Utilisation et exigences d'étanchéité des vannes basse température Comment choisir le matériau des vannes basse température

Utilisation et exigences d'étanchéité des vannes basse température Comment choisir le matériau des vannes basse température

2. L'influence de la basse température sur les performances d'étanchéité de la vanne
2.1 Paires d'étanchéité non métalliques
Les vannes à boisseau sphérique et les vannes papillon fonctionnant à température ambiante utilisent généralement des paires de joints en métal et en matériau non métallique. En raison de la grande élasticité des matériaux non métalliques, la pression spécifique requise pour l'étanchéité est faible, de sorte que l'étanchéité est bonne. Cependant, à basse température, comme le coefficient de dilatation des matériaux non métalliques est beaucoup plus grand que celui des matériaux métalliques, le rétrécissement à basse température et le rétrécissement des joints métalliques, des corps de vanne et d'autres pièces sont très différents, ce qui conduit à une réduction importante de la pression spécifique d'étanchéité et le résultat de l'étanchéité ne peut pas être scellé. La plupart des matériaux non métalliques se raidissent et deviennent cassants à des températures cryogéniques, perdant leur ténacité, ce qui entraîne un écoulement à froid et une relaxation des contraintes. Comme le caoutchouc à une température inférieure à sa température de verre, il perdra complètement son élasticité, deviendra vitreux et perdra son étanchéité. De plus, le caoutchouc ne peut pas être utilisé pour les vannes GNL car il présente une dilatation des bulles dans le milieu GNL. Par conséquent, à l'heure actuelle, dans la conception de vannes à basse température, la température générale est inférieure à -70 ℃, il n'est plus utilisé de matériaux auxiliaires d'étanchéité non métalliques, ni de matériaux non métalliques via un processus spécial en structure composite de type métallique et non métallique.
Selon des documents étrangers, certains matériaux non métalliques peuvent être utilisés sans problème à l'état cryogénique. Dans les années 1970, le « slip shod », un nouveau plastique de la société Irish Alloy Co., LTD., était une sorte de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé, qui avait une bonne ténacité à -269 °C, ne se cassait pas sous certaines contraintes d'impact et maintenait une résistance à l'usure considérable. Le plastique Mylar développé en France est encore assez élastique à la température de l'hydrogène liquide (-253 ℃). Le porte-joint en polycarbonate de HT Lomanenko de l'ex-Union soviétique a été testé dans l'azote liquide (-196 ℃). Les données montrent que le polycarbonate a un bon effet d'étanchéité à basse température.
2.2 Paire de joints métalliques
Français Dans des conditions de basse température, la résistance et la dureté des matériaux métalliques augmentent, la plasticité et la ténacité diminuent, montrant différents degrés de phénomène de fragilité à froid à basse température, affectant sérieusement les performances et la sécurité de la vanne. Afin d'éviter la rupture fragile à faible contrainte des matériaux à basse température, lors de la conception de vannes à basse température, des matériaux en acier inoxydable ferritique sont généralement utilisés lorsque la température est supérieure à -100℃, tandis que lorsque la température est inférieure à -100℃, le corps de vanne, le couvercle de vanne, la tige de vanne et le siège d'étanchéité sont principalement utilisés avec de l'acier inoxydable austénitique à treillis cubique à faces centrées, du cuivre et des alliages de cuivre, de l'aluminium et des alliages d'aluminium, etc. Mais comme la dureté de l'aluminium et de l'alliage d'aluminium n'est pas élevée, la résistance à l'abrasion et la résistance à l'abrasion de la surface d'étanchéité sont médiocres, de sorte qu'ils sont rarement utilisés dans la vanne à basse température. Généralement, on utilise des matériaux en acier inoxydable austénitique, couramment utilisés 0Cr18Ni9, 00Cr17Ni12Mo2 (304, 316L), etc., ces matériaux n'ont pas de température critique de fragilité à froid à basse température, dans des conditions de basse température, peuvent toujours maintenir une ténacité élevée.
Cependant, l'acier inoxydable austénitique utilisé comme matériau auxiliaire pour les joints métalliques de soupapes à basse température présente également quelques défauts. Étant donné que la plupart de ces matériaux sont dans un état métastable à température ambiante, l'austénite du matériau se transforme en martensite lorsque la température est abaissée en dessous du point de transition de phase (MS). Pour le réseau cubique centré sur le corps de la martensite, la densité est inférieure à celle du réseau cubique centré sur les faces de l'austénite, et comme certains atomes de carbone organisent la régulation de la position du réseau cubique centré sur le corps, le réseau se développe le long de l'axe C, augmentant ainsi les changements de volume causés par la contrainte interne, ce qui fait qu'à l'origine, après le meulage, les exigences d'étanchéité sont satisfaites en matière de déformation par flambage de la surface d'étanchéité, ce qui entraîne une défaillance du joint.
En plus de la déformation de la surface d'étanchéité causée par la transformation de phase à basse température, en raison de la différence de température de chaque pièce ou de la différence de propriétés physiques entre différents matériaux, entraînant un retrait irrégulier, des contraintes de variation de température se produiront également. Lorsque la contrainte est inférieure à la limite d'élasticité du matériau, une distorsion élastique réversible se produit dans la surface d'étanchéité. Lorsque la contrainte de température d'une pièce dépasse la limite d'élasticité du matériau, les pièces subiront une distorsion et une déformation irréversibles, ce qui entraînera également la défaillance de la surface d'étanchéité et affectera l'effet d'étanchéité.
Compte tenu de l'influence de la basse température sur la paire d'étanchéité métallique, des mesures correspondantes doivent être prises pour que la déformation de la surface d'étanchéité métallique soit faible ou que la déformation de la surface d'étanchéité ait peu d'influence sur les performances d'étanchéité. Tout d'abord, en termes de matériaux, nous devons essayer de choisir des matériaux à haute stabilité de structure métallographique (comme le 316L mais avec un coût élevé). Deuxièmement, pour le corps, le couvercle, la tige, le joint et d'autres matériaux austénitiques des pièces doivent être traités à basse température, de sorte que la transformation martensitique et la déformation du matériau soient entièrement réalisées avant la finition. La température du traitement à basse température doit être inférieure à la température de changement de phase du matériau (MS) et inférieure à la température de fonctionnement réelle de la vanne, et le temps de traitement doit être de 2 à 4 heures. Si nécessaire, plusieurs traitements à basse température ou un traitement de vieillissement approprié peuvent être effectués. Outre les mesures ci-dessus, la conception structurelle doit également être prise en compte pour réduire l'impact de la déformation de la surface d'étanchéité sur les performances d'étanchéité. Par exemple, dans la conception des robinets-vannes, des robinets à boisseau sphérique et des robinets papillon, on peut envisager l'utilisation d'une structure d'étanchéité élastique, de sorte que la déformation à basse température puisse être partiellement compensée. Pour le robinet à soupape, la structure d'étanchéité doit être conique, de sorte que la déformation à basse température sur la surface d'étanchéité ait un faible impact.
3. Influence de la basse température sur les performances d'étanchéité de la vanne
3.1 Garniture de tige
En raison des défauts du caoutchouc à basse température et de la fragilité à froid et du phénomène grave de fluage à froid de la plupart des matériaux non métalliques, la conception d'étanchéité entre la tige et le corps de la vanne à basse température ne peut pas utiliser la forme d'anneau d'étanchéité, peut uniquement utiliser la structure d'étanchéité de boîte à garniture et la structure d'étanchéité à soufflet. Le joint à soufflet général est utilisé dans les milieux qui ne permettent pas de fuites de traces et ne convient pas aux occasions d'emballage, la durée de vie de sa structure monocouche est très courte, le coût de la structure multicouche est élevé, le traitement est difficile, donc généralement non utilisé.
La structure d'étanchéité du presse-étoupe est facile à fabriquer et à traiter, facile à entretenir et à remplacer, et est assez courante dans les applications pratiques. Cependant, la température de fonctionnement générale du presse-étoupe ne peut pas être inférieure à -40 ℃. Afin de garantir les performances d'étanchéité du presse-étoupe, le dispositif de presse-étoupe de la vanne basse température doit être utilisé dans des conditions proches de la température ambiante. À basse température, avec la baisse de température, l'élasticité du remplissage disparaît progressivement et les performances d'étanchéité diminuent. En raison des fuites de fluides causées par la garniture et la glace de la tige de soupape, cela affectera le fonctionnement normal de la tige de soupape, mais aussi en raison du mouvement de la tige de soupape, la garniture se rayera, provoquant de graves fuites. Par conséquent, dans des circonstances normales, la garniture de vanne basse température doit fonctionner à une température supérieure à 0 ℃, ce qui nécessite la conception de la structure de couvercle de vanne à col long, de sorte que la boîte de garniture soit éloignée du fluide à basse température, et la sélection de garnitures ayant des caractéristiques de basse température. Les matériaux de remplissage couramment utilisés sont le polytétrafluoroéthylène, l'amiante, le polytétrafluoroéthylène imprégné d'amiante et le graphite flexible, parmi lesquels, comme l'amiante ne peut pas éviter les fuites de perméabilité, le coefficient de dilatation linéaire du polytétrafluoroéthylène est très élevé, le phénomène d'écoulement à froid est grave, donc généralement non utilisé. Le graphite flexible est un excellent matériau d'étanchéité, le gaz, le liquide sont imperméables, le taux de compression est supérieur à 40 %, la résilience est supérieure à 15 %, la relaxation des contraintes est inférieure à 5 %, la pression de fixation inférieure peut être scellée. Il a également une autolubrification, utilisé comme garniture de soupape peut empêcher efficacement l'usure de la garniture et de la tige de soupape, ses performances d'étanchéité sont évidemment meilleures que celles du matériau d'amiante traditionnel, c'est donc l'un des meilleurs matériaux d'étanchéité.
Étant donné que le matériau de remplissage est généralement un matériau non métallique, le coefficient de dilatation linéaire est beaucoup plus grand que celui du boîtier de remplissage et de la tige de soupape en métal. Par conséquent, lorsque la garniture assemblée à température ambiante chute à une certaine température, son rétrécissement est supérieur à celui du trou de garniture et de la tige de soupape, ce qui peut provoquer une fuite en raison de la diminution de la pression de précharge. Dans la conception, le boulon de presse-étoupe peut être préchargé avec plusieurs groupes de joints à ressort à disque, de sorte que la force de précharge de la garniture à basse température peut être compensée en continu pour assurer l'effet d'étanchéité de la garniture.
Garniture de tige combinée à faible fuite produite par Garlock Company aux États-Unis, la bague d'extrémité est constituée d'une racine de disque tressée en fibre de carbone, la bague d'étanchéité est constituée d'un moulage en bande de graphite à texture diamant de haute pureté, grâce à la structure en coupelle et en cône et aux caractéristiques d'expansion radiale, de sorte que les performances d'étanchéité sont améliorées.
La déformation à basse température du matériau de la tige affectera également les performances d'étanchéité de la garniture. Par conséquent, comme le corps de vanne, le couvercle de vanne et les matériaux des accessoires d'étanchéité, la tige doit également subir un traitement cryogénique après la finition, afin de réduire la déformation à basse température. De plus, comme l'acier inoxydable austénitique utilisé dans le matériau de la tige cryogénique ne peut pas être traité thermiquement pour améliorer la dureté de surface, le joint entre la tige et la garniture est plus susceptible de se heurter, ce qui entraîne une fuite au niveau de la garniture. Par conséquent, la surface de la tige doit être plaquée avec du chrome dur ou du nitrure pour améliorer la dureté de surface.
3.2 Joint de bride intermédiaire
Le joint de bride intermédiaire de la vanne et le raccord externe de la vanne de raccordement à bride se présentent généralement sous la forme de joints. Étant donné que le matériau du joint durcit et réduit la plasticité à basse température, le joint des vannes à basse température a des exigences plus élevées. Il doit avoir une étanchéité et une récupération fiables à température normale, à basse température et aux changements de température. L'influence de la basse température sur les performances d'étanchéité du joint doit être prise en compte de manière exhaustive.
Selon les formes d'étanchéité des joints couramment utilisées, la longueur du boulon, le joint et l'épaisseur de la bride rétrécissent à mesure que la température diminue. Afin de garantir une étanchéité fiable du joint à basse température, il faut respecter
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 Tapez le
ΔH1 — Déformation en traction de l'assemblage de boulons, mm
Δ H1 = 1 / E1H sigma
ΔHT1 — Retrait du boulon dans la plage de température de ΔT, mm
Δ HT1 Δ T = H alpha 1
ΔHT — rétrécissement du joint dans la zone de température ΔT, mm
Δ HT = alpha 2 Δ h T
ΔHT3 — Retrait des brides supérieures et inférieures dans la zone de température ΔT, mm
Δ HT3 = alpha 3 Δ T1 (H – H)
σ1 — Précharge du boulon, N/mm
E1 — module d'élasticité du boulon, N/mm
α1, α2, α3 — sont les coefficients de dilatation linéaire des matériaux des boulons, des joints et des brides, respectivement, en mm/m
H, H – mm
Lorsque le joint d'étanchéité atteint la basse température de fonctionnement conçue à partir de la température ambiante, la somme du rétrécissement des brides supérieure et inférieure et du rétrécissement du joint doit être inférieure à la somme du rétrécissement du boulon et de la déformation en traction de l'ensemble boulon, de manière à garantir que le joint a toujours une partie de la précharge à la température de fonctionnement et à maintenir la capacité d'étanchéité.
Par conséquent, quatre aspects doivent être pris en compte dans la conception. ① Le boulon est fabriqué à partir d'un matériau ayant un coefficient de dilatation linéaire plus élevé, qui présente un retrait plus important à basse température. ② La bride est fabriquée à partir d'un matériau ayant un coefficient de dilatation linéaire plus faible pour réduire ΔHT3. ③ Réduisez l'épaisseur du joint et utilisez le matériau ayant un faible coefficient de dilatation linéaire comme joint. (4) Augmentez la déformation en traction des boulons.
Pour les vannes à basse température inférieures à -100 ℃, le matériau du corps et le matériau du boulon sont généralement en acier inoxydable austénitique, le coefficient de dilatation linéaire est le même, il est donc plus important de choisir le matériau de joint approprié et d'augmenter la déformation en traction des boulons. Matériau de joint basse température idéal, à température ambiante sa dureté est faible, à basse température la résilience peut être bonne, le coefficient de dilatation linéaire est faible et a une certaine résistance mécanique. Dans les applications pratiques, des joints d'enroulement en bande d'acier inoxydable remplie d'amiante ou de polytétrafluoroéthylène ou de graphite flexible sont généralement utilisés, et l'effet d'étanchéité des joints d'enroulement en graphite flexible et en acier inoxydable est idéal. Quant à la déformation en traction accrue du boulon, en raison de la limite de la précharge d'installation du boulon, la marge d'augmentation n'est pas grande, il peut donc être envisagé de régler le joint à ressort à disque pour compenser.