Alles, was Sie über die Abdichtung kryogener Kugelhähne wissen müssen

Der Kugelhahn ist einfach aufgebaut, benötigt wenig Einbauraum und wird durch mittlere Kraft abgedichtet, ohne von externer Antriebskraft beeinflusst zu werden. Daher wird er häufig unter verschiedenen Arbeitsbedingungen eingesetzt. Derzeit werden ultrakryogene Kugelhähne häufig in LNG-Terminals eingesetzt, und die Anzahl der ultrakryogenen Kugelhähne beträgt 801 TP3T der Gesamtzahl der Ventile in LNG-Terminals. Bei der Verwendung von ultrakryogenen Kugelhähnen treten interne Leckagen auf. Basierend auf den Konstruktionskriterien für kryogene Kugelhähne und der grundlegenden Theorie der Ventildichtleistung analysiert dieser Artikel die Faktoren, die die Abdichtung von ultrakryogenen Kugelhähnen beeinflussen.

Design der Dichtung kryogener Kugelhähne

Aufgrund der extrem niedrigen Betriebstemperatur sind bei der Konstruktion und Herstellung von ultrakryogenen Kugelhähnen eine Reihe technischer Probleme zu bewältigen, wie etwa Materialauswahl, Niedertemperaturabdichtung, strukturelles Design, Lösungsglühen, kryogene Behandlung, Wärmeisolierung, Qualitätsprüfung, Wartung, Sicherheit usw.

Daher gibt es eine Reihe strenger Normen für die Konstruktion von Niedertemperaturventilen. International werden hauptsächlich die Normen BS6364 „Kryogenes Ventil“ und MSSP-134 „Ventile für kryogene Anwendungen, einschließlich Anforderungen an Gehäuse-/Haubenverlängerungen“ übernommen. Diese beiden Normen legen die wichtigsten Punkte und Regeln für die Konstruktion und Herstellung von kryogenen Kugelhähnen fest. Die Norm JB/t7749 „Technische Spezifikationen für kryogene Ventile“ wird gemäß BS6364 „Kryogenes Ventil“ umgesetzt.

Bei der Konstruktion kryogener Kugelhähne müssen neben den allgemeinen Konstruktionsprinzipien für Ventile je nach Einsatzbedingungen die besonderen Anforderungen an die Konstruktion kryogener Kugelhähne beachtet werden.

1. Das Ventil darf keine nennenswerte Wärmequelle des Niedertemperatursystems darstellen, da der Wärmeeintritt nicht nur den thermischen Wirkungsgrad mindert, sondern bei zu starkem Eintritt auch die Flüssigkeit im Inneren schnell verdampfen lässt, was wiederum zu einem anormalen Druckanstieg und Gefahren führen kann.
2. Niedrige Medientemperaturen dürfen sich nicht schädlich auf die Funktion des Handrads und die Dichtleistung der Packung auswirken.
3. Die Ventilbaugruppe, die in direktem Kontakt mit Niedertemperaturmedium steht, muss eine explosions- und feuerfeste Struktur aufweisen.
4. Da die Ventilbaugruppe bei niedrigen Temperaturen nicht geschmiert werden kann, müssen strukturelle Maßnahmen ergriffen werden, um den Verschleiß der Reibungsteile zu verhindern.

Im Konstruktionsprozess eines kryogenen Kugelhahns müssen neben den allgemeinen Anforderungen, wie etwa der Zirkulationskapazität des kryogenen Kugelhahns, noch einige weitere Indikatoren berücksichtigt werden, um das technische Niveau des kryogenen Kugelhahns besser beurteilen zu können.

Im Allgemeinen wird das technische Niveau eines kryogenen Kugelhahns dadurch beurteilt, ob der Energieverbrauch angemessen ist.

1. Isolationsleistung eines kryogenen Kugelhahns.
2. Kühlleistung eines kryogenen Kugelhahns.
3. Arbeitsleistung der kryogenen Kugelhahndichtung.
4. Voraussetzung ist, dass die Oberfläche des kryogenen Kugelhahns nicht gefroren ist.

Die Arbeitsumgebung eines kryogenen Kugelhahns unterscheidet sich erheblich von der eines normalen Ventils. Bei der Konstruktion, Herstellung und Prüfung eines Niedertemperaturventils muss neben den allgemeinen Regeln für die Konstruktion, Herstellung und Prüfung von Ventilen auch darauf geachtet werden, dass die entsprechenden Anpassungen entsprechend der Umgebung des Niedertemperaturventils vorgenommen werden.

Grundlegende Theorie der kryogenen Kugelhahnabdichtung

Die Hauptfaktoren, die die Ventilabdichtung beeinflussen, sind die Struktur des Dichtungspaars, der spezifische Druck der Dichtfläche, die physikalischen Eigenschaften des Mediums und die Qualität des Dichtungspaars usw. Allerdings kann Leckage nur verhindert und die Abdichtung sichergestellt werden, wenn das Dichtungsprinzip des Ventils und die verschiedenen Faktoren, die seine Dichtleistung beeinflussen, vollständig berücksichtigt werden.

Am Beispiel einer Plandichtung wird das Dichtungsproblem der Verbindung der Dichtungsfläche untersucht. Das Dichtungsprinzip wird einfach erklärt. Das Prinzip der Dichtungsverbindung ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Behälter ist mit Flüssigkeit und Gas unter einem bestimmten Druck gefüllt und mit einer Abdeckplatte abgedichtet. Der statische Druck des Mediums im Behälter beträgt FJ = a × P.

FJ – mittlere Kraft, N
A — Fläche des auf die Abdeckplatte einwirkenden Mediums, mm2
P — statischer Druck des Mediums im Behälter, MPa

Um die Abdeckplatte in der in der Abbildung gezeigten Position zu halten, muss eine äußere Kraft F = FJ in vertikaler Richtung auf die Kontaktfläche zwischen Behälter und Abdeckplatte ausgeübt werden, um sicherzustellen, dass nur die Endfläche passt. Nur wenn die Dichtfläche eine ideale Ebene ist, kann das Medium nicht durch die Verbindungsfläche gelangen. Um die Abdichtung der Kontaktfläche sicherzustellen, muss zwischen den Dichtflächen eine gegenseitige Kraft erzeugt werden, d. h. die Abdeckplatte muss fest auf den Behälter gedrückt werden. Wenn die Kraft F > FJ ist, wird ein bestimmter spezifischer Druck auf die kombinierte Dichtfläche ausgeübt, und die vorhandene Ebenheit auf der Ebene wird durch den spezifischen Druck verformt. Wenn die Verformung innerhalb der Elastizitätsgrenze des Materials liegt und nur eine geringe Restverformung vorhanden ist, kann die Dichteigenschaft gewährleistet werden, wenn die Kraft F auf die Kontaktfläche ausgeübt wird. Zu den Faktoren, die die Dichtheit der Verbindung gewährleisten, gehören neben dem spezifischen Druck der Dichtung auch die Struktur des Dichtungspaars usw. Aber in dieser Reihe von Faktoren spielt der spezifische Druck zwischen den Dichtflächen eine Schlüsselrolle.

Dichtungselemente des kryogenen Kugelhahns

Obwohl die Struktur eines Kugelhahns einfach ist, handelt es sich um einen selbstdichtenden Hahn mit mittlerem Druck und der speziellen Struktur der Kugel. Daher gibt es viele Faktoren, die die endgültige Abdichtung des Kugelhahns beeinflussen.

1. Qualität des Dichtungspaares

Die Qualität des Kugelhahndichtungspaars spiegelt sich hauptsächlich in der Rundheit der Kugel und der Oberflächenrauheit der Dichtfläche zwischen Kugel und Ventilsitz wider. Die Rundheit der Kugel beeinflusst die Passung zwischen Kugel und Ventilsitz. Wenn der Passungsgrad hoch ist, wird der Widerstand der Flüssigkeit, die sich entlang der Dichtfläche bewegt, erhöht, wodurch die Dichtleistung verbessert wird. Im Allgemeinen muss die Rundheit der Kugel der Klasse 9 entsprechen.

Die Oberflächenbeschaffenheit der Dichtfläche hat einen großen Einfluss auf die Dichtleistung. Wenn die Oberflächenbeschaffenheit gering und der spezifische Druck gering ist, nimmt die Leckage zu. Wenn der spezifische Druck hoch ist, wird der Einfluss der Beschaffenheit auf die Leckage erheblich reduziert, da die mikrogezahnte Spitze auf der Dichtfläche abgeflacht ist und der Einfluss der Beschaffenheit der weichen Dichtfläche auf die Dichtleistung viel geringer ist als der einer starren Metall-Metall-Dichtung.

Ausgehend von der Annahme, dass ein Austreten von Flüssigkeit nur dann verhindert werden kann, wenn der Spalt zwischen den Dichtungspaaren kleiner ist als der Durchmesser eines Flüssigkeitsmoleküls, kann davon ausgegangen werden, dass der Spalt zur Verhinderung eines Flüssigkeitsaustritts kleiner als 0,003 μm sein muss. Allerdings beträgt die Höhe der Metalloberflächenkuppe sogar nach dem Feinschleifen noch immer mehr als 0,1 μm und ist damit 30 Mal größer als der Durchmesser eines Wassermoleküls.

Daher ist es schwierig, die Dichtleistung nur durch Verbesserung der Dichtflächenbeschaffenheit zu verbessern. Die Qualität des Dichtungspaars beeinflusst nicht nur die Dichtleistung, sondern wirkt sich auch direkt auf die Lebensdauer des Kugelhahns aus. Daher muss die Qualität des Dichtungspaars bei der Herstellung verbessert werden.

2. Dichtungsspezifischer Druck

Der spezifische Dichtungsdruck bezieht sich auf den Druck, der auf eine Flächeneinheit der Dichtungsoberfläche wirkt. Der spezifische Dichtungsdruck wird durch den Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite des Ventils und die äußere Dichtungskraft verursacht. Der spezifische Druck wirkt sich direkt auf die Dichtung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Kugelhahns aus. Die Leckage ist umgekehrt proportional zum Druckunterschied. Der Test zeigt, dass unter denselben anderen Bedingungen die Leckage umgekehrt proportional zum Quadrat des Druckunterschieds ist, sodass die Leckage mit zunehmendem Druckunterschied abnimmt.

Der Druckunterschied ist ein wichtiger Faktor zur Bestimmung des spezifischen Drucks der Dichtung. Daher ist der spezifische Druck der Dichtung sehr wichtig für die Dichtungsleistung eines ultrakryogenen Kugelhahns. Der spezifische Druck der Dichtung, der auf die Kugel ausgeübt wird, darf nicht zu groß sein. Wenn er zu groß ist, ist er zwar gut für die Abdichtung, erhöht jedoch das Betriebsdrehmoment des Ventils. Daher ist die vernünftige Auswahl des Dichtungsdrucks die Voraussetzung für die Abdichtung eines ultrakryogenen Kugelhahns.

3. Physikalische Eigenschaften der Flüssigkeit

(1) Viskosität

Die Durchlässigkeit einer Flüssigkeit hängt eng mit ihrer Viskosität zusammen. Unter gleichen Bedingungen ist die Durchlässigkeit der Flüssigkeit umso geringer, je höher ihre Viskosität ist. Die Viskosität von Gas und Flüssigkeit ist sehr unterschiedlich. ① Die Viskosität von Gas ist Dutzende Male geringer als die von Flüssigkeit, daher ist ihre Durchlässigkeit stärker als die von Flüssigkeit, mit Ausnahme von gesättigtem Dampf. Gesättigter Dampf kann leichter abgedichtet werden. ② Druckgase lecken leichter als Flüssigkeiten.

(2) Temperatur

Die Durchlässigkeit einer Flüssigkeit hängt von der Temperatur ab, bei der sich die Viskosität ändert. Die Viskosität von Gasen steigt mit der Temperatur, was proportional zur Quadratwurzel der Gastemperatur ist. Im Gegensatz dazu sinkt die Viskosität von Flüssigkeiten stark mit der Temperatur, was umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Temperatur ist. Darüber hinaus führt die durch die Temperaturänderung verursachte Änderung der Teilegröße zu einer Änderung des Dichtungsdrucks im Dichtungsbereich und beschädigt die Dichtung. Dieser Effekt ist bei der Abdichtung von Flüssigkeiten mit niedrigen Temperaturen besonders ausgeprägt. Die Temperatur des Dichtungspaars, das mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt, ist üblicherweise niedriger als die der beanspruchten Teile, sodass sich die Teile des Dichtungspaars zusammenziehen und locker werden können. Bei niedrigen Temperaturen ist die Abdichtung komplex und die meisten Dichtungsmaterialien versagen bei niedrigen Temperaturen. Deshalb sollte der Einfluss der Temperatur bei der Auswahl des Dichtungsmaterials berücksichtigt werden.

(3) Oberflächenhydrophilie

Wenn sich auf der Oberfläche ein dünner Ölfilm befindet, wird die Hydrophilie der Kontaktoberfläche zerstört und der Flüssigkeitskanal blockiert. Daher ist ein großer Druckunterschied erforderlich, damit die Flüssigkeit durch die Kapillare fließen kann.

Daher verwenden einige Kugelhähne Dichtungsfett, um die Dichtungsleistung und Lebensdauer zu verbessern. Achten Sie bei der Verwendung von Dichtungsfett darauf, Fett nachzufüllen, wenn der Ölfilm während des Gebrauchs abnimmt. Das verwendete Fett muss im flüssigen Medium unlöslich sein und darf nicht verdunsten, aushärten oder andere chemische Veränderungen aufweisen. Dichtungsfett ist für Kugelhähne mit niedrigen Temperaturen nicht geeignet. Unter extrem niedrigen Temperaturen verglast der Großteil des Fetts.

4. Strukturelle Dimension

(1) Unterkonstruktion abdichten

Das Dichtungspaar ist nicht absolut starr. Unter dem Einfluss von Dichtungskraft oder Temperaturschwankungen und anderen Faktoren ändert sich die Strukturgröße zwangsläufig, was die Wechselwirkung zwischen den Dichtungspaaren verändert und die Dichtungsleistung verringert. Um diese Veränderung auszugleichen, weist die Dichtung eine gewisse elastische Verformung auf. Gegenwärtig haben einige Kugelhahnsitze eine Strukturform mit elastischer Kompensation oder metallischer elastischer Unterstützung, und einige Kugelkörper haben ebenfalls eine elastische Kugelstruktur. Dies alles sind positive Möglichkeiten zur Verbesserung der Dichtungsleistung.

(2) Breite der Dichtfläche

Die Breite der Dichtfläche bestimmt die Länge der Poren. Wenn die Breite zunimmt, vergrößert sich der Fließweg entlang der Poren im direkten Verhältnis, während die Leckage im umgekehrten Verhältnis abnimmt. Dies ist jedoch nicht der Fall. Die Kontaktfläche des Dichtungspaars kann nicht vollständig konsistent sein. Wenn die Verformung auftritt, kann die Breite der Dichtfläche keine wirksame Rolle bei der Abdichtung spielen. Andererseits muss mit zunehmender Breite der Dichtfläche die erforderliche Dichtkraft erhöht werden, daher ist es wichtig, die Breite der Dichtfläche vernünftig zu wählen.

(3) Dichtringgröße

PCTFE-Dichtungsringe werden häufig in ultrakryogenen Kugelhähnen verwendet. Der lineare Ausdehnungskoeffizient von PCTFE ist jedoch bei niedrigen Temperaturen viel höher als der von Metall, sodass der Dichtungsring aus PCTFE bei niedrigen Temperaturen schrumpft und seine Größe kleiner wird. Infolgedessen sinkt der spezifische Druck der Kugel und es entsteht ein Leckkanal zwischen der Kugel und dem Ventilsitz. Daher ist auch die Größe des PCTFE-Dichtungsrings ein wichtiger Faktor, der die Abdichtung von ultrakryogenen Kugelhähnen beeinflusst. Der Einfluss der Größenschrumpfung bei niedrigen Temperaturen sollte bei der Konstruktion berücksichtigt werden, und der Kaltmontageprozess sollte im Prozess übernommen werden.

Fazit zur Abdichtung kryogener Kugelhähne

Basierend auf den Konstruktionskriterien für kryogene Ventile und der grundlegenden Theorie der Ventilabdichtung analysiert dieses Dokument die Faktoren, die sich auf die Abdichtung kryogener Kugelhähne auswirken, wie etwa die Qualität des Dichtungspaars, der spezifische Dichtungsdruck, die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit sowie die Struktur und Größe des Dichtungspaars.

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