Requisiti di utilizzo e tenuta della valvola a bassa temperatura come scegliere il materiale della valvola a bassa temperatura
2. L'influenza della bassa temperatura sulle prestazioni di tenuta della valvola
2.1 Coppie di tenuta non metalliche
Le valvole a sfera e le valvole a farfalla che funzionano a temperatura ambiente utilizzano generalmente coppie di guarnizioni in metallo e materiale non metallico. A causa dell'elevata elasticità dei materiali non metallici, la pressione specifica richiesta per la tenuta è piccola, quindi la tenuta è buona. Tuttavia, a bassa temperatura, poiché il coefficiente di espansione dei materiali non metallici è molto più grande di quello dei materiali metallici, il restringimento della bassa temperatura e il restringimento delle guarnizioni metalliche, dei corpi valvola e di altre parti sono molto diversi, il che porta alla grave riduzione della pressione specifica di tenuta e il risultato della tenuta non può essere sigillato. La maggior parte dei materiali non metallici si irrigidisce e diventa fragile a temperature criogeniche, perdendo tenacità, con conseguente flusso freddo e rilassamento dello stress. Come la gomma a una temperatura inferiore alla sua temperatura di vetro, perderà completamente elasticità, diventerà vetrosa, perderà la sua tenuta. Inoltre, la gomma non può essere utilizzata per le valvole GNL perché ha un'espansione delle bolle nel mezzo GNL. Pertanto, attualmente nella progettazione delle valvole a bassa temperatura, la temperatura generale è inferiore a -70 ℃, non vengono più utilizzati materiali ausiliari di tenuta non metallici o materiali non metallici attraverso uno speciale processo in una struttura composita di tipo metallico e non metallico.
Secondo i registri esteri, alcuni materiali non metallici possono essere utilizzati bene in stato criogenico. Negli anni '70, "slip shod", una nuova plastica della Irish Alloy Co., LTD., era un tipo di polietilene a peso molecolare ultra elevato, che aveva una buona tenacità a -269 °C, non si rompeva sotto una certa sollecitazione d'impatto e manteneva una notevole resistenza all'usura. La plastica Mylar sviluppata in Francia è ancora abbastanza elastica alla temperatura dell'idrogeno liquido (-253℃). Il porta-sigillo in policarbonato di HT Lomanenko dell'ex Unione Sovietica è stato testato in azoto liquido (-196℃). I dati mostrano che il policarbonato ha un buon effetto di tenuta a bassa temperatura.
2.2 Coppia di guarnizioni metalliche
In condizioni di bassa temperatura, la resistenza e la durezza dei materiali metallici aumentano, la plasticità e la tenacità diminuiscono, mostrando diversi gradi di fenomeno di fragilità fredda a bassa temperatura, che influenzano seriamente le prestazioni e la sicurezza della valvola. Per prevenire la frattura fragile a bassa sollecitazione dei materiali a bassa temperatura, quando si progettano valvole a bassa temperatura, i materiali in acciaio inossidabile ferritico sono generalmente utilizzati quando la temperatura è superiore a -100 ℃, mentre quando la temperatura è inferiore a -100 ℃, il corpo valvola, il coperchio valvola, lo stelo valvola e la sede di tenuta sono principalmente utilizzati con acciaio inossidabile austenitico a reticolo cubico centrato sulla faccia, rame e lega di rame, alluminio e lega di alluminio, ecc. Ma poiché la durezza dell'alluminio e della lega di alluminio non è elevata, la resistenza all'abrasione e la resistenza all'abrasione della superficie di tenuta sono scarse, quindi è raramente utilizzato nella valvola a bassa temperatura. In genere si utilizzano materiali in acciaio inossidabile austenitico, comunemente usati 0Cr18Ni9, 00Cr17Ni12Mo2 (304, 316L), ecc. Questi materiali non hanno una temperatura critica di fragilità a freddo a bassa temperatura e, in condizioni di bassa temperatura, possono comunque mantenere un'elevata tenacità.
Tuttavia, l'acciaio inossidabile austenitico come materiale ausiliario per guarnizioni metalliche per valvole a bassa temperatura presenta anche alcune carenze. Poiché la maggior parte di questi materiali si trova in uno stato metastabile a temperatura ambiente, l'austenite nel materiale si trasforma in martensite quando la temperatura viene abbassata al di sotto del punto di transizione di fase (MS). Per il reticolo cubico centrato sul corpo della densità della martensite è inferiore a quella del reticolo cubico centrato sulla faccia dell'austenite e poiché alcuni atomi di carbonio organizzano la regolazione della posizione del reticolo cubico centrato sul corpo, fanno crescere il reticolo lungo l'asse C, quindi l'aumento delle variazioni di volume causate dallo stress interno, fa sì che originariamente dopo la rettifica soddisfi i requisiti di tenuta della deformazione per instabilità della superficie di tenuta, con conseguente rottura della tenuta.
Oltre al fallimento della deformazione della superficie di tenuta causato dalla trasformazione di fase a bassa temperatura, dovuto alla differenza di temperatura di ogni parte o alla differenza di proprietà fisiche tra materiali diversi, con conseguente restringimento non uniforme, si verificherà anche uno stress da variazione di temperatura. Quando lo stress è al di sotto del limite elastico del materiale, si produce una distorsione elastica reversibile nella superficie di tenuta. Quando lo stress termico di una parte supera il limite di snervamento del materiale, le parti avranno una distorsione e una deformazione irreversibili, che causeranno anche il fallimento della superficie di tenuta e influenzeranno l'effetto di tenuta.
In considerazione dell'influenza della bassa temperatura sulla coppia di tenuta metallica, devono essere prese misure corrispondenti per rendere piccola la deformazione della superficie di tenuta metallica o la deformazione della superficie di tenuta ha poca influenza sulle prestazioni di tenuta. In primo luogo, in termini di materiali, dovremmo cercare di scegliere materiali con elevata stabilità della struttura metallografica (come 316L ma con costi elevati). In secondo luogo, per il corpo, la copertura, lo stelo, la guarnizione e altri materiali austenitici costituiti da parti devono essere lavorati a bassa temperatura, in modo che la trasformazione della martensite e la deformazione del materiale siano completamente eseguite prima della finitura. La temperatura del trattamento a bassa temperatura deve essere inferiore alla temperatura di cambiamento di fase del materiale (MS) e inferiore alla temperatura di lavoro effettiva della valvola e il tempo di trattamento deve essere di 2 ~ 4 ore. Se necessario, è possibile eseguire più trattamenti a bassa temperatura o un appropriato trattamento di invecchiamento. Oltre alle misure di cui sopra, la progettazione strutturale dovrebbe anche essere considerata per ridurre l'impatto della deformazione della superficie di tenuta sulle prestazioni di tenuta, come nella progettazione di valvole a saracinesca, valvole a sfera e valvole a farfalla può considerare l'uso di una struttura di tenuta elastica, in modo che la deformazione a bassa temperatura possa essere parzialmente compensata. Per la valvola a globo dovrebbe essere una struttura di tenuta conica, in modo che la deformazione a bassa temperatura sulla superficie di tenuta abbia un piccolo impatto.
3. Influenza della bassa temperatura sulle prestazioni di tenuta della valvola
3.1 Imballaggio dello stelo
A causa dei difetti del materiale in gomma a bassa temperatura e del fenomeno di flusso freddo fragile e grave della maggior parte dei materiali non metallici, il design di tenuta tra lo stelo e il corpo valvola della valvola a bassa temperatura non può utilizzare la forma di anello di tenuta, può utilizzare solo la struttura di tenuta della scatola di tenuta e la struttura di tenuta a soffietto. La tenuta a soffietto generale è utilizzata nel mezzo non consente perdite di traccia e non è adatta per occasioni di imballaggio, la durata della sua struttura monostrato è molto breve, il costo della struttura multistrato è elevato, la lavorazione è difficile, quindi generalmente non utilizzata.
La struttura di tenuta della scatola premistoppa è facile da produrre e lavorare, facile da mantenere e sostituire ed è abbastanza comune nell'applicazione pratica. Tuttavia, la temperatura di lavoro generale della guarnizione non può essere inferiore a -40 ℃. Per garantire le prestazioni di tenuta della guarnizione, il dispositivo della scatola premistoppa della valvola a bassa temperatura deve essere azionato in condizioni prossime alla temperatura ambiente. A bassa temperatura, con la diminuzione della temperatura, l'elasticità del riempitivo scompare gradualmente e le prestazioni a tenuta stagna diminuiscono. A causa della perdita di media causata dal ghiaccio dello stelo della valvola e della guarnizione, ciò influirà sul normale funzionamento dello stelo della valvola, ma anche a causa del movimento dello stelo della valvola si graffierà la guarnizione, causando gravi perdite. Pertanto, in circostanze normali, la guarnizione della valvola a bassa temperatura deve funzionare a una temperatura superiore a 0 ℃, il che richiede la progettazione della struttura del coperchio della valvola a collo lungo, in modo che la scatola premistoppa sia lontana dal mezzo a bassa temperatura e la selezione di guarnizioni con caratteristiche di bassa temperatura. I riempitivi comunemente usati sono politetrafluoroetilene, amianto, corda di amianto di politetrafluoroetilene impregnata e grafite flessibile, tra cui, poiché l'amianto non può evitare perdite di permeabilità, il coefficiente di espansione lineare del politetrafluoroetilene è molto grande, il fenomeno del flusso freddo è grave, quindi generalmente non viene utilizzato. La grafite flessibile è un eccellente materiale di tenuta, gas, liquidi sono impermeabili, il tasso di compressione è superiore al 40%, la resilienza è superiore al 15%, il rilassamento dello stress è inferiore al 5%, la pressione di fissaggio inferiore può essere sigillata. Ha anche autolubrificazione, utilizzato come guarnizione della valvola può prevenire efficacemente l'usura della guarnizione e dello stelo della valvola, le sue prestazioni di tenuta sono ovviamente migliori del tradizionale materiale di amianto, quindi è uno dei materiali di tenuta più eccellenti.
Poiché il riempitivo è generalmente un materiale non metallico, il coefficiente di espansione lineare è molto più grande della scatola di riempimento in metallo e dello stelo della valvola. Pertanto, quando la guarnizione assemblata a temperatura ambiente scende a una certa temperatura, il suo restringimento è maggiore di quello del foro della guarnizione e dello stelo della valvola, il che può causare perdite dovute alla diminuzione della pressione di precarico. Nella progettazione, il bullone del premistoppa può essere precaricato con più gruppi di guarnizioni a molla a disco, in modo che la forza di precarico della guarnizione a bassa temperatura possa essere compensata continuamente per garantire l'effetto di tenuta della guarnizione.
Guarnizione combinata a bassa perdita prodotta dalla Garlock Company negli Stati Uniti, l'anello terminale è costituito da una radice del disco intrecciata in fibra di carbonio, l'anello di tenuta è realizzato in stampaggio a strisce di grafite con trama diamantata ad alta purezza, attraverso la struttura a tazza e cono e le caratteristiche di espansione radiale, in modo da migliorare le prestazioni di tenuta.
La deformazione a bassa temperatura del materiale dello stelo influirà anche sulle prestazioni di tenuta della guarnizione. Pertanto, come il corpo valvola, il coperchio valvola, i materiali degli accessori di tenuta, anche lo stelo deve essere sottoposto a lavorazione criogenica dopo la finitura, per ridurre al minimo la deformazione a bassa temperatura. Inoltre, poiché l'acciaio inossidabile austenitico utilizzato nel materiale dello stelo criogenico non può essere trattato termicamente per migliorare la durezza superficiale, è più probabile che la giunzione tra lo stelo e la guarnizione si ammacchi a vicenda, con conseguenti perdite dalla guarnizione. Pertanto, la superficie dello stelo deve essere placcata con cromo duro o nitruro per migliorare la durezza superficiale.
3.2 Guarnizione flangia centrale
Sia la guarnizione della flangia centrale della valvola che la connessione esterna della valvola di connessione della flangia sono generalmente sotto forma di guarnizioni. Poiché il materiale della guarnizione si indurisce e riduce la plasticità a bassa temperatura, la guarnizione per valvole a bassa temperatura ha requisiti più elevati. Deve avere una tenuta e un recupero affidabili a temperatura normale, bassa temperatura e variazioni di temperatura. L'influenza della bassa temperatura sulle prestazioni di tenuta della guarnizione deve essere considerata in modo completo.
Secondo le forme di tenuta delle guarnizioni comunemente utilizzate, la lunghezza del bullone, la guarnizione e lo spessore della flangia si restringono con la diminuzione della temperatura. Per garantire la tenuta affidabile della guarnizione a bassa temperatura, è necessario soddisfare
ΔHT3 ΔHT – ΔHT1 – ΔH1 Digitare il
ΔH1 — Deformazione a trazione del gruppo bulloni, mm
Δ H1 = 1 / E1H sigma
ΔHT1 — Restringimento del bullone nell'intervallo di temperatura di ΔT, mm
ΔHT1 ΔT = H alfa 1
ΔHT — restringimento della guarnizione nella zona di temperatura ΔT, mm
ΔHT = alfa 2 ΔhT
ΔHT3 — Ritiro delle flange superiore e inferiore nella zona di temperatura ΔT, mm
Δ HT3 = alfa 3 Δ T1 (H – H)
σ1 — Precarico del bullone, N/mm
E1 — modulo elastico del bullone, N/mm
α1, α2, α3 — sono il coefficiente di dilatazione lineare dei materiali dei bulloni, delle guarnizioni e delle flange, rispettivamente, mm/m
Altezza, Altezza – mm
Quando la guarnizione raggiunge la temperatura di esercizio minima progettata a partire dalla temperatura ambiente, la somma del restringimento delle flange superiore e inferiore e del restringimento della guarnizione deve essere inferiore alla somma del restringimento del bullone e della deformazione a trazione del gruppo bullone, in modo da garantire che la guarnizione abbia ancora parte del precarico alla temperatura di esercizio e mantenga la capacità di tenuta.
Di conseguenza, nella progettazione devono essere considerati quattro aspetti. ① Il bullone è realizzato in materiale con coefficiente di dilatazione lineare maggiore, che presenta un restringimento maggiore a basse temperature. ② La flangia è realizzata in materiale con coefficiente di dilatazione lineare minore per ridurre ΔHT3. ③ Ridurre lo spessore della guarnizione e utilizzare come guarnizione il materiale con coefficiente di dilatazione lineare minore. (4) Aumentare la deformazione a trazione dei bulloni.
Per le valvole a bassa temperatura inferiori a -100℃, il materiale del corpo e il materiale del bullone sono generalmente realizzati in acciaio inossidabile austenitico, il coefficiente di dilatazione lineare è lo stesso, quindi è più importante scegliere il materiale della guarnizione appropriato e aumentare la deformazione a trazione dei bulloni. Materiale ideale per guarnizioni a bassa temperatura, a temperatura ambiente la sua durezza è bassa, a bassa temperatura la resilienza può essere buona, il coefficiente di dilatazione lineare è piccolo e ha una certa resistenza meccanica. Nelle applicazioni pratiche, vengono generalmente utilizzate guarnizioni di avvolgimento realizzate in nastro di acciaio inossidabile riempito con amianto o politetrafluoroetilene o grafite flessibile e l'effetto di tenuta delle guarnizioni di avvolgimento realizzate in grafite flessibile e acciaio inossidabile è ideale. Per quanto riguarda l'aumentata deformazione a trazione del bullone, a causa del limite del precarico di installazione del bullone, il margine aumentato non è molto, quindi si può considerare di impostare la guarnizione della molla a disco per compensare.
Ora di pubblicazione: 19-10-2022
