Wymagania dotyczące stosowania i uszczelniania zaworów niskotemperaturowych. Jak wybrać materiał zaworu niskotemperaturowego?

Wymagania dotyczące stosowania i uszczelniania zaworów niskotemperaturowych. Jak wybrać materiał zaworu niskotemperaturowego?

2. Wpływ niskiej temperatury na szczelność zaworu
2.1 Pary uszczelniające niemetalowe
Zawory kulowe i przepustnice pracujące w temperaturze pokojowej zazwyczaj wykorzystują pary uszczelnień metal-niemetal. Ze względu na wysoką elastyczność materiałów niemetalowych, wymagane ciśnienie właściwe do uszczelnienia jest niewielkie, więc uszczelnienie jest dobre. Jednak w niskiej temperaturze, ponieważ współczynnik rozszerzalności materiałów niemetalowych jest znacznie większy niż materiałów metalowych, skurcz w niskiej temperaturze i skurcz uszczelnień metalowych, korpusów zaworów i innych części są znacznie różne, co prowadzi do poważnego zmniejszenia ciśnienia właściwego uszczelnienia, a wynik uszczelnienia nie może być uszczelniony. Większość materiałów niemetalowych sztywnieje i staje się krucha w temperaturach kriogenicznych, tracąc wytrzymałość, co powoduje płynięcie na zimno i relaksację naprężeń. Takie jak guma w temperaturze niższej niż temperatura szkła, całkowicie straci elastyczność, stanie się szklista, straci swoją szczelność. Ponadto guma nie może być stosowana w zaworach LNG, ponieważ ma ekspansję pęcherzyków w medium LNG. Dlatego obecnie przy projektowaniu zaworów niskotemperaturowych, których ogólna temperatura jest niższa niż -70℃, nie stosuje się już niemetalowych materiałów pomocniczych do uszczelniania ani materiałów niemetalowych wytwarzanych w specjalnym procesie w celu uzyskania struktury kompozytowej typu metalowego i niemetalowego.
Według zagranicznych zapisów, niektóre materiały niemetaliczne mogą być dobrze stosowane w stanie kriogenicznym. W latach 70. „slip shod”, nowy plastik firmy Irish Alloy Co., LTD., był rodzajem polietylenu o ultra wysokiej masie cząsteczkowej, który miał dobrą wytrzymałość w temperaturze -269 °C, nie pękał pod wpływem pewnego naprężenia udarowego i zachowywał znaczną odporność na zużycie. Tworzywo Mylar opracowane we Francji jest nadal dość elastyczne w temperaturze ciekłego wodoru (-253℃). Uchwyt uszczelki z poliwęglanu firmy HT Lomanenko z byłego Związku Radzieckiego został przetestowany w ciekłym azocie (-196℃). Dane pokazują, że poliwęglan ma dobry efekt uszczelniający w niskiej temperaturze.
2.2 Para uszczelnień metalowych
W warunkach niskiej temperatury wytrzymałość i twardość materiałów metalowych wzrasta, plastyczność i wytrzymałość maleją, wykazując różne stopnie zjawiska kruchości na zimno w niskiej temperaturze, poważnie wpływając na wydajność i bezpieczeństwo zaworu. Aby zapobiec kruchemu pękaniu materiałów przy niskich naprężeniach w niskiej temperaturze, podczas projektowania zaworów niskotemperaturowych, materiały ze stali nierdzewnej ferrytycznej są na ogół stosowane, gdy temperatura jest wyższa niż -100℃, podczas gdy gdy temperatura jest niższa niż -100℃, korpus zaworu, pokrywa zaworu, trzpień zaworu i gniazdo uszczelniające są najczęściej stosowane z austenityczną stalą nierdzewną o sieci sześciennej centrowanej na powierzchni, miedzią i stopem miedzi, aluminium i stopem aluminium itp. Jednak ponieważ twardość aluminium i stopu aluminium nie jest wysoka, odporność na ścieranie i odporność na ścieranie powierzchni uszczelniającej jest słaba, dlatego rzadko jest stosowana w zaworze niskotemperaturowym. Zwykle stosuje się austenityczne stale nierdzewne, powszechnie stosowane 0Cr18Ni9, 00Cr17Ni12Mo2(304, 316L) itp. Materiały te nie mają niskiej temperatury krytycznej kruchości, a w warunkach niskiej temperatury mogą nadal zachowywać wysoką wytrzymałość.
Jednakże austenityczna stal nierdzewna jako materiał pomocniczy na uszczelnienia zaworów w niskiej temperaturze ma również pewne wady. Ponieważ większość tych materiałów znajduje się w stanie metastabilnym w temperaturze pokojowej, austenit w materiale przekształca się w martenzyt, gdy temperatura spada poniżej punktu przejścia fazowego (MS). W przypadku sieci sześciennej centrowanej na ciele gęstość martenzytu jest niższa niż gęstość sieci sześciennej centrowanej na ścianie austenitu, a ponieważ niektóre atomy węgla układają sieć sześcienną centrowaną na ciele, regulacja położenia, powoduje wzrost sieci wzdłuż osi C, a zatem wzrost zmian objętości spowodowanych naprężeniem wewnętrznym, co pierwotnie po szlifowaniu spełnia wymagania uszczelniające dotyczące odkształcenia powierzchni uszczelniającej, co skutkuje uszkodzeniem uszczelnienia.
Oprócz uszkodzenia odkształceniowego powierzchni uszczelniającej spowodowanego przez przemianę fazową w niskiej temperaturze, z powodu różnicy temperatur każdej części lub różnicy właściwości fizycznych różnych materiałów, co skutkuje nierównomiernym skurczem, wystąpi również naprężenie spowodowane zmianą temperatury. Gdy naprężenie jest poniżej granicy sprężystości materiału, na powierzchni uszczelniającej powstaje odwracalne odkształcenie sprężyste. Gdy naprężenie temperaturowe części przekroczy granicę plastyczności materiału, części będą miały nieodwracalne odkształcenie i odkształcenie, co również spowoduje uszkodzenie powierzchni uszczelniającej i wpłynie na efekt uszczelniania.
Biorąc pod uwagę wpływ niskiej temperatury na parę metalowych uszczelnień, należy podjąć odpowiednie środki, aby deformacja metalowej powierzchni uszczelniającej była mała lub deformacja powierzchni uszczelniającej miała niewielki wpływ na wydajność uszczelnienia. Po pierwsze, jeśli chodzi o materiały, powinniśmy starać się wybierać materiały o wysokiej stabilności struktury metalograficznej (takie jak 316L, ale o wysokiej cenie). Po drugie, korpus, pokrywa, trzon, uszczelka i inne materiały austenityczne wykonane z części muszą być przetwarzane w niskiej temperaturze, tak aby przemiana martenzytyczna i deformacja materiału zostały w pełni przeprowadzone przed wykończeniem. Temperatura obróbki w niskiej temperaturze powinna być niższa niż temperatura zmiany fazy materiału (MS) i niższa niż rzeczywista temperatura robocza zaworu, a czas obróbki powinien wynosić 2 ~ 4 godziny. W razie potrzeby można przeprowadzić wielokrotną obróbkę w niskiej temperaturze lub odpowiednią obróbkę starzeniową. Oprócz powyższych środków, projekt konstrukcyjny powinien być również rozważony w celu zmniejszenia wpływu odkształcenia powierzchni uszczelniającej na wydajność uszczelnienia, tak jak w projektowaniu zaworów zasuwowych, zaworów kulowych i zaworów motylkowych można rozważyć zastosowanie elastycznej struktury uszczelniającej, tak aby odkształcenie w niskiej temperaturze mogło być częściowo skompensowane. W przypadku zaworu kulowego powinna być stożkowa struktura uszczelnienia, tak aby odkształcenie w niskiej temperaturze na powierzchni uszczelniającej miało niewielki wpływ.
3. Wpływ niskiej temperatury na szczelność zaworu
3.1 Uszczelnienie trzonu
Ze względu na wady materiału gumowego w niskiej temperaturze i kruchość na zimno oraz poważne zjawisko płynięcia na zimno większości materiałów niemetalicznych, konstrukcja uszczelnienia między trzonem a korpusem zaworu zaworu niskotemperaturowego nie może wykorzystywać formy pierścienia uszczelniającego, może wykorzystywać jedynie strukturę uszczelnienia komory dławnicy i strukturę uszczelnienia mieszkowego. Ogólne uszczelnienie mieszkowe jest stosowane w medium, nie pozwala na śladowe wycieki i nie nadaje się do okazji do pakowania, żywotność jego jednowarstwowej struktury jest bardzo krótka, koszt struktury wielowarstwowej jest wysoki, przetwarzanie jest trudne, więc generalnie nie jest stosowane.
Struktura uszczelniająca dławnicy jest łatwa w produkcji i przetwarzaniu, łatwa w utrzymaniu i wymianie oraz jest dość powszechna w praktycznym zastosowaniu. Jednak ogólna temperatura robocza uszczelnienia nie może być niższa niż -40℃. Aby zapewnić wydajność uszczelniania uszczelnienia, urządzenie uszczelnienia zaworu niskotemperaturowego powinno być eksploatowane w warunkach zbliżonych do temperatury otoczenia. W niskiej temperaturze, wraz ze spadkiem temperatury, elastyczność wypełniacza stopniowo zanika, a szczelność maleje. Z powodu wycieku medium spowodowanego przez uszczelnienie i lód trzonu zaworu, wpłynie to na normalną pracę trzonu zaworu, ale również z powodu ruchu trzonu zaworu nastąpi zarysowanie uszczelnienia, powodując poważne wycieki. Dlatego w normalnych okolicznościach uszczelnienie zaworu niskotemperaturowego musi pracować w temperaturze powyżej 0℃, co wymaga zaprojektowania długiej struktury pokrywy zaworu, tak aby uszczelnienie znajdowało się z dala od medium o niskiej temperaturze i wyboru uszczelnienia o właściwościach niskotemperaturowych. Powszechnie stosowanymi wypełniaczami są politetrafluoroetylen, azbest, impregnowana politetrafluoroetylenowa lina azbestowa i elastyczny grafit, wśród których, ponieważ azbest nie może uniknąć wycieku przepuszczalności, współczynnik rozszerzalności liniowej politetrafluoroetylenu jest bardzo duży, zjawisko płynięcia na zimno jest poważne, więc generalnie nie jest stosowany. Elastyczny grafit jest doskonałym materiałem uszczelniającym, gaz, ciecz są nieprzepuszczalne, współczynnik sprężania jest większy niż 40%, sprężystość jest większa niż 15%, relaksacja naprężeń jest mniejsza niż 5%, niższe ciśnienie mocowania może być uszczelnione. Ma również samosmarowność, stosowany jako uszczelnienie zaworu może skutecznie zapobiegać zużyciu uszczelnienia i trzonu zaworu, jego właściwości uszczelniające są oczywiście lepsze niż tradycyjnego materiału azbestowego, więc jest jednym z najdoskonalszych materiałów uszczelniających.
Ponieważ wypełniacz jest na ogół materiałem niemetalicznym, współczynnik rozszerzalności liniowej jest znacznie większy niż metalowej skrzynki wypełniającej i trzpienia zaworu. Dlatego gdy uszczelnienie montowane w temperaturze pokojowej spada do określonej temperatury, jego skurcz jest większy niż skurcz otworu uszczelnienia i trzpienia zaworu, co może powodować wyciek z powodu spadku ciśnienia wstępnego. W konstrukcji śruba dławika uszczelnienia może być wstępnie obciążona wieloma grupami uszczelek sprężynowych, tak aby siła wstępnego obciążenia uszczelnienia w niskiej temperaturze mogła być stale kompensowana, aby zapewnić efekt uszczelniający uszczelnienia.
Kombinowane uszczelnienie trzpienia o niskim stopniu przecieku produkowane przez Garlock Company w Stanach Zjednoczonych, pierścień końcowy wykonany jest z rdzenia dysku z plecionego włókna węglowego, pierścień uszczelniający wykonany jest z taśmy grafitowej o wysokiej czystości o fakturze diamentu, dzięki strukturze kielicha i stożka oraz właściwościom rozszerzalności promieniowej, co zapewnia lepszą wydajność uszczelnienia.
Niskotemperaturowe odkształcenie materiału trzonu wpłynie również na wydajność uszczelnienia uszczelnienia. Dlatego też, tak samo jak korpus zaworu, pokrywa zaworu, materiały uszczelniające, trzon musi być również poddany obróbce kriogenicznej po wykończeniu, aby odkształcenie niskotemperaturowe było małe. Ponadto, ponieważ austenityczna stal nierdzewna używana w kriogenicznym materiale trzonu nie może być poddana obróbce cieplnej w celu poprawy twardości powierzchni, połączenie między trzonem a uszczelnieniem jest bardziej narażone na wzajemne stłuczenia, co powoduje wyciek w uszczelnieniu. Dlatego powierzchnia trzonu musi być pokryta twardym chromem lub azotkiem w celu poprawy twardości powierzchni.
3.2 Uszczelka kołnierza środkowego
Zarówno środkowy kołnierz uszczelniający zaworu, jak i zewnętrzne połączenie kołnierza zaworu są na ogół w formie uszczelek. Ponieważ materiał uszczelki twardnieje i zmniejsza plastyczność w niskiej temperaturze, uszczelka do zaworów niskotemperaturowych ma wyższe wymagania. Musi mieć niezawodne uszczelnienie i odzyskiwanie w normalnej temperaturze, niskiej temperaturze i zmianach temperatury. Wpływ niskiej temperatury na wydajność uszczelnienia uszczelki należy rozważyć kompleksowo.
Zgodnie z powszechnie stosowanymi formami uszczelek, długość śruby, grubość uszczelki i kołnierza będą się kurczyć wraz ze spadkiem temperatury. Aby zapewnić niezawodne uszczelnienie uszczelki w niskiej temperaturze, należy spełnić
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 Wpisz
ΔH1 — Odkształcenie rozciągające zespołu śrub, mm
Δ H1 = 1 / E1H sigma
ΔHT1 — Skurcz śruby w zakresie temperatur ΔT, mm
Δ HT1 Δ T = H alfa 1
ΔHT — skurcz uszczelki w strefie temperaturowej ΔT, mm
Δ HT = alfa 2 Δ h T
ΔHT3 — Skurcz górnego i dolnego kołnierza w strefie temperaturowej ΔT, mm
Δ HT3 = alfa 3 Δ T1 (H – H)
σ1 — wstępne naprężenie śruby, N/mm
E1 — moduł sprężystości śruby, N/mm
α1, α2, α3 — to współczynniki rozszerzalności liniowej materiałów śrub, uszczelek i kołnierzy, odpowiednio, mm/m
Wysokość, wysokość – mm
Gdy uszczelka osiągnie zaprojektowaną niską temperaturę roboczą od temperatury pokojowej, suma skurczu górnego i dolnego kołnierza oraz skurczu uszczelki musi być mniejsza niż suma skurczu śruby i odkształcenia rozciągającego zespołu śrub, aby zapewnić, że uszczelka nadal będzie miała część napięcia wstępnego w temperaturze roboczej i zachowa zdolność uszczelniania.
W związku z tym w projekcie należy wziąć pod uwagę cztery aspekty. ① Śruba jest wykonana z materiału o większym współczynniku rozszerzalności liniowej, który ma większy skurcz w niskiej temperaturze. ② Kołnierz jest wykonany z materiału o mniejszym współczynniku rozszerzalności liniowej, aby zmniejszyć ΔHT3. ③ Zmniejsz grubość uszczelki i użyj materiału o małym współczynniku rozszerzalności liniowej jako uszczelki. (4) Zwiększ odkształcenie rozciągające śrub.
W przypadku zaworów niskotemperaturowych poniżej -100℃ materiał korpusu i materiał śruby są na ogół wykonane z austenitycznej stali nierdzewnej, współczynnik rozszerzalności liniowej jest taki sam, więc ważniejsze jest wybranie odpowiedniego materiału uszczelki i zwiększenie odkształcenia rozciągającego śrub. Idealny materiał uszczelki niskotemperaturowej, w temperaturze pokojowej jego twardość jest niska, w niskiej temperaturze sprężystość może być dobra, współczynnik rozszerzalności liniowej jest mały i ma pewną wytrzymałość mechaniczną. W zastosowaniach praktycznych na ogół stosuje się uszczelki uzwojenia wykonane z taśmy ze stali nierdzewnej wypełnionej azbestem lub politetrafluoroetylenem lub elastycznym grafitem, a efekt uszczelniający uszczelek uzwojenia wykonanych z elastycznego grafitu i stali nierdzewnej jest idealny. Jeśli chodzi o zwiększone odkształcenie rozciągające śruby, ze względu na ograniczenie wstępnego obciążenia instalacji śruby, zwiększony margines nie jest duży, więc można rozważyć ustawienie uszczelki sprężyny talerzowej w celu kompensacji.