Требования к использованию и герметизации низкотемпературного клапана, как выбрать материал для низкотемпературного клапана

Требования к использованию и герметизации низкотемпературного клапана, как выбрать материал для низкотемпературного клапана

2. Влияние низкой температуры на герметичность клапана
2.1 Неметаллические уплотнительные пары
Шаровые краны и поворотные затворы, работающие при комнатной температуре, обычно используют пары уплотнений из металла и неметаллического материала. Из-за высокой эластичности неметаллических материалов удельное давление, необходимое для герметизации, невелико, поэтому герметизация хорошая. Однако при низкой температуре, поскольку коэффициент расширения неметаллических материалов намного больше, чем у металлических материалов, усадка при низкой температуре и усадка металлических уплотнений, корпусов клапанов и других деталей сильно различаются, что приводит к серьезному снижению удельного давления герметизации, и результат герметизации не может быть герметизирован. Большинство неметаллических материалов застывают и становятся хрупкими при криогенных температурах, теряя прочность, что приводит к хладотекучести и релаксации напряжений. Например, резина при температуре ниже ее температуры стеклования полностью потеряет эластичность, станет стекловидной, потеряет герметичность. Кроме того, резину нельзя использовать для клапанов СПГ, потому что она имеет расширение пузырьков в среде СПГ. Поэтому в настоящее время при проектировании низкотемпературных клапанов, общая температура которых ниже -70 ℃, больше не используются неметаллические вспомогательные уплотнительные материалы или неметаллические материалы, которые посредством специальной обработки преобразуются в металлические и неметаллические композитные конструкции.
Согласно зарубежным записям, некоторые неметаллические материалы можно хорошо использовать в криогенном состоянии. В 1970-х годах «slip shod», новый пластик от Irish Alloy Co., LTD., был своего рода сверхвысокомолекулярным полиэтиленом, который имел хорошую прочность при -269 ° C, не ломался при определенных ударных нагрузках и сохранял значительную износостойкость. Пластик Mylar, разработанный во Франции, все еще довольно эластичен при температуре жидкого водорода (-253 ℃). Поликарбонатный держатель уплотнения HT Lomanenko из бывшего Советского Союза был испытан в жидком азоте (-196 ℃). Данные показывают, что поликарбонат обладает хорошим герметизирующим эффектом при низкой температуре.
2.2 Пара металлических уплотнений
В условиях низкой температуры прочность и твердость металлических материалов увеличиваются, пластичность и вязкость уменьшаются, что показывает различные степени явления низкотемпературной хладноломкости, серьезно влияющие на производительность и безопасность клапана. Чтобы предотвратить низконапряженное хрупкое разрушение материалов при низкой температуре, при проектировании низкотемпературных клапанов обычно используются ферритные нержавеющие стали, когда температура выше -100 ℃, в то время как при температуре ниже -100 ℃ корпус клапана, крышка клапана, шток клапана и уплотнительное седло в основном используются из аустенитной нержавеющей стали с гранецентрированной кубической решеткой, меди и медного сплава, алюминия и алюминиевого сплава и т. д. Но поскольку твердость алюминия и алюминиевого сплава невысока, абразивная стойкость и абразивная стойкость уплотнительной поверхности плохие, поэтому они редко используются в низкотемпературных клапанах. Обычно используются аустенитные нержавеющие стали, обычно 0Cr18Ni9, 00Cr17Ni12Mo2 (304, 316L) и т. д. Эти материалы не имеют критической температуры хладноломкости при низких температурах, в условиях низких температур они все еще могут сохранять высокую вязкость.
Однако аустенитная нержавеющая сталь в качестве вспомогательного материала для уплотнений из низкотемпературного металла клапана также имеет некоторые недостатки. Поскольку большинство этих материалов находятся в метастабильном состоянии при комнатной температуре, аустенит в материале превращается в мартенсит, когда температура опускается ниже точки фазового перехода (MS). Для объемно-центрированной кубической решетки мартенсита плотность ниже, чем у гранецентрированной кубической решетки аустенита, и поскольку некоторые атомы углерода организуют объемно-центрированную кубическую решетку, регулирование положения, делает решетку вдоль оси C ростом, таким образом, увеличение объемных изменений, вызванных внутренним напряжением, делает первоначально после шлифования соответствие требованиям уплотнения деформации изгиба уплотнительной поверхности, что приводит к отказу уплотнения.
В дополнение к деформационному отказу уплотнительной поверхности, вызванному низкотемпературным фазовым превращением, из-за разницы температур каждой детали или разницы физических свойств между различными материалами, приводящей к неравномерной усадке, также возникнет напряжение изменения температуры. Когда напряжение ниже предела упругости материала, в уплотнительной поверхности возникает обратимая упругая деформация. Когда температурное напряжение детали превышает предел текучести материала, детали будут иметь необратимую деформацию и деформацию, что также приведет к отказу уплотнительной поверхности и повлияет на эффект уплотнения.
Ввиду влияния низкой температуры на металлическую уплотнительную пару необходимо принять соответствующие меры, чтобы сделать деформацию металлической уплотнительной поверхности небольшой или чтобы деформация уплотнительной поверхности оказывала незначительное влияние на уплотнительные характеристики. Во-первых, с точки зрения материалов, следует попытаться выбрать материалы с высокой стабильностью металлографической структуры (например, 316L, но с высокой стоимостью). Во-вторых, для корпуса, крышки, штока, уплотнения и других аустенитных материалов, изготовленных из деталей, необходимо обрабатывать их при низкой температуре, чтобы мартенситное превращение и деформация материала полностью осуществлялись перед финишной обработкой. Температура низкотемпературной обработки должна быть ниже температуры фазового перехода материала (MS) и ниже фактической рабочей температуры клапана, а время обработки должно составлять 2 ~ 4 часа. При необходимости можно провести многократную низкотемпературную обработку или соответствующую обработку старением. В дополнение к вышеуказанным мерам, структурная конструкция также должна быть рассмотрена для уменьшения влияния деформации уплотнительной поверхности на уплотнительные характеристики, например, в конструкции задвижек, шаровых кранов и поворотных затворов можно рассмотреть использование эластичной уплотнительной структуры, так что низкотемпературная деформация может быть частично компенсирована. Для шарового клапана должна быть коническая уплотнительная структура, так что низкотемпературная деформация на уплотнительной поверхности оказывает небольшое влияние.
3. Влияние низкой температуры на герметичность клапана
3.1 Набивка штока
Из-за дефектов резинового материала при низкой температуре, а также явления холодной хрупкости и серьезной холодной текучести большинства неметаллических материалов, конструкция уплотнения между штоком и корпусом клапана низкотемпературного клапана не может использовать форму уплотнительного кольца, можно использовать только конструкцию уплотнения сальниковой коробки и конструкцию уплотнения сильфона. Обычное сильфонное уплотнение используется в среде, не допускает следов утечки и не подходит для случаев уплотнения, срок службы его однослойной структуры очень короткий, стоимость многослойной структуры высока, обработка сложна, поэтому, как правило, не используется.
Уплотнительная конструкция сальника проста в изготовлении и обработке, проста в обслуживании и замене и довольно распространена в практическом применении. Однако общая рабочая температура набивки не может быть ниже -40 ℃. Для обеспечения герметичности набивки устройство набивки низкотемпературного клапана должно работать в условиях, близких к температуре окружающей среды. При низкой температуре, с понижением температуры, эластичность наполнителя постепенно исчезает, а герметичность снижается. Из-за утечки среды, вызванной набивкой и льдом штока клапана, будет влиять на нормальную работу штока клапана, но также из-за движения штока клапана будет происходить царапина набивки, вызывая серьезную утечку. Поэтому при нормальных обстоятельствах набивка низкотемпературного клапана должна работать при температуре выше 0 ℃, что требует конструкции длинной горловины конструкции крышки клапана, чтобы набивка находилась вдали от низкотемпературной среды, и выбора набивки с низкотемпературными характеристиками. Обычно используемые наполнители - политетрафторэтилен, асбест, пропитанный политетрафторэтиленовый асбестовый канат и гибкий графит, среди которых, поскольку асбест не может избежать проницаемости утечки, коэффициент линейного расширения политетрафторэтилена очень большой, явление холодного течения серьезное, поэтому обычно не используется. Гибкий графит - отличный уплотнительный материал, газ, жидкость непроницаемы, степень сжатия более 40%, упругость более 15%, релаксация напряжения менее 5%, более низкое давление крепления может быть герметизировано. Он также обладает самосмазываемостью, используемый в качестве уплотнения клапана, может эффективно предотвращать износ уплотнения и штока клапана, его уплотнительные характеристики, очевидно, лучше, чем у традиционного асбестового материала, поэтому он является одним из самых превосходных уплотнительных материалов.
Поскольку наполнитель, как правило, неметаллический материал, коэффициент линейного расширения намного больше, чем у металлического наполнителя и штока клапана. Поэтому, когда собранная при комнатной температуре набивка падает до определенной температуры, ее усадка больше, чем у отверстия для набивки и штока клапана, что может привести к утечке из-за снижения давления предварительной нагрузки. В конструкции болт сальника может быть предварительно нагружен несколькими группами прокладок тарельчатых пружин, так что сила предварительной нагрузки набивки при низкой температуре может непрерывно компенсироваться для обеспечения герметизирующего эффекта набивки.
Комбинированное уплотнение штока с низкой утечкой, произведенное компанией Garlock Company в США, торцевое кольцо изготовлено из плетеного углеродного волокна корневого диска, уплотнительное кольцо изготовлено из высокочистого графитового литья с алмазной текстурой, благодаря чашеобразной и конической структуре и радиальным характеристикам расширения, что улучшает эффективность уплотнения.
Низкотемпературная деформация материала штока также повлияет на уплотнительные свойства набивки. Поэтому, как и корпус клапана, крышка клапана, уплотнительные вспомогательные материалы, шток также должен быть подвергнут криогенной обработке после отделки, чтобы сделать низкотемпературную деформацию небольшой. Кроме того, поскольку аустенитная нержавеющая сталь, используемая в криогенном материале штока, не может быть подвергнута термической обработке для повышения твердости поверхности, соединение между штоком и набивкой с большей вероятностью будет царапать друг друга, что приведет к утечке на набивке. Поэтому поверхность штока должна быть покрыта твердым хромом или нитридом для повышения твердости поверхности.
3.2 Прокладка среднего фланца
Как среднее фланцевое уплотнение клапана, так и внешнее соединение фланцевого клапана обычно выполнены в виде прокладок. Поскольку материал прокладки затвердевает и снижает пластичность при низкой температуре, к прокладке для низкотемпературных клапанов предъявляются более высокие требования. Она должна иметь надежную герметизацию и восстановление при нормальной температуре, низкой температуре и изменениях температуры. Влияние низкой температуры на эффективность уплотнения прокладки следует рассматривать комплексно.
Согласно общепринятым формам уплотнения прокладок, длина болта, толщина прокладки и фланца будут уменьшаться по мере понижения температуры. Для обеспечения надежного уплотнения прокладки при низкой температуре необходимо соблюдать
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 Введите
ΔH1 — Деформация растяжения болтового соединения, мм
Δ H1 = 1/E1H сигма
ΔHT1 — Усадка болта в диапазоне температур ΔT, мм
Δ HT1 Δ T = H альфа 1
ΔHT — усадка прокладки в зоне температур ΔT, мм
Δ HT = альфа 2 Δ h T
ΔHT3 — Усадка верхнего и нижнего фланцев в температурной зоне ΔT, мм
Δ HT3 = альфа 3 Δ T1 (H – H)
σ1 — Предварительная нагрузка болта, Н/мм
E1 — модуль упругости болта, Н/мм
α1, α2, α3 — коэффициенты линейного расширения материалов болта, прокладки и фланца соответственно, мм/м
Н, Н – мм
Когда прокладка достигает проектной рабочей низкой температуры от комнатной температуры, сумма усадки верхнего и нижнего фланцев и усадки прокладки должна быть меньше суммы усадки болта и деформации растяжения болтового узла, чтобы гарантировать, что прокладка все еще имеет часть предварительной нагрузки при рабочей температуре и сохраняет уплотнительную способность.
Соответственно, при проектировании следует учитывать четыре аспекта. ① Болт изготовлен из материала с большим коэффициентом линейного расширения, который имеет большую усадку при низкой температуре. ② Фланец изготовлен из материала с меньшим коэффициентом линейного расширения, чтобы уменьшить ΔHT3. ③ Уменьшить толщину прокладки и использовать в качестве прокладки материал с малым коэффициентом линейного расширения. (4) Увеличить деформацию растяжения болтов.
Для низкотемпературных клапанов ниже -100 ℃ материал корпуса и материал болта обычно изготавливаются из аустенитной нержавеющей стали, коэффициент линейного расширения тот же, поэтому важнее выбрать подходящий материал прокладки и увеличить деформацию растяжения болтов. Идеальный материал прокладки для низкой температуры, при комнатной температуре его твердость низкая, при низкой температуре упругость может быть хорошей, коэффициент линейного расширения небольшой и имеет определенную механическую прочность. В практических применениях обычно используются прокладки обмотки из ленты из нержавеющей стали, заполненной асбестом или политетрафторэтиленом или гибким графитом, а герметизирующий эффект прокладок обмотки из гибкого графита и нержавеющей стали является идеальным. Что касается повышенной деформации растяжения болта, из-за ограничения предварительной нагрузки установки болта увеличенный запас невелик, поэтому можно рассмотреть возможность установки прокладки дисковой пружины для компенсации.