저온밸브의 사용 및 밀봉요구사항 저온밸브의 재질을 선택하는 방법

저온밸브의 사용 및 밀봉요구사항 저온밸브의 재질을 선택하는 방법

2. 저온이 밸브의 밀봉 성능에 미치는 영향
2.1 비금속 밀봉 쌍
실온에서 작동하는 볼 밸브와 버터플라이 밸브는 일반적으로 금속 대 비금속 재료 씰 쌍을 사용합니다. 비금속 재료의 높은 탄성으로 인해 밀봉에 필요한 특정 압력이 작아 밀봉이 좋습니다. 그러나 저온에서는 비금속 재료의 팽창 계수가 금속 재료보다 훨씬 크기 때문에 저온 수축과 금속 씰, 밸브 본체 및 기타 부품의 수축이 크게 다르기 때문에 밀봉 특정 압력이 심각하게 감소하고 밀봉 결과가 밀봉되지 않습니다. 대부분의 비금속 재료는 극저온에서 굳어지고 취성이 되어 인성을 잃고 냉간 유동 및 응력 완화가 발생합니다. 예를 들어 유리 온도보다 낮은 온도에서 고무는 탄성을 완전히 잃고 유리질이 되어 견고성을 잃습니다. 또한 고무는 LNG 매체에서 기포 팽창이 있기 때문에 LNG 밸브에 사용할 수 없습니다. 따라서 현재 저온 밸브를 설계할 때 일반적으로 온도가 -70℃ 이하이므로 비금속 밀봉 보조재를 더 이상 사용하지 않거나, 특수 공정을 통해 비금속 재료를 금속과 비금속 복합 구조 형태로 만듭니다.
외국 기록에 따르면 일부 비금속 재료는 극저온 상태에서 잘 사용할 수 있습니다. 1970년대에 아일랜드 합금 주식회사의 새로운 플라스틱인 "슬립 쇼드"는 초고분자량 폴리에틸렌의 일종으로 -269°C에서 좋은 인성을 가지고 있고, 특정 충격 응력 하에서 파손되지 않으며 상당한 내마모성을 유지했습니다. 프랑스에서 개발된 마일러 플라스틱은 액체 수소(-253℃)의 온도에서도 여전히 상당히 탄력적입니다. 구소련의 HT 로마넨코의 폴리카보네이트 씰 홀더는 액체 질소(-196℃)에서 테스트되었습니다. 데이터에 따르면 폴리카보네이트는 저온에서 좋은 밀봉 효과를 나타냅니다.
2.2 금속 씰 쌍
저온 조건에서 금속 재료의 강도와 경도는 증가하고, 가소성과 인성은 감소하여 저온 냉간 취성 현상의 정도가 다르며, 밸브의 성능과 안전성에 심각한 영향을 미칩니다. 저온에서 재료의 저응력 취성 파괴를 방지하기 위해 저온 밸브를 설계할 때 일반적으로 온도가 -100℃보다 높을 때는 페라이트계 스테인리스 강 재료를 사용하고, 온도가 -100℃보다 낮을 때는 밸브 본체, 밸브 커버, 밸브 스템 및 씰링 시트에 주로 면심 입방 격자 오스테나이트계 스테인리스 강, 구리 및 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금 등을 사용합니다. 그러나 알루미늄 및 알루미늄 합금의 경도가 높지 않기 때문에 씰링 표면의 내마모성과 내마모성이 좋지 않아 저온 밸브에 거의 사용되지 않습니다. 일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강 소재를 사용하는데, 흔히 사용되는 것은 0Cr18Ni9, 00Cr17Ni12Mo2(304, 316L) 등입니다. 이러한 소재는 저온 냉취성 임계 온도가 없어 저온 조건에서도 높은 인성을 유지할 수 있습니다.
그러나 저온 밸브 금속 씰 보조 재료로서의 오스테나이트계 스테인리스강에도 몇 가지 단점이 있습니다. 이러한 재료의 대부분은 실온에서 준안정 상태에 있기 때문에 재료의 오스테나이트는 온도가 상 전이점(MS) 아래로 낮아지면 마르텐사이트로 변환됩니다. 마르텐사이트의 체심입방 격자 밀도는 오스테나이트의 면심입방 격자보다 낮고 일부 탄소 원자가 체심입방 격자 위치 조절을 배열하여 C축을 따라 격자가 성장하여 내부 응력으로 인한 체적 변화가 증가하고 원래 연삭 후 밀봉 표면 좌굴 변형의 밀봉 요구 사항을 충족하여 밀봉이 파손됩니다.
저온 상변태로 인한 밀봉 표면의 변형 파손 외에도 각 부품의 온도 차이 또는 다른 재료 간의 물리적 특성 차이로 인해 불균일한 수축이 발생하고 온도 변화 응력도 발생합니다. 응력이 재료의 탄성 한계보다 낮으면 밀봉 표면에 가역적 탄성 변형이 발생합니다. 부품의 온도 응력이 재료의 항복 한계를 초과하면 부품에 돌이킬 수 없는 변형 및 변형이 발생하여 밀봉 표면이 파손되고 밀봉 효과에 영향을 미칩니다.
저온이 금속 밀봉 쌍에 미치는 영향을 감안할 때, 금속 밀봉 표면의 변형을 작게 하거나 밀봉 표면의 변형이 밀봉 성능에 거의 영향을 미치지 않도록 해당 조치를 취해야 합니다. 첫째, 재료 측면에서 금속 조직 안정성이 높은 재료(예: 316L이지만 비용이 많이 들 수 있음)를 선택해야 합니다. 둘째, 본체, 커버, 스템, 씰 및 기타 부품으로 만든 오스테나이트 재료는 저온에서 가공하여 재료의 마르텐사이트 변형 및 변형이 마무리 전에 완전히 수행되도록 해야 합니다. 저온 처리의 온도는 재료 상 변화 온도(MS)보다 낮고 밸브의 실제 작동 온도보다 낮아야 하며 처리 시간은 2~4h여야 합니다. 필요한 경우 여러 번의 저온 처리 또는 적절한 시효 처리를 수행할 수 있습니다. 위의 조치 외에도 구조 설계도 고려하여 밀봉 표면 변형이 밀봉 성능에 미치는 영향을 줄여야 합니다. 예를 들어 게이트 밸브, 볼 밸브, 버터플라이 밸브의 설계에서 탄성 밀봉 구조의 사용을 고려하여 저온 변형을 부분적으로 보상할 수 있습니다. 글로브 밸브의 경우 원뿔형 밀봉 구조여야 하므로 밀봉 표면의 저온 변형이 작은 영향을 미칩니다.
3. 저온이 밸브의 밀봉 성능에 미치는 영향
3.1 스템 패킹
고무 재료의 저온 결함과 대부분 비금속 재료의 저온 취성 및 심각한 콜드 플로우 현상으로 인해 저온 밸브의 스템과 밸브 바디 사이의 밀봉 설계는 밀봉 링의 형태를 사용할 수 없으며 패킹 박스 밀봉 구조와 벨로즈 밀봉 구조만 사용할 수 있습니다. 일반적인 벨로즈 씰은 매체에서 흔적 누출을 허용하지 않으며 패킹 상황에 적합하지 않으며 단층 구조의 수명이 매우 짧고 다층 구조의 비용이 높고 가공이 어렵기 때문에 일반적으로 사용되지 않습니다.
스터핑 박스의 밀봉 구조는 제조 및 가공이 용이하고 유지 관리 및 교체가 용이하며 실제 적용에서 꽤 일반적입니다.그러나 패킹의 일반적인 작동 온도는 -40℃보다 낮을 수 없습니다.패킹의 밀봉 성능을 보장하기 위해 저온 밸브의 패킹 박스 장치는 주변 온도에 가까운 조건에서 작동해야 합니다.저온에서는 온도가 낮아짐에 따라 필러의 탄성이 점차 사라지고 누출 방지 성능이 감소합니다.패킹과 밸브 스템 얼음으로 인한 미디어 누출로 인해 밸브 스템의 정상적인 작동에 영향을 미치지만 밸브 스템의 움직임으로 인해 패킹이 긁혀 심각한 누출이 발생합니다.따라서 정상적인 상황에서 저온 밸브 패킹은 0℃ 이상의 온도에서 작동해야 하며, 롱넥 밸브 커버 구조를 설계하여 패킹 박스를 저온 매체에서 멀리하고 저온 특성이 있는 패킹을 선택해야 합니다. 일반적으로 사용되는 필러는 폴리테트라플루오로에틸렌, 석면, 함침 폴리테트라플루오로에틸렌 석면 로프 및 유연한 흑연이며, 그 중 석면은 투과성 누출을 피할 수 없기 때문에 폴리테트라플루오로에틸렌 선팽창 계수가 매우 크고 콜드 플로우 현상이 심각하기 때문에 일반적으로 사용되지 않습니다. 유연한 흑연은 우수한 밀봉 재료이며 가스, 액체는 불투과성이며 압축률은 40% 이상, 회복성은 15% 이상, 응력 완화는 5% 미만이며 낮은 고정 압력을 밀봉할 수 있습니다. 또한 자체 윤활성이 있어 밸브 패킹으로 사용하면 패킹 및 밸브 스템 마모를 효과적으로 방지할 수 있으며 밀봉 성능은 기존의 석면 재료보다 분명히 우수하므로 가장 우수한 밀봉 재료 중 하나입니다.
필러는 일반적으로 비금속 재료이기 때문에 선형 팽창 계수는 금속 필러 박스 및 밸브 스템보다 훨씬 큽니다. 따라서 실온에서 조립된 패킹이 특정 온도로 떨어지면 수축이 패킹 구멍과 밸브 스템보다 커져 예압 압력이 감소하여 누출이 발생할 수 있습니다. 설계에서 패킹 글랜드 볼트는 여러 그룹의 디스크 스프링 개스킷으로 예압될 수 있으므로 저온에서 패킹의 예압력을 지속적으로 보상하여 패킹의 밀봉 효과를 보장할 수 있습니다.
미국 Garlock 회사에서 생산하는 저누설 복합 스템 패킹은 엔드 링이 탄소섬유로 땋은 디스크 루트로 만들어지고, 씰링 링은 고순도 다이아몬드 질감 흑연 스트립 몰딩으로 만들어져 컵과 원뿔 구조와 방사형 팽창 특성을 통해 씰링 성능이 향상되었습니다.
스템 소재의 저온 변형은 패킹의 밀봉 성능에도 영향을 미칩니다. 따라서 밸브 바디, 밸브 커버, 밀봉 부속품 소재와 마찬가지로 스템도 마무리 후 극저온 가공을 해야 저온 변형이 작아집니다. 또한 극저온 스템 소재에 사용된 오스테나이트계 스테인리스강은 표면 경도를 높이기 위해 열처리를 할 수 없기 때문에 스템과 패킹의 접합부가 서로 멍이 들 가능성이 높아 패킹에서 누출이 발생합니다. 따라서 스템 표면을 경질 크롬 또는 질화물로 도금하여 표면 경도를 높여야 합니다.
3.2 중간 플랜지 개스킷
밸브의 중간 플랜지 씰과 플랜지 연결 밸브의 외부 연결은 일반적으로 개스킷 형태입니다. 개스킷 재료는 저온에서 경화되고 가소성이 감소하기 때문에 저온 밸브용 개스킷은 더 높은 요구 사항을 갖습니다. 상온, 저온 및 온도 변화에서 신뢰할 수 있는 밀봉 및 회복이 있어야 합니다. 개스킷 밀봉 성능에 대한 저온의 영향은 종합적으로 고려되어야 합니다.
일반적으로 사용되는 개스킷 밀봉 형태에 따르면 볼트 길이, 개스킷 및 플랜지 두께는 온도가 낮아짐에 따라 수축됩니다. 저온에서 신뢰할 수 있는 개스킷 밀봉을 보장하려면 다음을 충족해야 합니다.
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 입력하세요
ΔH1 — 볼트 조립체의 인장 변형, mm
Δ H1 = 1 / E1H 시그마
ΔHT1 — ΔT 온도 범위에서의 볼트 수축, mm
Δ HT1 Δ T = H 알파 1
ΔHT — ΔT 온도 구역에서의 개스킷 수축, mm
Δ HT = 알파 2 Δ h T
ΔHT3 — ΔT 온도 구역에서 상부 및 하부 플랜지의 수축, mm
Δ HT3 = 알파 3 Δ T1 (H – H)
σ1 — 볼트 예압, N/mm
E1 — 볼트의 탄성 계수, N/mm
α1, α2, α3 — 각각 볼트, 개스킷 및 플랜지 재료의 선팽창 계수, mm/m입니다.
높이, 높이 – mm
개스킷 씰이 실온에서 설계된 작동 저온에 도달하면 상부 및 하부 플랜지의 수축과 개스킷의 수축의 합은 볼트의 수축과 볼트 조립체의 인장 변형의 합보다 작아야 하므로, 개스킷이 작동 온도에서 여전히 일부 예압을 갖고 밀봉 능력을 유지할 수 있습니다.
따라서 설계 시 4가지 측면을 고려해야 한다. ① 볼트는 선팽창계수가 큰 재질로 하여 저온 수축이 크다. ② 플랜지는 선팽창계수가 작은 재질로 하여 ΔHT3를 줄인다. ③ 개스킷의 두께를 줄이고 선팽창계수가 작은 재질을 개스킷으로 사용한다. (4) 볼트의 인장 변형을 크게 한다.
-100℃ 이하의 저온 밸브의 경우 본체 재질과 볼트 재질은 일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강으로 만들어지며, 선팽창 계수는 같으므로 적절한 개스킷 재질을 선택하고 볼트의 인장 변형을 증가시키는 것이 더 중요합니다. 이상적인 저온 개스킷 재질은 실온에서 경도가 낮고 저온에서 회복성이 좋으며 선팽창 계수가 작고 일정한 기계적 강도를 갖습니다. 실제 적용에서는 석면이나 폴리테트라플루오르에틸렌 또는 유연한 흑연으로 채워진 스테인리스강 테이프로 만든 와인딩 개스킷이 일반적으로 사용되며 유연한 흑연과 스테인리스강으로 만든 와인딩 개스킷의 밀봉 효과가 이상적입니다. 볼트의 인장 변형 증가에 관해서는 볼트 설치 예압의 한계로 인해 증가 마진이 크지 않으므로 디스크 스프링 개스킷을 설정하여 보상하는 것을 고려할 수 있습니다.