Requisitos de uso y sellado de la válvula de baja temperatura Cómo elegir el material de la válvula de baja temperatura

Requisitos de uso y sellado de la válvula de baja temperatura Cómo elegir el material de la válvula de baja temperatura

2. La influencia de la baja temperatura en el rendimiento de sellado de la válvula.
2.1 Pares de sellado no metálicos
Las válvulas de bola y las válvulas de mariposa que funcionan a temperatura ambiente generalmente utilizan pares de sellos de material no metálico a metal. Debido a la alta elasticidad de los materiales no metálicos, la presión específica requerida para el sellado es pequeña, por lo que el sellado es bueno. Sin embargo, a baja temperatura, debido a que el coeficiente de expansión de los materiales no metálicos es mucho mayor que el de los materiales metálicos, la contracción de la baja temperatura y la contracción de los sellos metálicos, cuerpos de válvulas y otras partes son muy diferentes, lo que conduce a la reducción grave de la presión específica de sellado y el resultado del sellado no se puede sellar. La mayoría de los materiales no metálicos se endurecen y se vuelven frágiles a temperaturas criogénicas, perdiendo tenacidad, lo que resulta en flujo en frío y relajación de la tensión. Como el caucho a una temperatura inferior a su temperatura vítrea, perderá completamente la elasticidad, se volverá vítreo y perderá su estanqueidad. Además, el caucho no se puede utilizar para válvulas de GNL porque tiene expansión de burbujas en el medio de GNL. Por lo tanto, en la actualidad, en el diseño de válvulas de baja temperatura, la temperatura general es inferior a -70 ℃ ya no se utilizan materiales auxiliares de sellado no metálicos, o materiales no metálicos a través de un proceso especial en un tipo de estructura compuesta de metal y no metálico.
Según los registros extranjeros, algunos materiales no metálicos se pueden utilizar bien en estado criogénico. En la década de 1970, el "slip shod", un nuevo plástico de Irish Alloy Co., LTD., era un tipo de polietileno de peso molecular ultraalto, que tenía buena tenacidad a -269 ° C, no se rompía bajo cierta tensión de impacto y mantenía una considerable resistencia al desgaste. El plástico Mylar desarrollado en Francia todavía es bastante elástico a la temperatura del hidrógeno líquido (-253 ℃). El soporte de sello de policarbonato de HT Lomanenko de la ex Unión Soviética fue probado en nitrógeno líquido (-196 ℃). Los datos muestran que el policarbonato tiene un buen efecto de sellado a baja temperatura.
2.2 Par de sellos de metal
En condiciones de baja temperatura, la resistencia y dureza de los materiales metálicos aumentan, la plasticidad y tenacidad disminuyen, mostrando diferentes grados de fenómeno de fragilidad por frío a baja temperatura, afectando seriamente el rendimiento y la seguridad de la válvula. Para evitar la fractura frágil por baja tensión de los materiales a baja temperatura, al diseñar válvulas de baja temperatura, generalmente se utilizan materiales de acero inoxidable ferrítico cuando la temperatura es superior a -100 ℃, mientras que cuando la temperatura es inferior a -100 ℃, el cuerpo de la válvula, la tapa de la válvula, el vástago de la válvula y el asiento de sellado se utilizan principalmente con acero inoxidable austenítico de celosía cúbica centrada en la cara, cobre y aleación de cobre, aluminio y aleación de aluminio, etc. Pero debido a que la dureza del aluminio y la aleación de aluminio no es alta, la resistencia a la abrasión y la resistencia a la abrasión de la superficie de sellado son pobres, por lo que rara vez se utilizan en la válvula de baja temperatura. Generalmente se utilizan materiales de acero inoxidable austenítico, comúnmente se utilizan 0Cr18Ni9, 00Cr17Ni12Mo2 (304, 316L), etc., estos materiales no tienen temperatura crítica de fragilidad por frío a baja temperatura y, en condiciones de baja temperatura, aún pueden mantener una alta tenacidad.
Sin embargo, el acero inoxidable austenítico como material auxiliar de sellado de metal de válvula de baja temperatura también tiene algunas deficiencias. Debido a que la mayoría de estos materiales se encuentran en un estado metaestable a temperatura ambiente, la austenita en el material se transforma en martensita cuando la temperatura desciende por debajo del punto de transición de fase (MS). Para la red cúbica centrada en el cuerpo de la martensita, la densidad es menor que la de la red cúbica centrada en la cara de la austenita, y debido a que algunos átomos de carbono organizan la regulación de la posición de la red cúbica centrada en el cuerpo, hacen que la red crezca a lo largo del eje C, por lo que el aumento de los cambios de volumen causados ​​por la tensión interna hace que originalmente después del pulido se cumplan los requisitos de sellado de deformación por pandeo de la superficie de sellado, lo que da como resultado una falla del sello.
Además de la falla por deformación de la superficie de sellado causada por la transformación de fase a baja temperatura, debido a la diferencia de temperatura de cada pieza o la diferencia de propiedades físicas entre diferentes materiales, lo que resulta en una contracción desigual, también se producirá tensión por variación de temperatura. Cuando la tensión está por debajo del límite elástico del material, se produce una distorsión elástica reversible en la superficie de sellado. Cuando la tensión de temperatura de una pieza excede el límite de fluencia del material, las piezas sufrirán una distorsión y deformación irreversibles, lo que también provocará la falla de la superficie de sellado y afectará el efecto de sellado.
En vista de la influencia de la baja temperatura en el par de sellado de metal, se deben tomar las medidas correspondientes para hacer que la deformación de la superficie de sellado de metal sea pequeña o que la deformación de la superficie de sellado tenga poca influencia en el rendimiento del sellado. En primer lugar, en términos de materiales, debemos tratar de elegir materiales con alta estabilidad de la estructura metalográfica (como 316L pero con alto costo). En segundo lugar, para el cuerpo, la tapa, el vástago, el sello y otros materiales austeníticos hechos de piezas deben procesarse a baja temperatura, de modo que la transformación y deformación de martensita del material se lleve a cabo por completo antes del acabado. La temperatura del tratamiento a baja temperatura debe ser menor que la temperatura de cambio de fase del material (MS) y menor que la temperatura de trabajo real de la válvula, y el tiempo de tratamiento debe ser de 2 ~ 4 h. Si es necesario, se puede realizar un tratamiento múltiple a baja temperatura o un tratamiento de envejecimiento apropiado. Además de las medidas anteriores, también se debe considerar el diseño estructural para reducir el impacto de la deformación de la superficie de sellado en el rendimiento del sellado, como en el diseño de válvulas de compuerta, válvulas de bola y válvulas de mariposa, se puede considerar el uso de una estructura de sellado elástica, de modo que la deformación a baja temperatura se pueda compensar parcialmente. Para la válvula de globo, se debe utilizar una estructura de sellado cónica, de modo que la deformación a baja temperatura en la superficie de sellado tenga un pequeño impacto.
3. Influencia de la baja temperatura en el rendimiento de sellado de la válvula.
3.1 Empaquetadura del vástago
Debido a los defectos del material de caucho a baja temperatura y al fenómeno de fragilidad por frío y flujo en frío grave de la mayoría de los materiales no metálicos, el diseño de sellado entre el vástago y el cuerpo de la válvula de baja temperatura no puede utilizar la forma de anillo de sellado, solo puede utilizar la estructura de sellado de caja de empaque y la estructura de sellado de fuelle. El sello de fuelle general se usa en el medio que no permite fugas de trazas y no es adecuado para ocasiones de empaque, la vida útil de su estructura de una sola capa es muy corta, el costo de la estructura de múltiples capas es alto, el procesamiento es difícil, por lo que generalmente no se usa.
La estructura de sellado de la caja de empaquetadura es fácil de fabricar y procesar, fácil de mantener y reemplazar, y es bastante común en la aplicación práctica. Sin embargo, la temperatura de trabajo general de la empaquetadura no puede ser inferior a -40 ℃. Para garantizar el rendimiento de sellado de la empaquetadura, el dispositivo de la caja de empaquetadura de la válvula de baja temperatura debe operarse en condiciones cercanas a la temperatura ambiente. A baja temperatura, con la disminución de la temperatura, la elasticidad del relleno desaparece gradualmente y el rendimiento a prueba de fugas disminuye. Debido a la fuga de medios causada por la empaquetadura y el hielo del vástago de la válvula, afectará el funcionamiento normal del vástago de la válvula, pero también debido al movimiento del vástago de la válvula se rayará la empaquetadura, lo que provocará fugas graves. Por lo tanto, en circunstancias normales, se requiere que la empaquetadura de la válvula de baja temperatura funcione a una temperatura superior a 0 ℃, lo que requiere el diseño de la estructura de la tapa de la válvula de cuello largo, de modo que la caja de empaquetadura esté alejada del medio de baja temperatura y la selección de empaquetadura con características de baja temperatura. Los rellenos comúnmente utilizados son politetrafluoroetileno, amianto, cuerda de amianto de politetrafluoroetileno impregnada y grafito flexible, entre los cuales, debido a que el amianto no puede evitar fugas de permeabilidad, el coeficiente de expansión lineal del politetrafluoroetileno es muy grande, el fenómeno de flujo en frío es grave, por lo que generalmente no se usa. El grafito flexible es un excelente material de sellado, gas, líquido son impermeables, la tasa de compresión es mayor al 40%, la resiliencia es mayor al 15%, la relajación de la tensión es menor al 5%, la presión de sujeción más baja se puede sellar. También tiene autolubricidad, utilizado como empaque de válvula puede prevenir eficazmente el desgaste del empaque y del vástago de la válvula, su rendimiento de sellado es obviamente mejor que el material de amianto tradicional, por lo que es uno de los materiales de sellado más excelentes.
Debido a que el relleno es generalmente de material no metálico, el coeficiente de expansión lineal es mucho mayor que el de la caja de relleno de metal y el vástago de la válvula. Por lo tanto, cuando el empaque ensamblado a temperatura ambiente desciende a una cierta temperatura, su contracción es mayor que la del orificio del empaque y el vástago de la válvula, lo que puede causar fugas debido a la disminución de la presión de precarga. En el diseño, el perno del prensaestopas se puede precargar con múltiples grupos de juntas de resorte de disco, de modo que la fuerza de precarga del empaque a baja temperatura se pueda compensar continuamente para garantizar el efecto de sellado del empaque.
El empaque de vástago combinado de baja fuga producido por Garlock Company en los Estados Unidos, el anillo del extremo está hecho de raíz de disco trenzada de fibra de carbono, el anillo de sellado está hecho de moldeo de tira de grafito con textura de diamante de alta pureza, a través de la estructura de copa y cono y características de expansión radial, de modo que se mejora el rendimiento del sellado.
La deformación a baja temperatura del material del vástago también afectará el rendimiento de sellado del empaque. Por lo tanto, al igual que el cuerpo de la válvula, la tapa de la válvula y los materiales de los accesorios de sellado, el vástago también debe someterse a un procesamiento criogénico después del acabado, para que la deformación a baja temperatura sea pequeña. Además, debido a que el acero inoxidable austenítico utilizado en el material del vástago criogénico no se puede tratar térmicamente para mejorar la dureza de la superficie, es más probable que la unión entre el vástago y el empaque se dañe entre sí, lo que da como resultado fugas en el empaque. Por lo tanto, la superficie del vástago debe revestirse con cromo duro o nitruro para mejorar la dureza de la superficie.
3.2 Junta de brida intermedia
Tanto el sello de la brida central de la válvula como la conexión externa de la válvula de conexión de brida generalmente tienen la forma de juntas. Dado que el material de la junta se endurece y reduce la plasticidad a baja temperatura, la junta para válvulas de baja temperatura tiene requisitos más altos. Debe tener un sellado y recuperación confiables a temperatura normal, baja temperatura y cambios de temperatura. La influencia de la baja temperatura en el rendimiento del sellado de la junta debe considerarse de manera integral.
Según las formas de sellado de juntas comúnmente utilizadas, la longitud del perno, el espesor de la junta y de la brida se encogerán a medida que disminuya la temperatura. Para garantizar un sellado confiable de la junta a baja temperatura, se debe cumplir con
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 Escriba el
ΔH1 — Deformación por tracción del conjunto de pernos, mm
Δ H1 = 1 / E1H sigma
ΔHT1 — Contracción del perno en el rango de temperatura de ΔT, mm
Δ HT1 Δ T = H alfa 1
ΔHT — contracción de la junta en la zona de temperatura ΔT, mm
Δ HT = alfa 2 Δ h T
ΔHT3 — Contracción de las bridas superior e inferior en la zona de temperatura ΔT, mm
Δ HT3 = alfa 3 Δ T1 (H – H)
σ1 — Precarga del perno, N/mm
E1 — módulo elástico del perno, N/mm
α1, α2, α3 son los coeficientes de expansión lineal de los materiales de los pernos, las juntas y las bridas, respectivamente, mm/m
Alto, Alto – mm
Cuando la junta de sellado alcanza la temperatura baja de trabajo diseñada desde la temperatura ambiente, la suma de la contracción de las bridas superior e inferior y la contracción de la junta debe ser menor que la suma de la contracción del perno y la deformación por tracción del conjunto del perno, a fin de garantizar que la junta aún tenga parte de la precarga a la temperatura de trabajo y mantenga la capacidad de sellado.
En consecuencia, se deben considerar cuatro aspectos en el diseño. ① El perno está hecho de material con un coeficiente de expansión lineal mayor, que tiene una mayor contracción a baja temperatura. ② La brida está hecha de material con un coeficiente de expansión lineal menor para reducir ΔHT3. ③ Reducir el espesor de la junta y utilizar el material con un coeficiente de expansión lineal pequeño como junta. (4) Aumentar la deformación por tracción de los pernos.
Para válvulas de baja temperatura por debajo de -100 ℃, el material del cuerpo y el material del perno generalmente están hechos de acero inoxidable austenítico, el coeficiente de expansión lineal es el mismo, por lo que es más importante elegir el material de junta apropiado y aumentar la deformación por tracción de los pernos. Material de junta ideal para baja temperatura, a temperatura ambiente su dureza es baja, a baja temperatura la resiliencia puede ser buena, el coeficiente de expansión lineal es pequeño y tiene cierta resistencia mecánica. En aplicaciones prácticas, generalmente se utilizan juntas de bobinado hechas de cinta de acero inoxidable rellena de amianto o politetrafluoroetileno o grafito flexible, y el efecto de sellado de las juntas de bobinado hechas de grafito flexible y acero inoxidable es ideal. En cuanto a la mayor deformación por tracción del perno, debido al límite de la precarga de instalación del perno, el margen aumentado no es mucho, por lo que se puede considerar configurar la junta de resorte de disco para compensar.