Zahteve za uporabo in tesnjenje nizkotemperaturnega ventila, kako izbrati material za nizkotemperaturni ventil
2. Vpliv nizke temperature na tesnjenje ventila
2.1 Nekovinski tesnilni pari
Krogelni ventili in dušilni ventili, ki delujejo pri sobni temperaturi, običajno uporabljajo pare tesnil iz kovine in nekovinskega materiala. Zaradi visoke elastičnosti nekovinskih materialov je specifični tlak, potreben za tesnjenje, majhen, zato je tesnjenje dobro. Ker pa je koeficient raztezanja nekovinskih materialov pri nizkih temperaturah veliko večji kot pri kovinskih materialih, sta krčenje pri nizki temperaturi in krčenje kovinskih tesnil, teles ventilov in drugih delov precej drugačna, kar vodi do resno zmanjšanje tesnilnega specifičnega tlaka in rezultat tesnjenja ni mogoče zapečatiti. Večina nekovinskih materialov se pri nizkih temperaturah otrdi in postane krhka, izgubijo žilavost, kar povzroči hladno tečenje in sprostitev napetosti. Kot na primer guma pri temperaturi, nižji od temperature stekla, bo popolnoma izgubila elastičnost, postala steklena, izgubila svojo tesnost. Poleg tega gume ni mogoče uporabiti za ventile za utekočinjeni zemeljski plin, ker se v mediju utekočinjenega zemeljskega plina širijo mehurčki. Zato trenutno pri zasnovi nizkotemperaturnega ventila splošna temperatura nižja od -70 ℃ ne uporablja več nekovinskih tesnilnih pomožnih materialov ali nekovinskih materialov s posebnim postopkom v kovinsko in nekovinsko kompozitno strukturo.
Po tujih zapisih se lahko nekateri nekovinski materiali dobro uporabljajo v kriogenem stanju. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je bil »slip shod«, nova plastika podjetja Irish Alloy Co., LTD., nekakšen polietilen z ultra visoko molekulsko maso, ki je imel dobro žilavost pri -269 °C, ni se zlomil pod določeno udarno obremenitvijo, in ohranil znatno odpornost proti obrabi. Mylar plastika, razvita v Franciji, je še vedno precej elastična pri temperaturi tekočega vodika (-253 ℃). Polikarbonatno držalo pečata HT Lomanenka iz nekdanje Sovjetske zveze je bilo testirano v tekočem dušiku (-196 ℃). Podatki kažejo, da ima polikarbonat dober učinek tesnjenja pri nizkih temperaturah.
2.2 Par kovinskih tesnil
V pogojih nizke temperature se trdnost in trdota kovinskih materialov povečata, plastičnost in žilavost zmanjšata, kar kaže na različne stopnje nizkotemperaturnega hladno krhkega pojava, ki resno vpliva na delovanje in varnost ventila. Da bi preprečili nizkonapetostni krhki lom materialov pri nizki temperaturi, se pri načrtovanju nizkotemperaturnih ventilov običajno uporabljajo materiali iz feritnega nerjavnega jekla, ko je temperatura višja od -100 ℃, medtem ko je temperatura nižja od -100 ℃, ventil ohišje, pokrov ventila, steblo ventila in tesnilni sedež se večinoma uporabljajo s kubičnim mrežastim avstenitnim nerjavnim jeklom, bakrom in bakrom zlitine, aluminij in aluminijeve zlitine itd. Ker pa trdota aluminija in aluminijevih zlitin ni visoka, je odpornost proti obrabi in odpornost proti obrabi tesnilne površine slaba, zato se redko uporablja v nizkotemperaturnem ventilu. Na splošno se uporabljajo materiali iz avstenitnega nerjavečega jekla, običajno uporabljeni 0Cr18Ni9, 00Cr17Ni12Mo2 (304, 316L) itd. Ti materiali nimajo kritične temperature pri nizkih temperaturah pri nizkih temperaturah, lahko še vedno ohranijo visoko žilavost.
Vendar pa ima avstenitno nerjavno jeklo kot pomožni material za nizkotemperaturno kovinsko tesnilo ventila tudi nekaj pomanjkljivosti. Ker je večina teh materialov pri sobni temperaturi v metastabilnem stanju, se avstenit v materialu spremeni v martenzit, ko se temperatura zniža pod točko faznega prehoda (MS). Za telesno osredotočeno kubično mrežo martenzita je gostota nižja kot gostota očno osredotočene kubične mreže avstenita, in ker nekateri atomi ogljika urejajo regulacijo položaja kubične mreže s središčem telesa, povzročijo rast mreže vzdolž osi C, s čimer se poveča volumen spremeni ki jih povzroča notranja napetost, naj prvotno po brušenju izpolnjujejo zahteve za tesnjenje deformacije tesnilne površine, kar povzroči okvaro tesnila.
Poleg deformacijske odpovedi tesnilne površine, ki jo povzroči nizkotemperaturna fazna transformacija, zaradi temperaturne razlike vsakega dela ali razlike fizikalnih lastnosti med različnimi materiali, kar povzroči neenakomerno krčenje, se bo pojavila tudi temperaturna variacija. Ko je napetost pod mejo elastičnosti materiala, nastane reverzibilna elastična deformacija na tesnilni površini. Ko temperaturna obremenitev dela preseže mejo tečenja materiala, se deli nepopravljivo popačijo in deformirajo, kar bo povzročilo tudi odpoved tesnilne površine in vplivalo na učinek tesnjenja.
Glede na vpliv nizke temperature na kovinski tesnilni par je treba sprejeti ustrezne ukrepe, da bo deformacija kovinske tesnilne površine majhna ali da deformacija tesnilne površine malo vpliva na tesnjenje. Prvič, kar zadeva materiale, moramo poskušati izbrati materiale z visoko stabilnostjo metalografske strukture (kot je 316L, vendar z visokimi stroški). Drugič, za telo, pokrov, steblo, tesnilo in druge avstenitne materiale iz delov je treba obdelati pri nizki temperaturi, tako da se martenzitna transformacija in deformacija materiala v celoti izvedeta pred končno obdelavo. Temperatura nizkotemperaturne obdelave mora biti nižja od temperature fazne spremembe materiala (MS) in nižja od dejanske delovne temperature ventila, čas obdelave pa mora biti 2 ~ 4 ure. Po potrebi lahko izvedemo večkratno obdelavo pri nizkih temperaturah ali ustrezno obdelavo staranja. Poleg zgornjih ukrepov je treba upoštevati tudi konstrukcijsko zasnovo, da se zmanjša vpliv deformacije tesnilne površine na tesnilno zmogljivost, na primer pri zasnovi zapornih ventilov, krogelnih ventilov in metuljastih ventilov je mogoče upoštevati uporabo elastične tesnilne strukture, tako da da je mogoče nizkotemperaturno deformacijo delno kompenzirati. Krožni ventil mora imeti stožčasto strukturo tesnila, tako da je nizka temperatura deformacije na tesnilni površini majhnega vpliva.
3. Vpliv nizke temperature na tesnjenje ventila
3.1 Tesnilo stebla
Zaradi napak gumijastega materiala pri nizki temperaturi in hladno krhkega in resnega pojava hladnega toka večine nekovinskih materialov, zasnova tesnila med steblom in telesom ventila nizkotemperaturnega ventila ne more uporabiti oblike tesnilnega obroča, lahko uporabljajte samo tesnilno strukturo embalaže in tesnilno strukturo meha. Splošno tesnilo z mehom se uporablja v mediju, ne dopušča sledi puščanja in ni primerno za pakiranje, življenjska doba njegove enoslojne strukture je zelo kratka, stroški večplastne strukture so visoki, obdelava je težka, zato na splošno ni rabljeno.
Tesnilno strukturo polnilne škatle je enostavno izdelati in obdelati, enostavno vzdrževati in zamenjati ter je precej pogosta v praktični uporabi. Vendar splošna delovna temperatura embalaže ne sme biti nižja od -40 ℃. Da bi zagotovili tesnjenje embalaže, mora naprava polnilne škatle nizkotemperaturnega ventila delovati v pogojih, ki so blizu temperature okolja. Pri nizki temperaturi, z znižanjem temperature, elastičnost polnila postopoma izgine, učinkovitost neprepustnosti pa se zmanjša. Zaradi puščanja medija, ki ga povzročata tesnilo in led na steblu ventila, bo to vplivalo na normalno delovanje stebla ventila, zaradi premikanja stebla ventila pa bo prišlo tudi do prask na tesnilu, kar bo povzročilo resno puščanje. Zato mora v normalnih okoliščinah nizkotemperaturno tesnilo ventila delovati pri temperaturi nad 0 ℃, kar zahteva zasnovo strukture pokrova ventila z dolgim vratom, tako da je škatla pakiranja stran od nizkotemperaturnega medija, in izbiro embalaže z nizkotemperaturnimi lastnostmi. Običajno uporabljena polnila so politetrafluoroetilen, azbest, impregnirana politetrafluoroetilenska azbestna vrv in fleksibilni grafit, med katerimi je, ker se azbest ne more izogniti puščanju prepustnosti, koeficient linearne ekspanzije politetrafluoroetilena zelo velik, pojav hladnega toka je resen, zato se na splošno ne uporablja. Fleksibilni grafit je odličen tesnilni material, plin, tekočina sta neprepustna, stopnja stiskanja je večja od 40 %, odpornost je večja od 15 %, sprostitev napetosti je manjša od 5 %, nižji pritisk pritrditve je mogoče zatesniti. Ima tudi samomazljivost, uporablja se kot tesnilo ventila in lahko učinkovito prepreči obrabo tesnila in stebla ventila, njegova tesnilna zmogljivost je očitno boljša od tradicionalnega azbestnega materiala, zato je eden najodličnejših tesnilnih materialov.
Ker je polnilo na splošno nekovinski material, je linearni koeficient razteznosti veliko večji od koeficienta kovinske polnilne škatle in stebla ventila. Zato je, ko tesnilo, sestavljeno pri sobni temperaturi, pade na določeno temperaturo, njegovo krčenje večje od krčenja luknje tesnila in stebla ventila, kar lahko povzroči puščanje zaradi zmanjšanja prednapetostnega tlaka. Pri zasnovi je lahko vijak uvodnice tesnila prednapet z več skupinami tesnil diskaste vzmeti, tako da se lahko prednapetostna sila tesnila pri nizki temperaturi nenehno kompenzira, da se zagotovi učinek tesnjenja tesnila.
Kombinirano tesnilo stebla z nizkim puščanjem, ki ga proizvaja podjetje Garlock Company v Združenih državah Amerike, končni obroč je narejen iz ogljikovih vlaken, pletenega korena diska, tesnilni obroč je izdelan iz oblikovanja grafitnega traku z diamantno teksturo visoke čistosti, skozi strukturo skodelice in stožca ter radialno širitev značilnosti, tako da je učinkovitost tesnjenja izboljšana.
Nizkotemperaturna deformacija materiala stebla bo vplivala tudi na tesnjenje embalaže. Zato je treba, tako kot telo ventila, pokrov ventila, tesnilne dodatne materiale, tudi steblo po končani obdelavi kriogeno obdelati, da bi bila nizkotemperaturna deformacija majhna. Poleg tega, ker avstenitnega nerjavnega jekla, uporabljenega v kriogenem materialu stebla, ni mogoče toplotno obdelati za izboljšanje površinske trdote, obstaja večja verjetnost, da se bo spoj med steblom in tesnilom med seboj poškodoval, kar bo povzročilo puščanje na tesnilu. Zato mora biti površina stebla prevlečena s trdim kromom ali nitridom, da se izboljša trdota površine.
3.2 Tesnilo srednje prirobnice
Srednje prirobnično tesnilo ventila in zunanji priključek prirobničnega priključnega ventila sta običajno v obliki tesnil. Ker se tesnilni material pri nizki temperaturi strdi in zmanjša plastičnost, so zahteve za tesnilo za nizkotemperaturne ventile višje. Imeti mora zanesljivo tesnjenje in obnovitev pri normalni temperaturi, nizki temperaturi in temperaturnih spremembah. Vpliv nizke temperature na tesnjenje tesnila je treba obravnavati celovito.
V skladu s pogosto uporabljenimi oblikami tesnjenja tesnil se bodo dolžina vijaka, tesnilo in debelina prirobnice skrčili, ko se temperatura zniža. Da bi zagotovili zanesljivo tesnjenje tesnila pri nizki temperaturi, je treba izpolniti
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 Vnesite
ΔH1 - Natezna deformacija sornika, mm
Δ H1 = 1 / E1H sigma
ΔHT1 — Krčenje vijaka v temperaturnem območju ΔT, mm
Δ HT1 Δ T = H alfa 1
ΔHT - krčenje tesnila v temperaturnem območju ΔT, mm
Δ HT = alfa 2 Δ h T
ΔHT3 — Krčenje zgornje in spodnje prirobnice v temperaturnem območju ΔT, mm
Δ HT3 = alfa 3 Δ T1 (H – H)
σ1 - Prednapetost vijaka, N/mm
E1 - modul elastičnosti vijaka, N / mm
α1, α2, α3 — koeficient linearnega raztezanja materialov vijakov, tesnil in prirobnic, mm/m
H, H – mm
Ko tesnilo doseže načrtovano delovno nizko temperaturo od sobne temperature, mora biti vsota krčenja zgornje in spodnje prirobnice ter krčenje tesnila manjša od vsote krčenja vijaka in natezne deformacije vijaka. montažo, tako da zagotovite, da ima tesnilo še vedno del prednapetosti pri delovni temperaturi in ohranite sposobnost tesnjenja.
V skladu s tem je treba pri načrtovanju upoštevati štiri vidike. ① Vijak je izdelan iz materiala z večjim linearnim razteznim koeficientom, ki ima večje krčenje pri nizki temperaturi. ② Prirobnica je izdelana iz materiala z manjšim linearnim razteznim koeficientom za zmanjšanje ΔHT3. ③ Zmanjšajte debelino tesnila in kot tesnilo uporabite material z majhnim linearnim razteznim koeficientom. (4) Povečajte natezno deformacijo vijakov.
Pri nizkotemperaturnih ventilih pod -100 ℃ sta material ohišja in material vijaka na splošno izdelana iz avstenitnega nerjavečega jekla, koeficient linearne razteznosti je enak, zato je pomembneje izbrati ustrezen material tesnila in povečati natezno deformacijo vijakov. Idealen nizkotemperaturni tesnilni material, pri sobni temperaturi je njegova trdota nizka, pri nizkih temperaturah je odpornost lahko dobra, koeficient linearne razteznosti je majhen in ima določeno mehansko trdnost. V praktičnih aplikacijah se običajno uporabljajo tesnila za navijanje iz traku iz nerjavečega jekla, napolnjenega z azbestom ali politetrafluoretilenom ali upogljivim grafitom, tesnilni učinek tesnil za navijanje iz upogljivega grafita in nerjavečega jekla pa je idealen. Kar zadeva povečano natezno deformacijo sornika, zaradi omejitve prednapetosti namestitve sornika povečana meja ni velika, zato je mogoče razmisliti o nastavitvi tesnila kolutne vzmeti za kompenzacijo.
Čas objave: 19. oktober 2022
