Penggunaan dan persyaratan penyegelan katup suhu rendah bagaimana memilih bahan katup suhu rendah
2. Pengaruh suhu rendah terhadap kinerja penyegelan katup
2.1 Pasangan penyegel non-logam
Katup bola dan katup kupu-kupu yang bekerja pada suhu ruangan umumnya menggunakan pasangan segel bahan logam ke non-logam. Karena elastisitas tinggi bahan non-logam, tekanan spesifik yang diperlukan untuk penyegelan kecil, sehingga penyegelannya bagus. Namun, pada suhu rendah, karena koefisien ekspansi bahan non-logam jauh lebih besar daripada bahan logam, penyusutan suhu rendah dan penyusutan segel logam, badan katup dan bagian lainnya jauh berbeda, yang mengarah pada pengurangan serius tekanan spesifik penyegelan dan hasil penyegelan tidak dapat disegel. Sebagian besar bahan non-logam menjadi kaku dan getas pada suhu kriogenik, kehilangan ketangguhan, menghasilkan aliran dingin dan relaksasi tegangan. Seperti karet pada suhu lebih rendah dari suhu kacanya, akan sepenuhnya kehilangan elastisitas, menjadi seperti kaca, kehilangan kekencangannya. Selain itu, karet tidak dapat digunakan untuk katup LNG karena memiliki ekspansi gelembung dalam media LNG. Oleh karena itu, saat ini dalam desain katup suhu rendah, suhu umum lebih rendah dari -70℃ tidak lagi menggunakan bahan pembantu penyegel non-logam, atau bahan non-logam melalui proses khusus menjadi jenis struktur komposit logam dan non-logam.
Menurut catatan asing, beberapa bahan non-logam dapat digunakan dengan baik dalam keadaan kriogenik. Pada tahun 1970-an, "slip shod", plastik baru dari Irish Alloy Co., LTD., adalah sejenis polietilena dengan berat molekul sangat tinggi, yang memiliki ketangguhan yang baik pada suhu -269 ° C, tidak pecah di bawah tekanan benturan tertentu, dan mempertahankan ketahanan aus yang cukup besar. Plastik Mylar yang dikembangkan di Prancis masih cukup elastis pada suhu hidrogen cair (-253℃). Pemegang segel polikarbonat HT Lomanenko dari bekas Uni Soviet diuji dalam nitrogen cair (-196℃). Data menunjukkan bahwa polikarbonat memiliki efek penyegelan yang baik pada suhu rendah.
2.2 Pasangan segel logam
Dalam kondisi suhu rendah, kekuatan dan kekerasan material logam meningkat, plastisitas dan ketangguhan menurun, menunjukkan berbagai tingkat fenomena getas dingin suhu rendah, yang secara serius memengaruhi kinerja dan keamanan katup. Untuk mencegah fraktur getas tegangan rendah material pada suhu rendah, saat merancang katup suhu rendah, material baja tahan karat feritik umumnya digunakan saat suhu lebih tinggi dari -100℃, sedangkan saat suhu lebih rendah dari -100℃, badan katup, penutup katup, batang katup, dan dudukan penyegel sebagian besar digunakan dengan baja tahan karat austenitik kisi kubik berpusat muka, tembaga dan paduan tembaga, aluminium dan paduan aluminium, dll. Namun karena kekerasan aluminium dan paduan aluminium tidak tinggi, ketahanan abrasi dan ketahanan abrasi permukaan penyegelan buruk, sehingga jarang digunakan pada katup suhu rendah. Umumnya menggunakan bahan baja tahan karat austenitik, yang umum digunakan 0Cr18Ni9, 00Cr17Ni12Mo2 (304, 316L), dll., bahan-bahan ini tidak memiliki suhu kritis getas dingin suhu rendah, dalam kondisi suhu rendah, masih dapat mempertahankan ketangguhan tinggi.
Namun, baja tahan karat austenitik sebagai bahan pembantu segel logam katup suhu rendah juga memiliki beberapa kekurangan. Karena sebagian besar bahan ini berada dalam keadaan metastabil pada suhu ruangan, austenit dalam bahan tersebut berubah menjadi martensit ketika suhu diturunkan di bawah titik transisi fase (MS). Untuk kisi kubik berpusat badan dari martensit, kerapatannya lebih rendah daripada kisi kubik berpusat muka dari austenit, dan karena beberapa atom karbon mengatur pengaturan posisi kisi kubik berpusat badan, membuat kisi sepanjang sumbu C tumbuh, sehingga peningkatan perubahan volume yang disebabkan oleh tegangan internal, membuat awalnya setelah penggilingan memenuhi persyaratan penyegelan deformasi tekuk permukaan penyegelan, yang mengakibatkan kegagalan segel.
Selain kegagalan deformasi permukaan penyegelan yang disebabkan oleh transformasi fase suhu rendah, karena perbedaan suhu setiap bagian atau perbedaan sifat fisik antara berbagai material, yang mengakibatkan penyusutan yang tidak merata, tegangan variasi suhu juga akan terjadi. Ketika tegangan berada di bawah batas elastis material, distorsi elastis reversibel dihasilkan di permukaan penyegelan. Ketika tegangan suhu suatu bagian melebihi batas luluh material, bagian tersebut akan mengalami distorsi dan deformasi ireversibel, yang juga akan menyebabkan kegagalan permukaan penyegelan dan memengaruhi efek penyegelan.
Mengingat pengaruh suhu rendah pada pasangan penyegel logam, tindakan yang sesuai harus diambil untuk membuat deformasi permukaan penyegel logam kecil atau deformasi permukaan penyegelan memiliki sedikit pengaruh pada kinerja penyegelan. Pertama, dalam hal bahan, kita harus mencoba memilih bahan dengan stabilitas struktur metalografi yang tinggi (seperti 316L tetapi dengan biaya tinggi). Kedua, untuk bodi, penutup, batang, segel dan bahan austenitik lainnya yang terbuat dari bagian harus diproses pada suhu rendah, sehingga transformasi martensit dan deformasi bahan sepenuhnya dilakukan sebelum penyelesaian. Suhu perawatan suhu rendah harus lebih rendah dari suhu perubahan fase material (MS) dan lebih rendah dari suhu kerja katup yang sebenarnya, dan waktu perawatan harus 2 ~ 4 jam. Jika perlu, beberapa perawatan suhu rendah atau perawatan penuaan yang sesuai dapat dilakukan. Selain langkah-langkah di atas, desain struktural juga harus dipertimbangkan untuk mengurangi dampak deformasi permukaan penyegelan pada kinerja penyegelan, seperti dalam desain katup gerbang, katup bola, dan katup kupu-kupu dapat mempertimbangkan penggunaan struktur penyegelan elastis, sehingga deformasi suhu rendah dapat dikompensasi sebagian. Untuk katup bola, harus ada struktur segel berbentuk kerucut, sehingga deformasi suhu rendah pada permukaan penyegelan berdampak kecil.
3. Pengaruh suhu rendah terhadap kinerja penyegelan katup
3.1 Pengepakan batang
Karena cacat bahan karet pada suhu rendah dan fenomena aliran dingin yang getas dan serius dari sebagian besar bahan non-logam, desain penyegelan antara batang dan badan katup dari katup suhu rendah tidak dapat menggunakan bentuk cincin penyegel, hanya dapat menggunakan struktur penyegelan kotak pengepakan dan struktur penyegelan bellow. Segel bellow umum digunakan dalam media yang tidak memungkinkan kebocoran jejak dan tidak cocok untuk acara pengemasan, masa pakai struktur satu lapisnya sangat pendek, biaya struktur multi-lapisnya tinggi, pemrosesannya sulit, jadi umumnya tidak digunakan.
Struktur penyegelan kotak isian mudah diproduksi dan diproses, mudah dirawat dan diganti, dan cukup umum dalam aplikasi praktis. Namun, suhu kerja umum pengepakan tidak boleh lebih rendah dari -40℃. Untuk memastikan kinerja penyegelan pengepakan, perangkat kotak pengepakan katup suhu rendah harus dioperasikan dalam kondisi mendekati suhu sekitar. Pada suhu rendah, dengan penurunan suhu, elastisitas pengisi secara bertahap menghilang, dan kinerja anti bocor menurun. Karena kebocoran media yang disebabkan oleh pengepakan dan es batang katup, akan memengaruhi operasi normal batang katup, tetapi juga karena pergerakan batang katup akan menggores pengepakan, yang menyebabkan kebocoran serius. Oleh karena itu, dalam keadaan normal, pengepakan katup suhu rendah diperlukan untuk bekerja pada suhu di atas 0℃, yang memerlukan desain struktur penutup katup leher panjang, sehingga kotak pengepakan jauh dari media suhu rendah, dan pemilihan pengepakan dengan karakteristik suhu rendah. Pengisi yang umum digunakan adalah politetrafluoroetilena, asbes, tali asbes politetrafluoroetilena yang diimpregnasi dan grafit fleksibel, di antaranya, karena asbes tidak dapat menghindari kebocoran permeabilitas, koefisien ekspansi linier politetrafluoroetilena sangat besar, fenomena aliran dingin serius, sehingga umumnya tidak digunakan. Grafit fleksibel adalah bahan penyegel yang sangat baik, gas, cairan kedap air, tingkat kompresi lebih besar dari 40%, ketahanan lebih besar dari 15%, relaksasi tegangan kurang dari 5%, tekanan pengikat yang lebih rendah dapat disegel. Ia juga memiliki pelumasan sendiri, digunakan sebagai pengepakan katup dapat secara efektif mencegah pengepakan dan keausan batang katup, kinerja penyegelannya jelas lebih baik daripada bahan asbes tradisional, sehingga merupakan salah satu bahan penyegel yang paling baik.
Karena pengisi umumnya merupakan bahan non-logam, koefisien ekspansi linier jauh lebih besar daripada kotak pengisi logam dan batang katup. Oleh karena itu, ketika pengepakan yang dirakit pada suhu ruangan turun ke suhu tertentu, penyusutannya lebih besar daripada lubang pengepakan dan batang katup, yang dapat menyebabkan kebocoran karena penurunan tekanan pra-beban. Dalam desain, baut kelenjar pengepakan dapat dipra-bebani dengan beberapa kelompok paking pegas cakram, sehingga gaya pra-beban pengepakan pada suhu rendah dapat terus dikompensasi untuk memastikan efek penyegelan pengepakan.
Kemasan batang gabungan kebocoran rendah yang diproduksi oleh Garlock Company di Amerika Serikat, cincin ujungnya terbuat dari akar cakram yang dikepang serat karbon, cincin penyegel terbuat dari cetakan strip grafit tekstur berlian kemurnian tinggi, melalui struktur cangkir dan kerucut dan karakteristik ekspansi radial, sehingga kinerja penyegelan ditingkatkan.
Deformasi suhu rendah pada material batang juga akan memengaruhi kinerja penyegelan kemasan. Oleh karena itu, sama seperti badan katup, penutup katup, material aksesori penyegelan, batang juga harus diproses secara kriogenik setelah penyelesaian, agar deformasi suhu rendah menjadi kecil. Selain itu, karena baja tahan karat austenitik yang digunakan dalam material batang kriogenik tidak dapat diolah dengan panas untuk meningkatkan kekerasan permukaan, sambungan antara batang dan kemasan lebih mungkin saling memar, yang mengakibatkan kebocoran pada kemasan. Oleh karena itu, permukaan batang harus dilapisi dengan kromium keras atau nitrida untuk meningkatkan kekerasan permukaan.
3.2 Gasket flensa tengah
Baik segel flensa tengah katup maupun sambungan eksternal katup sambungan flensa umumnya berupa gasket. Karena bahan gasket akan mengeras dan mengurangi plastisitas pada suhu rendah, gasket untuk katup suhu rendah memiliki persyaratan yang lebih tinggi. Gasket harus memiliki penyegelan dan pemulihan yang andal pada suhu normal, suhu rendah, dan perubahan suhu. Pengaruh suhu rendah pada kinerja penyegelan gasket harus dipertimbangkan secara komprehensif.
Menurut bentuk penyegelan paking yang umum digunakan, panjang baut, paking, dan ketebalan flensa akan menyusut saat suhu menurun. Untuk memastikan penyegelan paking yang andal pada suhu rendah, hal itu harus dipenuhi
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 Ketik di
ΔH1 — Deformasi tarik rakitan baut, mm
Δ H1 = 1 / sigma E1H
ΔHT1 — Penyusutan baut pada kisaran suhu ΔT, mm
Δ HT1 Δ T = H alfa 1
ΔHT — penyusutan paking di zona suhu ΔT, mm
Δ HT = alfa 2 Δ h T
ΔHT3 — Penyusutan flensa atas dan bawah di zona suhu ΔT, mm
Δ HT3 = alfa 3 Δ T1 (H – H)
σ1 — Beban awal baut, N/mm
E1 — modulus elastisitas baut, N/mm
α1, α2, α3 — adalah koefisien ekspansi linier bahan baut, paking dan flensa, masing-masing, mm/m
Tinggi, H – mm
Ketika segel paking mencapai suhu kerja rendah yang dirancang dari suhu ruangan, jumlah penyusutan flensa atas dan bawah serta penyusutan paking harus lebih kecil dari jumlah penyusutan baut dan deformasi tarik rakitan baut, untuk memastikan bahwa paking masih memiliki sebagian beban awal pada suhu kerja dan mempertahankan kemampuan penyegelan.
Oleh karena itu, empat aspek harus dipertimbangkan dalam desain. ① Baut terbuat dari bahan dengan koefisien ekspansi linier yang lebih besar, yang memiliki penyusutan lebih besar pada suhu rendah. ② Flensa terbuat dari bahan dengan koefisien ekspansi linier yang lebih kecil untuk mengurangi ΔHT3. ③ Kurangi ketebalan paking, dan gunakan bahan dengan koefisien ekspansi linier kecil sebagai paking. (4) Meningkatkan deformasi tarik baut.
Untuk katup suhu rendah di bawah -100℃, bahan bodi dan bahan baut umumnya terbuat dari baja tahan karat austenitik, koefisien ekspansi liniernya sama, jadi lebih penting untuk memilih bahan paking yang sesuai dan meningkatkan deformasi tarik baut. Bahan paking suhu rendah yang ideal, pada suhu kamar kekerasannya rendah, pada suhu rendah ketahanannya bisa baik, koefisien ekspansi liniernya kecil dan memiliki kekuatan mekanis tertentu. Dalam aplikasi praktis, paking lilitan yang terbuat dari pita baja tahan karat yang diisi dengan asbes atau politetrafluoretilena atau grafit fleksibel umumnya digunakan, dan efek penyegelan paking lilitan yang terbuat dari grafit fleksibel dan baja tahan karat sangat ideal. Sedangkan untuk peningkatan deformasi tarik baut, karena batas beban awal pemasangan baut, margin peningkatannya tidak banyak, sehingga dapat dipertimbangkan untuk mengatur paking pegas cakram untuk mengimbanginya.
Waktu posting: 19-Okt-2022
