähigkeit aufwies, unter bestimmten Stoßbelastungen nicht brach und eine beträchtliche Verschleißfestigkeit beibehielt. Der in Frankreich entwickelte Mylar-Kunststoff ist bei der Temperatur von flüssigem Wasserstoff (-253 °C) immer noch ziemlich elastisch. Der Polycarbonat-Dichtungshalter von HT Lomanenko aus der ehemaligen Sowjetunion wurde in flüssigem Stickstoff (-196 °C) getestet. Die Daten zeigen, dass das Polycarbonat bei niedrigen Temperaturen eine gute Dichtwirkung hat.
2.2 Metallisches Dichtungspaar
Bei niedrigen Temperaturen nehmen Festigkeit und Härte von Metallmaterialien zu, während Plastizität und Zähigkeit abnehmen. Es treten verschiedene Grade der Kaltsprödung bei niedrigen Temperaturen auf, was die Leistung und Sicherheit des Ventils ernsthaft beeinträchtigt. Um einen spröden Bruch von Materialien durch geringe Spannung bei niedrigen Temperaturen zu verhindern, werden bei der Konstruktion von Niedertemperaturventilen bei Temperaturen über -100 °C im Allgemeinen ferritische Edelstahlmaterialien verwendet, während bei Temperaturen unter -100 °C für Ventilkörper, Ventildeckel, Ventilschaft und Dichtsitz meist aus austenitischem Edelstahl mit kubisch-flächenzentriertem Gitter, Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen usw. verwendet werden. Da Aluminium und Aluminiumlegierungen jedoch keine hohe Härte aufweisen, ist die Abriebfestigkeit und Abriebfestigkeit der Dichtfläche gering, sodass sie bei Niedertemperaturventilen selten verwendet werden. Im Allgemeinen werden austenitische Edelstahlmaterialien verwendet, häufig 0Cr18Ni9, 00Cr17Ni12Mo2 (304, 316L) usw. Diese Materialien haben keine kritische Temperatur der Kältesprödung bei niedrigen Temperaturen und können unter niedrigen Temperaturbedingungen immer noch eine hohe Zähigkeit beibehalten.
Allerdings hat austenitischer Edelstahl als Hilfsmaterial für Ventilmetalldichtungen bei niedrigen Temperaturen auch einige Nachteile. Da sich die meisten dieser Materialien bei Raumtemperatur in einem metastabilen Zustand befinden, wandelt sich der Austenit im Material in Martensit um, wenn die Temperatur unter den Phasenübergangspunkt (MS) sinkt. Im kubisch raumzentrierten Gitter ist die Dichte von Martensit geringer als im kubisch flächenzentrierten Gitter von Austenit, und da einige Kohlenstoffatome im kubisch raumzentrierten Gitter eine bestimmte Position einnehmen, wächst das Gitter entlang der C-Achse, wodurch die Volumenveränderungen durch innere Spannungen zunehmen, was nach dem Schleifen zu Verformungen der Dichtungsoberfläche führt, die die Dichtungsanforderungen erfüllen, was zu einem Dichtungsversagen führt.
Neben dem Verformungsversagen der Dichtfläche, das durch Phasenumwandlung bei niedrigen Temperaturen verursacht wird, kommt es auch aufgrund der Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Teilen oder der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften verschiedener Materialien, die zu ungleichmäßiger Schrumpfung führen, zu Spannungen durch Temperaturschwankungen. Wenn die Spannung unter der Elastizitätsgrenze des Materials liegt, entsteht eine reversible elastische Verformung der Dichtfläche. Wenn die Temperaturspannung eines Teils die Streckgrenze des Materials überschreitet, kommt es zu irreversiblen Verformungen und Verformungen der Teile, was ebenfalls zum Versagen der Dichtfläche führt und die Dichtwirkung beeinträchtigt.
Angesichts des Einflusses niedriger Temperaturen auf das metallische Dichtungspaar müssen entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, um die Verformung der metallischen Dichtungsoberfläche gering zu halten bzw. sicherzustellen, dass die Verformung der Dichtungsoberfläche wenig Einfluss auf die Dichtungsleistung hat. Erstens sollten wir hinsichtlich der Materialien versuchen, Materialien mit einer hochstabilen metallografischen Struktur auszuwählen (wie etwa 316L, das jedoch teuer ist). Zweitens müssen Körper, Deckel, Schaft, Dichtung und andere Teile aus austenitischem Material bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden, damit die Martensitumwandlung und Verformung des Materials vor der Endbearbeitung vollständig abgeschlossen ist. Die Temperatur der Niedertemperaturbehandlung sollte niedriger sein als die Phasenübergangstemperatur des Materials (MS) und niedriger als die tatsächliche Betriebstemperatur des Ventils, und die Behandlungsdauer sollte 2 bis 4 Stunden betragen. Bei Bedarf können mehrere Niedertemperaturbehandlungen oder geeignete Alterungsbehandlungen durchgeführt werden. Zusätzlich zu den oben genannten Maßnahmen sollte auch bei der Konstruktion darauf geachtet werden, die Auswirkungen von Verformungen der Dichtfläche auf die Dichtleistung zu verringern. So kann beispielsweise bei der Konstruktion von Schiebern, Kugelhähnen und Absperrklappen der Einsatz elastischer Dichtungsstrukturen in Betracht gezogen werden, damit Verformungen bei niedrigen Temperaturen teilweise kompensiert werden können. Beim Absperrventil sollte die Dichtungsstruktur konisch sein, damit Verformungen bei niedrigen Temperaturen die Dichtfläche nur wenig beeinträchtigen.
3. Einfluss niedriger Temperaturen auf die Dichtleistung des Ventils
3.1 Spindelpackung
Aufgrund der Mängel von Gummimaterial bei niedrigen Temperaturen und der Kältespröde und des starken Kaltflussphänomens der meisten nichtmetallischen Materialien kann die Dichtungskonstruktion zwischen Schaft und Ventilkörper eines Niedertemperaturventils nicht in Form eines Dichtungsrings ausgeführt werden. Es können nur die Dichtungskonstruktion einer Stopfbuchse und eine Dichtungskonstruktion eines Balgs verwendet werden. Gewöhnliche Balgdichtungen werden in Medien verwendet, die keine Spurenleckage zulassen, und sind nicht für Dichtungszwecke geeignet. Die Lebensdauer einer einschichtigen Konstruktion ist sehr kurz, die Kosten einer mehrschichtigen Konstruktion sind hoch und die Verarbeitung ist schwierig, sodass sie im Allgemeinen nicht verwendet werden.
Die Dichtungsstruktur einer Stopfbuchse lässt sich leicht herstellen und verarbeiten, ist leicht zu warten und auszutauschen und wird häufig in der Praxis eingesetzt. Die allgemeine Betriebstemperatur der Stopfbuchse darf jedoch nicht unter -40 °C liegen. Um die Dichtleistung der Stopfbuchse zu gewährleisten, sollte die Stopfbuchse des Niedertemperaturventils bei einer Temperatur betrieben werden, die der Umgebungstemperatur nahe kommt. Bei niedrigen Temperaturen nimmt mit sinkender Temperatur die Elastizität des Füllmaterials allmählich ab und die Dichtigkeit nimmt ab. Durch Medienlecks aufgrund von Stopfbuchsen- und Ventilschafteis wird die normale Funktion des Ventilschafts beeinträchtigt. Außerdem kann die Stopfbuchse durch die Bewegung des Ventilschafts zerkratzt werden, was zu schweren Undichtigkeiten führt. Daher muss die Stopfbuchse eines Niedertemperaturventils unter normalen Umständen bei Temperaturen über 0 °C arbeiten. Dazu muss eine Ventildeckelstruktur mit langem Hals entworfen werden, um die Stopfbuchse vom Niedertemperaturmedium fernzuhalten, und eine Stopfbuchse mit Niedertemperatureigenschaften ausgewählt werden. Häufig verwendete Füllstoffe sind Polytetrafluorethylen, Asbest, imprägnierte Polytetrafluorethylen-Asbestseile und flexibler Graphit. Da Asbest keine Durchlässigkeitslecks vermeiden kann, ist der lineare Ausdehnungskoeffizient von Polytetrafluorethylen sehr groß und das Kaltflussphänomen schwerwiegend, weshalb es im Allgemeinen nicht verwendet wird. Flexibler Graphit ist ein ausgezeichnetes Dichtungsmaterial, das gas- und flüssigkeitsundurchlässig ist, die Kompressionsrate über 40 %, die Elastizität über 15 % und die Spannungsrelaxation unter 5 % liegt und bei niedrigerem Befestigungsdruck abgedichtet werden kann. Es ist außerdem selbstschmierend und kann als Ventildichtung verwendet werden, um Dichtungs- und Ventilschaftverschleiß wirksam zu verhindern. Seine Dichtungsleistung ist offensichtlich besser als die von herkömmlichem Asbestmaterial, sodass es eines der besten Dichtungsmaterialien ist.
Da der Füllstoff im Allgemeinen aus nichtmetallischem Material besteht, ist der lineare Ausdehnungskoeffizient viel größer als der des metallischen Füllkörpers und des Ventilschafts. Wenn die bei Raumtemperatur montierte Packung daher auf eine bestimmte Temperatur abfällt, ist ihre Schrumpfung größer als die der Packungsöffnung und des Ventilschafts, was aufgrund der Abnahme des Vorspanndrucks zu Undichtigkeiten führen kann. Bei der Konstruktion kann die Stopfbuchsenschraube mit mehreren Gruppen von Tellerfederdichtungen vorgespannt werden, sodass die Vorspannkraft der Packung bei niedriger Temperatur kontinuierlich ausgeglichen werden kann, um die Dichtwirkung der Packung sicherzustellen.
Die kombinierte Spindelpackung mit geringer Leckage wird von der Garlock Company in den USA hergestellt. Der Endring besteht aus einer geflochtenen Scheibenwurzel aus Kohlenstofffasern, der Dichtungsring ist aus einem Streifenformteil aus hochreinem Graphit mit Diamantstruktur gefertigt. Durch die Becher- und Kegelstruktur und die radialen Ausdehnungseigenschaften wird die Dichtungsleistung verbessert.
Die Verformung des Schaftmaterials bei niedrigen Temperaturen beeinträchtigt auch die Dichtleistung der Packung. Daher muss der Schaft, genau wie Ventilkörper, Ventildeckel und Dichtungszubehör, nach der Fertigstellung kryogen bearbeitet werden, damit die Verformung bei niedrigen Temperaturen gering bleibt. Da der im kryogenen Schaftmaterial verwendete austenitische Edelstahl nicht wärmebehandelt werden kann, um die Oberflächenhärte zu verbessern, besteht außerdem eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass sich die Verbindung zwischen Schaft und Packung gegenseitig verletzt, was zu Undichtigkeiten an der Packung führt. Daher muss die Schaftoberfläche mit Hartchrom oder Nitrid beschichtet werden, um die Oberflächenhärte zu verbessern.
3.2 Mittelflanschdichtung
Sowohl die mittlere Flanschdichtung des Ventils als auch der Außenanschluss des Flanschanschlussventils bestehen im Allgemeinen aus Dichtungen. Da Dichtungsmaterial bei niedrigen Temperaturen aushärtet und die Plastizität verringert, werden an die Dichtung für Niedertemperaturventile höhere Anforderungen gestellt. Sie muss bei Normaltemperatur, niedriger Temperatur und Temperaturschwankungen zuverlässig abdichten und sich erholen. Der Einfluss niedriger Temperaturen auf die Dichtungsleistung sollte umfassend berücksichtigt werden.
Gemäß den üblicherweise verwendeten Dichtungsformen schrumpfen die Bolzenlänge, die Dichtungs- und Flanschdicke mit sinkender Temperatur. Um eine zuverlässige Dichtungsabdichtung bei niedrigen Temperaturen zu gewährleisten, muss Folgendes eingehalten werden
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 Geben Sie den
ΔH1 — Zugverformung der Schraubenanordnung, mm
Δ H1 = 1 / E1H sigma
ΔHT1 — Schraubenschrumpfung im Temperaturbereich von ΔT, mm
Δ HT1 Δ T = H alpha 1
ΔHT — Schrumpfung der Dichtung in der ΔT-Temperaturzone, mm
Δ HT = alpha 2 Δ h T
ΔHT3 — Schrumpfung der oberen und unteren Flansche in der ΔT-Temperaturzone, mm
Δ HT3 = Alpha 3 Δ T1 (H – H)
σ1 — Schraubenvorspannung, N/mm
E1 — Elastizitätsmodul der Schraube, N/mm
α1, α2, α3 — sind die linearen Ausdehnungskoeffizienten von Schrauben-, Dichtungs- und Flanschmaterialien, mm/m
H, H – mm
Wenn die Dichtung von der Raumtemperatur auf die vorgesehene niedrige Arbeitstemperatur abgekühlt ist, muss die Summe aus der Schrumpfung des oberen und unteren Flansches und der Schrumpfung der Dichtung geringer sein als die Summe aus der Schrumpfung der Schraube und der Zugverformung der Schraubenanordnung, um sicherzustellen, dass die Dichtung bei der Arbeitstemperatur noch über einen Teil der Vorspannung verfügt und ihre Dichtfähigkeit beibehält.
Dementsprechend sollten bei der Konstruktion vier Aspekte berücksichtigt werden. ① Die Schraube besteht aus einem Material mit einem höheren linearen Ausdehnungskoeffizienten, das bei niedrigen Temperaturen stärker schrumpft. ② Der Flansch besteht aus einem Material mit einem niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten, um ΔHT3 zu verringern. ③ Reduzieren Sie die Dicke der Dichtung und verwenden Sie als Dichtung ein Material mit einem niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten. (4) Erhöhen Sie die Zugverformung der Schrauben.
Bei Niedertemperaturventilen unter -100 °C bestehen das Gehäusematerial und das Bolzenmaterial im Allgemeinen aus austenitischem Edelstahl. Der lineare Ausdehnungskoeffizient ist gleich. Daher ist es wichtiger, das geeignete Dichtungsmaterial auszuwählen und die Zugverformung der Bolzen zu erhöhen. Das ideale Dichtungsmaterial für Niedertemperaturventile weist bei Raumtemperatur eine geringe Härte auf, kann bei niedrigen Temperaturen eine gute Elastizität aufweisen, hat einen geringen linearen Ausdehnungskoeffizienten und weist eine gewisse mechanische Festigkeit auf. In praktischen Anwendungen werden im Allgemeinen Wickeldichtungen aus mit Asbest oder Polytetrafluorethylen oder flexiblem Graphit gefülltem Edelstahlband verwendet. Die Dichtwirkung von Wickeldichtungen aus flexiblem Graphit und Edelstahl ist ideal. Was die erhöhte Zugverformung des Bolzens betrifft, so ist der erhöhte Spielraum aufgrund der Begrenzung der Vorspannung bei der Bolzeninstallation nicht groß. Daher kann zur Kompensation eine Tellerfederdichtung eingesetzt werden.