Le robinet à tournant sphérique est de structure simple, petit dans l'espace d'installation et scellé par une force moyenne, non affecté par la force motrice externe, il est donc largement utilisé dans diverses conditions de travail. À l'heure actuelle, les vannes à bille ultra cryogéniques sont largement utilisées dans les terminaux GNL, et le nombre de vannes à bille ultra cryogéniques représente 80% du nombre total de vannes dans les terminaux GNL. Il y a une fuite interne des vannes à bille ultra cryogéniques en cours d'utilisation. Basé sur les critères de conception du robinet à tournant sphérique cryogénique et la théorie de base des performances d'étanchéité des vannes, cet article analyse les facteurs affectant l'étanchéité du robinet à tournant sphérique ultra cryogénique.
Conception du joint cryogénique des robinets à tournant sphérique
En raison de la température de fonctionnement extrêmement basse, la conception et la fabrication de robinets à tournant sphérique ultra cryogéniques sont confrontées à une série de problèmes techniques, tels que la sélection des matériaux, l'étanchéité à basse température, la conception structurelle, le traitement de la solution, le traitement cryogénique, l'isolation thermique, l'inspection qualité, entretien, sécurité, etc.
Il existe donc une série de normes strictes pour la conception des vannes basse température. Au niveau international, les normes BS6364 « Valve cryogénique » et MSSP-134 « Valves pour service cryogénique, y compris les exigences relatives aux extensions de corps/chapeau » sont principalement adoptées. Ces deux normes précisent les points clés et les règles de conception et de fabrication des robinets à tournant sphérique cryogénique. La norme JB/t7749 « Spécifications techniques des vannes cryogéniques » est transformée selon la norme BS6364 « Vanne cryogénique ».
Dans la conception du robinet à tournant sphérique cryogénique, en plus des principes généraux de conception des vannes, les exigences particulières de la conception des robinets à tournant sphérique cryogénique doivent être respectées en fonction des conditions d'utilisation.
- La vanne ne doit pas devenir une source de chaleur importante du système basse température, car l'afflux de chaleur réduira non seulement l'efficacité thermique, mais provoquera également une évaporation rapide du fluide interne si l'afflux est trop important, ce qui entraînera une augmentation anormale de la pression et un danger. .
- Le fluide à basse température ne doit pas avoir d'effet nocif sur le fonctionnement du volant et les performances d'étanchéité de la garniture.
- L'ensemble de vannes en contact direct avec un fluide à basse température doit avoir une structure antidéflagrante et ignifuge.
- L'ensemble de vanne travaillant à basse température ne peut pas être lubrifié, des mesures structurelles doivent donc être prises pour éviter l'abrasion des pièces de friction.
Dans le processus de conception du robinet à tournant sphérique cryogénique, en plus des exigences générales telles que la capacité de circulation du robinet à tournant sphérique cryogénique, certains autres indicateurs doivent être pris en compte afin de mieux évaluer le niveau technique du robinet à tournant sphérique cryogénique.
Généralement, le niveau technique du robinet à tournant sphérique cryogénique est évalué en mesurant si la consommation d'énergie est raisonnable.
- Performances d'isolation du robinet à tournant sphérique cryogénique.
- Performances de refroidissement du robinet à tournant sphérique cryogénique.
- Performances de fonctionnement du joint de robinet à tournant sphérique cryogénique.
- La condition selon laquelle la surface du robinet à tournant sphérique cryogénique n'est pas gelée.
L'environnement de travail du robinet à tournant sphérique cryogénique est assez différent de celui du robinet général. Dans le processus de conception, de fabrication et d'inspection de la vanne basse température, en plus des règles générales de conception, de fabrication et d'inspection des vannes, il est également nécessaire de faire attention à effectuer un réglage approprié en fonction de l'environnement de la vanne basse température.
Théorie de base de l’étanchéité des robinets à tournant sphérique cryogéniques
Les principaux facteurs affectant l'étanchéité de la vanne sont la structure de la paire d'étanchéité, la pression spécifique de la surface d'étanchéité, les propriétés physiques du fluide et la qualité de la paire d'étanchéité, etc. Cependant, ce n'est que lorsque le principe d'étanchéité de la vanne et divers facteurs affectant ses performances d'étanchéité sont pleinement pris en compte, la fuite peut-elle être évitée pour garantir l'étanchéité.
En prenant le joint plan comme exemple, étudiez le problème d'étanchéité de la connexion de la surface d'étanchéité, et le principe d'étanchéité est simplement expliqué. Le principe de la connexion étanche est illustré à la figure 1. Le récipient est rempli de liquide et de gaz sous une certaine pression et il est scellé avec une plaque de recouvrement. La pression statique du fluide dans le récipient est FJ = a × P.
FJ — force moyenne, N
A — surface du fluide agissant sur la plaque de recouvrement, mm2
P — pression statique du milieu dans le récipient, MPa
Afin de maintenir le couvercle dans la position indiquée sur la figure, une force externe F = FJ doit être appliquée dans la direction verticale de la surface de contact entre le récipient et le couvercle, de manière à assurer uniquement l'ajustement de la face d'extrémité. Ce n'est que lorsque la surface d'étanchéité est un plan idéal que le fluide ne peut pas traverser la surface du joint. Afin d'assurer l'étanchéité de la surface de contact, une force mutuelle doit être générée entre les surfaces d'étanchéité, c'est-à-dire que la plaque de recouvrement doit être fermement appuyée sur le récipient. Lorsque la force F > FJ, une certaine pression spécifique sera produite sur la surface d'étanchéité combinée, et la planéité existante sur le plan sera déformée par la pression spécifique. Si la déformation se situe dans la limite élastique du matériau et qu'il y a peu de déformation résiduelle, lorsque la force F est appliquée à la surface de contact, la propriété d'étanchéité peut être garantie. En plus de la pression spécifique du joint, les facteurs garantissant l'étanchéité de la connexion incluent également la structure de la paire de joints, etc. Mais dans cette série de facteurs, la pression spécifique entre les surfaces d’étanchéité joue un rôle clé.
Éléments d'étanchéité du robinet à tournant sphérique cryogénique
Bien que la structure du robinet à tournant sphérique soit simple, il s'agit d'une vanne auto-obturante avec une pression moyenne et la structure spéciale du robinet à tournant sphérique. De nombreux facteurs affectent donc l'étanchéité finale du robinet à tournant sphérique.
1. Qualité de la paire d'étanchéité
La qualité de la paire d'étanchéité du robinet à bille se reflète principalement dans la rondeur de la bille et la rugosité de la surface d'étanchéité entre la bille et le siège de la vanne. La rondeur de la bille affecte l'ajustement entre la bille et le siège de vanne. Si le degré d'ajustement est élevé, la résistance du fluide se déplaçant le long de la surface d'étanchéité sera augmentée, de manière à améliorer les performances d'étanchéité. Généralement, la rondeur de la sphère doit être de grade 9.
La finition de la surface d'étanchéité a une grande influence sur l'étanchéité. Lorsque l’état de surface est faible et que la pression spécifique est faible, les fuites augmentent. Lorsque la pression spécifique est élevée, l'influence de la finition sur la fuite est considérablement réduite, car le pic micro-dentelé sur la surface d'étanchéité est aplati et l'influence de la finition de la surface d'étanchéité souple sur les performances d'étanchéité est beaucoup plus petite que celle du scellement rigide métal sur métal.
Selon le point de vue selon lequel le fluide ne peut être empêché de fuir que lorsque l'espace entre les paires d'étanchéité est inférieur au diamètre de la molécule de fluide, on peut considérer que l'espace pour empêcher le fluide de fuir doit être inférieur à 0,003 µM. Cependant, même après un broyage fin, la hauteur de la crête de la surface métallique est toujours supérieure à 0,1 μm, soit 30 fois plus grande que le diamètre de la molécule d'eau.
Par conséquent, il est difficile d’améliorer les performances d’étanchéité uniquement en améliorant la finition de la surface d’étanchéité. La qualité de la paire d'étanchéité affecte non seulement les performances d'étanchéité, mais affecte également directement la durée de vie du robinet à tournant sphérique. Par conséquent, la qualité de la paire d’étanchéité doit être améliorée lors de la fabrication.
2. Pression spécifique du joint
La pression spécifique d'étanchéité fait référence à la pression agissant sur la surface unitaire de la surface d'étanchéité. La pression spécifique du joint est causée par la différence de pression entre l'avant et l'arrière de la vanne et par la force d'étanchéité externe. La pression spécifique affecte directement l'étanchéité, la fiabilité et la durée de vie du robinet à tournant sphérique. La fuite est inversement proportionnelle à la différence de pression. Le test montre que dans les mêmes autres conditions, la fuite est inversement proportionnelle au carré de la différence de pression, donc la fuite diminuera avec l'augmentation de la différence de pression.
La différence de pression est un facteur important pour déterminer la pression spécifique du joint. Par conséquent, la pression spécifique d’étanchéité est très importante pour les performances d’étanchéité du robinet à tournant sphérique ultra cryogénique. La pression spécifique du joint appliquée à la sphère ne doit pas être trop importante. S'il est trop grand, c'est bon pour l'étanchéité, mais cela augmentera le couple de fonctionnement de la vanne, donc la sélection raisonnable de la pression d'étanchéité est la prémisse pour assurer l'étanchéité du robinet à tournant sphérique ultra cryogénique.
3. Propriétés physiques du fluide
(1) Viscosité
La perméabilité d'un fluide est étroitement liée à sa viscosité. Dans les mêmes conditions, plus la viscosité du fluide est élevée, plus sa perméabilité est faible. La viscosité du gaz et du liquide est très différente. ① La viscosité du gaz est des dizaines de fois inférieure à celle du liquide, sa perméabilité est donc plus forte que celle du liquide, à l'exception de la vapeur saturée. La vapeur saturée permet d'assurer facilement l'étanchéité. ② Les gaz comprimés fuient plus facilement que les liquides.
(2) Température
La perméabilité d'un fluide dépend de la température à laquelle la viscosité évolue. La viscosité du gaz augmente avec l’augmentation de la température, qui est proportionnelle à la racine carrée de la température du gaz. Au contraire, la viscosité du liquide diminue fortement avec l’augmentation de la température, qui est inversement proportionnelle au cube de température. De plus, le changement de taille de pièce provoqué par le changement de température entraînera un changement de pression d'étanchéité dans la zone d'étanchéité et endommagera l'étanchéité. Pour l'étanchéité de fluides à basse température, l'effet est particulièrement significatif. La température de la paire de joints en contact avec le fluide est généralement inférieure à celle des pièces sollicitées, de sorte que les pièces de la paire de joints peuvent se contracter et se desserrer. À basse température, l’étanchéité est complexe et la plupart des matériaux d’étanchéité échouent à basse température. Par conséquent, l’influence de la température doit être prise en compte lors du choix des matériaux d’étanchéité.
(3) Hydrophilie de surface
Lorsqu'il y a un mince film d'huile sur la surface, le caractère hydrophile de la surface de contact est détruit et le canal de fluide est bloqué, une grande différence de pression est donc nécessaire pour faire passer le fluide à travers le capillaire.
Par conséquent, certains robinets à tournant sphérique utilisent de la graisse d’étanchéité pour améliorer les performances d’étanchéité et la durée de vie. Lors de l'utilisation d'un joint à graisse, veillez à ajouter de la graisse si le film d'huile est réduit pendant l'utilisation. La graisse utilisée doit être insoluble dans le milieu fluide et ne doit pas s'évaporer, durcir ou subir d'autres modifications chimiques. Pour les robinets à bille basse température, la graisse d'étanchéité ne convient pas. Dans des conditions de température ultra-basse, la majeure partie de la graisse sera vitrifiée.
4. Dimension structurelle
(1) Sous-structure du joint
La paire d'étanchéité n'est pas absolument rigide. Sous l'influence de la force d'étanchéité ou du changement de température et d'autres facteurs, la taille de la structure changera inévitablement, ce qui modifiera l'interaction entre les paires d'étanchéité, et le résultat sera une diminution des performances d'étanchéité. Afin de compenser ce changement, le joint subit une certaine déformation élastique. À l'heure actuelle, certains sièges de robinet à bille adoptent la forme structurelle avec compensation élastique ou support élastique métallique, et certains corps de vanne à bille adoptent également la structure à bille élastique. Ce sont autant de moyens positifs d’améliorer les performances d’étanchéité.
(2) Largeur de la surface d'étanchéité
La largeur de la surface d'étanchéité détermine la longueur des pores. Lorsque la largeur augmente, le trajet d'écoulement le long des pores augmente en proportion directe, tandis que la fuite diminue en proportion inverse. Mais ce n’est pas le cas. La surface de contact de la paire d'étanchéité ne peut pas être totalement cohérente. Lorsque la déformation se produit, la largeur de la surface d’étanchéité ne peut pas jouer un rôle efficace dans l’étanchéité. D'autre part, avec l'augmentation de la largeur de la surface d'étanchéité, la force d'étanchéité nécessaire doit être augmentée, il est donc important de choisir raisonnablement la largeur de la surface d'étanchéité.
(3) Taille de la bague d'étanchéité
La bague d'étanchéité en PCTFE est largement utilisée dans les robinets à tournant sphérique ultra cryogéniques. Cependant, le coefficient de dilatation linéaire du PCTFE est beaucoup plus élevé que celui du métal à basse température, de sorte que la bague d'étanchéité du PCTFE rétrécira et sa taille sera plus petite à basse température. En conséquence, la pression spécifique de la bille diminue et un canal de fuite est généré entre la bille et le siège de vanne. Par conséquent, la taille de la bague d’étanchéité en PCTFE est également un facteur important affectant l’étanchéité du robinet à tournant sphérique ultra cryogénique. L'influence du retrait dimensionnel à basse température doit être prise en compte dans la conception et le processus d'assemblage à froid doit être adopté dans le processus.
Conclusion de l'étanchéité des robinets à tournant sphérique cryogéniques
Basé sur les critères de conception des vannes cryogéniques et la théorie de base de l'étanchéité des vannes, cet article analyse les facteurs affectant l'étanchéité des vannes à bille cryogéniques, tels que la qualité de la paire d'étanchéité, la pression spécifique d'étanchéité, les propriétés physiques du fluide et la structure et taille de la paire de joints.
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