O uso e os requisitos de vedação da válvula de baixa temperatura como escolher o material da válvula de baixa temperatura

O uso e os requisitos de vedação da válvula de baixa temperatura como escolher o material da válvula de baixa temperatura

2. A influência da baixa temperatura no desempenho de vedação da válvula
2.1 Pares de vedação não metálicos
Válvulas de esfera e válvulas borboleta que trabalham em temperatura ambiente geralmente usam pares de vedação de metal para material não metálico. Devido à alta elasticidade de materiais não metálicos, a pressão específica necessária para a vedação é pequena, então a vedação é boa. No entanto, em baixa temperatura, porque o coeficiente de expansão de materiais não metálicos é muito maior do que o de materiais metálicos, o encolhimento da baixa temperatura e o encolhimento de vedações de metal, corpos de válvula e outras peças são muito diferentes, o que leva à séria redução da pressão específica de vedação e o resultado da vedação não pode ser selado. A maioria dos materiais não metálicos enrijece e se torna quebradiça em temperaturas criogênicas, perdendo tenacidade, resultando em fluxo frio e relaxamento de tensão. Como a borracha em uma temperatura menor que sua temperatura de vidro, perderá completamente a elasticidade, se tornará vítrea, perderá sua estanqueidade. Além disso, a borracha não pode ser usada para válvulas de GNL porque tem expansão de bolhas no meio de GNL. Portanto, atualmente, no projeto de válvulas de baixa temperatura, a temperatura geral é inferior a -70℃ e não são mais utilizados materiais auxiliares de vedação não metálicos, ou materiais não metálicos por meio de um processo especial em estruturas compostas metálicas e não metálicas.
De acordo com registros estrangeiros, alguns materiais não metálicos podem ser bem usados ​​em estado criogênico. Na década de 1970, o “slip shod”, um novo plástico da Irish Alloy Co., LTD., era um tipo de polietileno de ultra-alto peso molecular, que tinha boa tenacidade a -269 ° C, não quebrava sob certo estresse de impacto e mantinha considerável resistência ao desgaste. O plástico Mylar desenvolvido na França ainda é bastante elástico na temperatura do hidrogênio líquido (-253℃). O suporte de vedação de policarbonato da HT Lomanenko da antiga União Soviética foi testado em nitrogênio líquido (-196℃). Os dados mostram que o policarbonato tem um bom efeito de vedação em baixa temperatura.
2.2 Par de selos metálicos
Sob a condição de baixa temperatura, a resistência e a dureza dos materiais metálicos aumentam, a plasticidade e a tenacidade diminuem, mostrando diferentes graus de fenômeno de quebra a frio de baixa temperatura, afetando seriamente o desempenho e a segurança da válvula. Para evitar a fratura frágil de baixa tensão de materiais em baixa temperatura, ao projetar válvulas de baixa temperatura, materiais de aço inoxidável ferrítico são geralmente usados ​​quando a temperatura é superior a -100℃, enquanto quando a temperatura é inferior a -100℃, o corpo da válvula, a tampa da válvula, a haste da válvula e o assento de vedação são usados ​​principalmente com aço inoxidável austenítico de treliça cúbica centrada na face, cobre e liga de cobre, alumínio e liga de alumínio, etc. Mas como a dureza do alumínio e da liga de alumínio não é alta, a resistência à abrasão e a resistência à abrasão da superfície de vedação são baixas, por isso raramente são usadas na válvula de baixa temperatura. Geralmente, são utilizados materiais de aço inoxidável austenítico, comumente usados ​​0Cr18Ni9, 00Cr17Ni12Mo2 (304, 316L), etc. Esses materiais não apresentam temperatura crítica de quebra a frio em baixas temperaturas, podendo ainda manter alta tenacidade em condições de baixa temperatura.
No entanto, o aço inoxidável austenítico como um material auxiliar de vedação de metal de válvula de baixa temperatura também tem algumas deficiências. Como a maioria desses materiais está em um estado metaestável à temperatura ambiente, a austenita no material se transforma em martensita quando a temperatura é reduzida abaixo do ponto de transição de fase (MS). Para a rede cúbica centrada no corpo da densidade de martensita é menor do que a da rede cúbica centrada na face da austenita, e porque alguns átomos de carbono organizam a regulação da posição da rede cúbica centrada no corpo, fazem a rede ao longo do crescimento do eixo C, portanto, o aumento das mudanças de volume causadas pelo estresse interno, fazem originalmente após a retificação atender aos requisitos de vedação da deformação de flambagem da superfície de vedação, resultando em falha da vedação.
Além da falha de deformação da superfície de vedação causada pela transformação de fase de baixa temperatura, devido à diferença de temperatura de cada parte ou à diferença de propriedades físicas entre diferentes materiais, resultando em encolhimento irregular, também ocorrerá estresse de variação de temperatura. Quando o estresse está abaixo do limite elástico do material, uma distorção elástica reversível é produzida na superfície de vedação. Quando o estresse de temperatura de uma parte excede o limite de escoamento do material, as partes terão distorção e deformação irreversíveis, o que também causará a falha da superfície de vedação e afetará o efeito de vedação.
Em vista da influência da baixa temperatura no par de vedação de metal, medidas correspondentes devem ser tomadas para tornar a deformação da superfície de vedação de metal pequena ou a deformação da superfície de vedação tem pouca influência no desempenho da vedação. Em primeiro lugar, em termos de materiais, devemos tentar escolher materiais com alta estabilidade de estrutura metalográfica (como 316L, mas com alto custo). Em segundo lugar, para o corpo, tampa, haste, vedação e outros materiais austeníticos feitos de peças devem ser processados ​​em baixa temperatura, de modo que a transformação de martensita e a deformação do material sejam totalmente realizadas antes do acabamento. A temperatura do tratamento de baixa temperatura deve ser menor do que a temperatura de mudança de fase do material (MS) e menor do que a temperatura real de trabalho da válvula, e o tempo de tratamento deve ser de 2 a 4 horas. Se necessário, vários tratamentos de baixa temperatura ou tratamento de envelhecimento apropriado podem ser realizados. Além das medidas acima, o projeto estrutural também deve ser considerado para reduzir o impacto da deformação da superfície de vedação no desempenho da vedação, como no projeto de válvulas de gaveta, válvulas de esfera e válvulas borboleta pode considerar o uso de estrutura de vedação elástica, de modo que a deformação de baixa temperatura possa ser parcialmente compensada. Para a válvula globo deve ser estrutura de vedação cônica, de modo que a deformação de baixa temperatura na superfície de vedação do pequeno impacto.
3. Influência da baixa temperatura no desempenho de vedação da válvula
3.1 Embalagem de haste
Devido aos defeitos do material de borracha em baixa temperatura e ao fenômeno de fluxo frio quebradiço e sério da maioria dos materiais não metálicos, o design de vedação entre a haste e o corpo da válvula de baixa temperatura não pode usar a forma de anel de vedação, pode usar apenas a estrutura de vedação da caixa de embalagem e a estrutura de vedação do fole. A vedação geral do fole é usada no meio não permite vazamento de vestígios e não é adequada para ocasiões de embalagem, a vida útil de sua estrutura de camada única é muito curta, o custo da estrutura multicamadas é alto, o processamento é difícil, então geralmente não é usado.
A estrutura de vedação da caixa de vedação é fácil de fabricar e processar, fácil de manter e substituir, e é bastante comum na aplicação prática. No entanto, a temperatura geral de trabalho da embalagem não pode ser inferior a -40℃. Para garantir o desempenho de vedação da embalagem, o dispositivo da caixa de vedação da válvula de baixa temperatura deve ser operado sob a condição de perto da temperatura ambiente. Em baixa temperatura, com a diminuição da temperatura, a elasticidade do enchimento desaparece gradualmente, e o desempenho à prova de vazamento diminui. Devido ao vazamento de mídia causado pela embalagem e gelo da haste da válvula, afetará a operação normal da haste da válvula, mas também devido ao movimento da haste da válvula será arranhado na embalagem, causando vazamento sério. Portanto, em circunstâncias normais, a embalagem da válvula de baixa temperatura é necessária para trabalhar em uma temperatura acima de 0℃, o que requer o projeto da estrutura da tampa da válvula de pescoço longo, de modo que a caixa de embalagem fique longe do meio de baixa temperatura, e a seleção de embalagem com características de baixa temperatura. Os enchimentos comumente usados ​​são politetrafluoroetileno, amianto, corda de amianto de politetrafluoroetileno impregnada e grafite flexível, entre os quais, como o amianto não pode evitar vazamento de permeabilidade, o coeficiente de expansão linear do politetrafluoroetileno é muito grande, o fenômeno do fluxo frio é sério, então geralmente não é usado. O grafite flexível é um excelente material de vedação, gás, líquido são impermeáveis, a taxa de compressão é maior que 40%, a resiliência é maior que 15%, o relaxamento do estresse é menor que 5%, a pressão de fixação mais baixa pode ser selada. Ele também tem autolubricidade, usado como gaxeta de válvula pode efetivamente prevenir o desgaste da gaxeta e da haste da válvula, seu desempenho de vedação é obviamente melhor do que o material de amianto tradicional, por isso é um dos materiais de vedação mais excelentes.
Como o enchimento é geralmente um material não metálico, o coeficiente de expansão linear é muito maior do que a caixa de enchimento de metal e a haste da válvula. Portanto, quando a embalagem montada em temperatura ambiente cai para uma determinada temperatura, sua contração é maior do que a do furo da embalagem e da haste da válvula, o que pode causar vazamento devido à diminuição da pressão de pré-carga. No projeto, o parafuso da glândula de embalagem pode ser pré-carregado com vários grupos de juntas de mola de disco, de modo que a força de pré-carga da embalagem em baixa temperatura possa ser continuamente compensada para garantir o efeito de vedação da embalagem.
A gaxeta combinada de baixo vazamento produzida pela Garlock Company nos Estados Unidos, o anel final é feito de raiz de disco trançado de fibra de carbono, o anel de vedação é feito de moldagem de tira de grafite com textura de diamante de alta pureza, através da estrutura de copo e cone e características de expansão radial, de modo que o desempenho de vedação é melhorado.
A deformação em baixa temperatura do material da haste também afetará o desempenho de vedação da gaxeta. Portanto, o mesmo que o corpo da válvula, tampa da válvula, materiais de acessórios de vedação, a haste também deve ser processada criogênica após o acabamento, a fim de fazer com que a deformação em baixa temperatura seja pequena. Além disso, como o aço inoxidável austenítico usado no material da haste criogênica não pode ser tratado termicamente para melhorar a dureza da superfície, a junta entre a haste e a gaxeta tem maior probabilidade de machucar uma à outra, resultando em vazamento na gaxeta. Portanto, a superfície da haste deve ser revestida com cromo duro ou nitreto para melhorar a dureza da superfície.
3.2 Junta do flange central
Tanto a vedação do flange do meio da válvula quanto a conexão externa da válvula de conexão do flange são geralmente na forma de juntas. Como o material da junta endurece e reduz a plasticidade em baixa temperatura, a junta para válvulas de baixa temperatura tem requisitos mais altos. Ela deve ter vedação e recuperação confiáveis ​​em temperatura normal, baixa temperatura e mudanças de temperatura. A influência da baixa temperatura no desempenho da vedação da junta deve ser considerada de forma abrangente.
De acordo com as formas de vedação de junta comumente usadas, o comprimento do parafuso, a espessura da junta e do flange encolherão conforme a temperatura diminui. Para garantir a vedação confiável da junta em baixa temperatura, deve ser atendido
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 Digite o
ΔH1 — Deformação de tração do conjunto do parafuso, mm
Δ H1 = 1/E1H sigma
ΔHT1 — Contração do parafuso na faixa de temperatura de ΔT, mm
Δ HT1 Δ T = H alfa 1
ΔHT — contração da junta na zona de temperatura ΔT, mm
Δ HT = alfa 2 Δ h T
ΔHT3 — Encolhimento dos flanges superior e inferior na zona de temperatura ΔT, mm
Δ HT3 = alfa 3 Δ T1 (H – H)
σ1 — Pré-carga do parafuso, N/mm
E1 — módulo de elasticidade do parafuso, N/mm
α1, α2, α3 — são o coeficiente de expansão linear dos materiais do parafuso, junta e flange, respectivamente, mm/m
H, H – mm
Quando a vedação da junta atinge a baixa temperatura de trabalho projetada a partir da temperatura ambiente, a soma da contração dos flanges superior e inferior e a contração da junta deve ser menor que a soma da contração do parafuso e da deformação de tração do conjunto do parafuso, de modo a garantir que a junta ainda tenha parte da pré-carga na temperatura de trabalho e mantenha a capacidade de vedação.
Consequentemente, quatro aspectos devem ser considerados no projeto. ① O parafuso é feito de material com maior coeficiente de expansão linear, que tem maior encolhimento em baixa temperatura. ② O flange é feito de material com menor coeficiente de expansão linear para reduzir ΔHT3. ③ Reduza a espessura da junta e use o material com pequeno coeficiente de expansão linear como junta. (4) Aumente a deformação de tração dos parafusos.
Para válvulas de baixa temperatura abaixo de -100℃, o material do corpo e o material do parafuso são geralmente feitos de aço inoxidável austenítico, o coeficiente de expansão linear é o mesmo, por isso é mais importante escolher o material de junta apropriado e aumentar a deformação de tração dos parafusos. Material de junta de baixa temperatura ideal, em temperatura ambiente sua dureza é baixa, em baixa temperatura a resiliência pode ser boa, o coeficiente de expansão linear é pequeno e tem uma certa resistência mecânica. Em aplicações práticas, juntas de enrolamento feitas de fita de aço inoxidável preenchida com amianto ou politetrafluoretileno ou grafite flexível são geralmente usadas, e o efeito de vedação de juntas de enrolamento feitas de grafite flexível e aço inoxidável é ideal. Quanto ao aumento da deformação de tração do parafuso, devido ao limite da pré-carga de instalação do parafuso, a margem aumentada não é muito, então pode ser considerado ajustar a junta da mola do disco para compensar.