Todo lo que necesita saber sobre el sellado de válvulas de bola criogénicas

La válvula de bola tiene una estructura simple, un espacio de instalación pequeño y está sellada por una fuerza media, no afectada por la fuerza motriz externa, por lo que se usa ampliamente en diversas condiciones de trabajo. En la actualidad, las válvulas de bola ultracriogénicas se utilizan ampliamente en las terminales de GNL, y el número de válvulas de bola ultracriogénicas representa 80% del número total de válvulas en las terminales de GNL. Hay una fuga interna en las válvulas de bola ultracriogénicas en uso. Basado en los criterios de diseño de la válvula de bola criogénica y la teoría básica del rendimiento del sellado de la válvula, este artículo analiza los factores que afectan el sellado de la válvula de bola ultracriogénica.

Diseño de sellado de válvula de bola criogénica

Debido a la temperatura de trabajo extremadamente baja, el diseño y la fabricación de válvulas de bola ultracriogénicas se enfrentan a una serie de problemas técnicos, como la selección de materiales, el sellado a baja temperatura, el diseño estructural, el tratamiento de la solución, el tratamiento criogénico, el aislamiento térmico, la inspección de calidad, mantenimiento, seguridad, etc.

Por ello, existen una serie de normas estrictas para el diseño de válvulas de baja temperatura. A nivel internacional, se adoptan principalmente las normas BS6364 “Válvula criogénica” y MSSP-134 “Válvulas para servicio criogénico, incluidos requisitos para extensiones de cuerpo/bonete”. Estas dos normas estipulan los puntos clave y las reglas de diseño y fabricación de válvulas de bola criogénicas. La norma JB/t7749 “Especificaciones técnicas de válvula criogénica” se transforma de acuerdo con BS6364 “Válvula criogénica”.

En el diseño de la válvula de bola criogénica, además de los principios generales de diseño de la válvula, se deben seguir los requisitos especiales del diseño de la válvula de bola criogénica de acuerdo con las condiciones de uso.

1. La válvula no debe convertirse en una fuente importante de calor para el sistema de baja temperatura, porque el flujo de calor no solo reducirá la eficiencia térmica, sino que también hará que el fluido interno se evapore rápidamente si el flujo de entrada es demasiado, lo que resultará en un aumento anormal de presión y peligro. .
2. El medio de baja temperatura no deberá tener efectos perjudiciales sobre el funcionamiento del volante y el rendimiento del sellado del empaque.
3. El conjunto de válvula en contacto directo con el medio de baja temperatura deberá tener una estructura a prueba de explosiones e incendios.
4. El conjunto de válvula que trabaja a baja temperatura no se puede lubricar, por lo que se deben tomar medidas estructurales para evitar la abrasión de las piezas de fricción.

En el proceso de diseño de la válvula de bola criogénica, además de los requisitos generales como la capacidad de circulación de la válvula de bola criogénica, se deben considerar algunos otros indicadores para evaluar mejor el nivel técnico de la válvula de bola criogénica.

Generalmente, el nivel técnico de la válvula de bola criogénica se evalúa midiendo si el consumo de energía es razonable.

1. Rendimiento de aislamiento de una válvula de bola criogénica.
2. Rendimiento de enfriamiento de la válvula de bola criogénica.
3. Rendimiento de trabajo del sello de válvula de bola criogénica.
4. La condición de que la superficie de la válvula de bola criogénica no esté congelada.

El entorno de trabajo de la válvula de bola criogénica es bastante diferente al de la válvula general. En el proceso de diseño, fabricación e inspección de válvulas de baja temperatura, además de las reglas generales de diseño, fabricación e inspección de válvulas, también es necesario prestar atención para realizar los ajustes adecuados según el entorno de la válvula de baja temperatura.

Teoría básica del sellado de válvulas de bola criogénicas

Los principales factores que afectan el sellado de la válvula son la estructura del par de sellado, la presión específica de la superficie de sellado, las propiedades físicas del medio y la calidad del par de sellado, etc. Sin embargo, sólo cuando el principio de sellado de la válvula y Se consideran plenamente varios factores que afectan su rendimiento de sellado. ¿Se pueden evitar las fugas para garantizar el sellado?

Tomando el sello plano como ejemplo, estudie el problema de sellado de la conexión de la superficie de sellado y se explicará simplemente el principio de sellado. El principio de sellado de la conexión se muestra en la Figura 1. El recipiente se llena con líquido y gas a una cierta presión y se sella con una placa de cubierta. La presión estática del medio en el recipiente es FJ = a × P.

FJ — fuerza media, N
A — área del medio que actúa sobre la placa de cubierta, mm2
P — presión estática del medio en el recipiente, MPa

Para mantener la placa de cubierta en la posición que se muestra en la figura, se debe aplicar una fuerza externa F = FJ en la dirección vertical de la superficie de contacto entre el contenedor y la placa de cubierta, para asegurar solo el ajuste de la cara del extremo. Sólo cuando la superficie de sellado es un plano ideal, el medio no puede atravesar la superficie de la junta. Para garantizar el sellado de la superficie de contacto, se debe generar una fuerza mutua entre las superficies de sellado, es decir, la placa de cubierta debe presionarse firmemente sobre el recipiente. Cuando la fuerza F > FJ, se producirá una cierta presión específica en la superficie de sellado combinada, y la planitud existente en el plano se deformará por la presión específica. Si la deformación está dentro del límite elástico del material y hay poca deformación residual, cuando se aplica la fuerza F a la superficie de contacto, se puede garantizar la propiedad de sellado. Además de la presión específica del sello, los factores para garantizar la estanqueidad de la conexión también incluyen la estructura del par de sellos, etc. Pero en esta serie de factores, la presión específica entre las superficies de sellado juega un papel clave.

Elementos de sellado de válvula de bola criogénica

Aunque la estructura de la válvula de bola es simple, es una válvula autosellante con presión media y una estructura especial de la bola, por lo que hay muchos factores que afectan el sellado final de la válvula de bola.

1. Calidad del par de sellado

La calidad del par de sellado de la válvula de bola se refleja principalmente en la redondez de la bola y la rugosidad de la superficie de sellado entre la bola y el asiento de la válvula. La redondez de la bola afecta el ajuste entre la bola y el asiento de la válvula. Si el grado de ajuste es alto, aumentará la resistencia del fluido que se mueve a lo largo de la superficie de sellado, para mejorar el rendimiento del sellado. Generalmente se requiere que la redondez de la esfera sea de grado 9.

El acabado superficial de la superficie de sellado tiene una gran influencia en el sellado. Cuando el acabado superficial es bajo y la presión específica es pequeña, la fuga aumenta. Cuando la presión específica es grande, la influencia del acabado sobre la fuga se reduce significativamente, porque el pico microdentado en la superficie de sellado se aplana y la influencia del acabado de la superficie de sellado blanda sobre el rendimiento del sellado es mucho menor que el del sellado rígido metal con metal.

Según el punto de vista de que sólo cuando el espacio entre los pares de sellado es menor que el diámetro de la molécula de fluido se puede evitar que el fluido se escape, se puede considerar que el espacio para evitar que el fluido se escape debe ser inferior a 0,003 μM. Sin embargo, incluso después de un pulido fino, la altura de la cresta de la superficie del metal sigue siendo superior a 0,1 μm, que es 30 veces mayor que el diámetro de la molécula de agua.

Por lo tanto, es difícil mejorar el rendimiento del sellado sólo mejorando el acabado de la superficie de sellado. La calidad del par de sellado no solo afecta el rendimiento del sellado, sino que también afecta directamente la vida útil de la válvula de bola. Por lo tanto, se debe mejorar la calidad del par de sellado durante la fabricación.

2. Presión específica del sello

La presión específica de sellado se refiere a la presión que actúa sobre la unidad de área de la superficie de sellado. La presión específica del sello es causada por la diferencia de presión entre la parte delantera y trasera de la válvula y la fuerza de sellado externa. La presión específica afecta directamente el sellado, la confiabilidad y la vida útil de la válvula de bola. La fuga es inversamente proporcional a la diferencia de presión. La prueba muestra que bajo las mismas condiciones, la fuga es inversamente proporcional al cuadrado de la diferencia de presión, por lo que la fuga disminuirá con el aumento de la diferencia de presión.

La diferencia de presión es un factor importante para determinar la presión específica del sello. Por lo tanto, la presión específica de sellado es muy importante para el rendimiento de sellado de la válvula de bola ultracriogénica. La presión específica del sello aplicado a la esfera no será demasiado grande. Si es demasiado grande, es bueno para sellar, pero aumentará el par de operación de la válvula, por lo que la selección razonable de la presión de sellado es la premisa para garantizar el sellado de la válvula de bola ultracriogénica.

3. Propiedades físicas del fluido

(1) Viscosidad

La permeabilidad de un fluido está estrechamente relacionada con su viscosidad. En las mismas condiciones, cuanto mayor es la viscosidad del fluido, menor es su permeabilidad. La viscosidad del gas y del líquido es muy diferente. ① La viscosidad del gas es decenas de veces menor que la del líquido, por lo que su permeabilidad es más fuerte que la del líquido, excepto en el caso del vapor saturado. El vapor saturado es fácil de asegurar el sellado. ② Los gases comprimidos se escapan más fácilmente que los líquidos.

(2) Temperatura

La permeabilidad de un fluido depende de la temperatura a la que cambia la viscosidad. La viscosidad del gas aumenta con el aumento de la temperatura, que es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura del gas. Por el contrario, la viscosidad del líquido disminuye drásticamente con el aumento de la temperatura, que es inversamente proporcional al cubo de temperatura. Además, el cambio de tamaño de la pieza causado por el cambio de temperatura provocará un cambio en la presión de sellado en el área de sellado y dañará el sellado. Para el sellado de fluidos a baja temperatura, el efecto es particularmente significativo. La temperatura del par de sellos en contacto con el fluido suele ser más baja que la de las partes sometidas a tensión, de modo que las partes del par de sellos pueden contraerse y soltarse. A baja temperatura, el sellado es complejo y la mayoría de los materiales de sellado fallan a baja temperatura. Por lo tanto, se debe considerar la influencia de la temperatura al elegir los materiales de sellado.

(3) Hidrofilia superficial

Cuando hay una fina película de aceite en la superficie, la hidrofilicidad de la superficie de contacto se destruye y el canal de fluido se bloquea, por lo que se necesita una gran diferencia de presión para que el fluido pase a través del capilar.

Por lo tanto, algunas válvulas de bola utilizan grasa selladora para mejorar el rendimiento del sellado y la vida útil. Cuando utilice un sello de grasa, preste atención a agregar grasa si la película de aceite se reduce durante el uso. La grasa utilizada será insoluble en el medio fluido y no se evaporará, endurecerá ni sufrirá otros cambios químicos. Para válvulas de bola de baja temperatura, la grasa de sellado no es adecuada. En condiciones de temperatura ultrabaja, la mayor parte de la grasa quedará vitrificada.

4. Dimensión estructural

(1) Subestructura del sello

El par de juntas no es absolutamente rígido. Bajo la influencia de la fuerza de sellado o el cambio de temperatura y otros factores, el tamaño de la estructura inevitablemente cambiará, lo que cambiará la interacción entre los pares de sellado, y el resultado es la disminución del rendimiento del sellado. Para compensar este cambio, la junta presenta cierta deformación elástica. En la actualidad, algunos asientos de válvulas de bola adoptan la forma estructural con compensación elástica o soporte elástico metálico, y algunos cuerpos de bola también adoptan la estructura de bola elástica. Todas estas son formas positivas de mejorar el rendimiento del sellado.

(2) Ancho de la superficie de sellado

El ancho de la superficie de sellado determina la longitud de los poros. Cuando el ancho aumenta, la trayectoria del flujo a lo largo de los poros aumenta en proporción directa, mientras que la fuga disminuye en proporción inversa. Pero éste no es el hecho. La superficie de contacto del par de sellado puede no ser completamente consistente. Cuando se produce la deformación, el ancho de la superficie de sellado no puede desempeñar un papel eficaz en el sellado. Por otro lado, con el aumento del ancho de la superficie de sellado, la fuerza de sellado necesaria debe aumentar, por lo que es importante elegir el ancho de la superficie de sellado de manera razonable.

(3) Tamaño del anillo de sello

El anillo de sello de PCTFE se usa ampliamente en válvulas de bola ultracriogénicas. Sin embargo, el coeficiente de expansión lineal del PCTFE es mucho mayor que el del metal a baja temperatura, por lo que el anillo de sellado del PCTFE se encogerá y su tamaño será menor a baja temperatura. Como resultado, la presión específica de la bola disminuye y se genera un canal de fuga entre la bola y el asiento de la válvula. Por lo tanto, el tamaño del anillo de sellado de PCTFE también es un factor importante que afecta el sellado de la válvula de bola ultracriogénica. En el diseño se debe considerar la influencia de la contracción del tamaño a baja temperatura y en el proceso se debe adoptar el proceso de ensamblaje en frío.

Conclusión del sellado de válvulas de bola criogénicas

Con base en los criterios de diseño de la válvula criogénica y la teoría básica del sellado de la válvula, este artículo analiza los factores que afectan el sellado de la válvula de bola criogénica, como la calidad del par de sellado, la presión específica del sellado, las propiedades físicas del fluido y la estructura y tamaño del par de sellado.

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