Tudo o que você precisa saber sobre vedação criogênica de válvula esférica

A válvula esférica é de estrutura simples, pequena em espaço de instalação e vedada por força média, não afetada por força motriz externa, por isso é amplamente utilizada em diversas condições de trabalho. Atualmente, as válvulas de esfera ultracriogênicas são amplamente utilizadas em terminais de GNL, e o número de válvulas de esfera ultracriogênicas é responsável por 80% do número total de válvulas em terminais de GNL. Há um vazamento interno nas válvulas de esfera ultracriogênicas em uso. Com base nos critérios de projeto da válvula esférica criogênica e na teoria básica do desempenho da vedação da válvula, este artigo analisa os fatores que afetam a vedação da válvula esférica ultracriogênica.

Projeto de vedação de válvula de esfera criogênica

Devido à temperatura de trabalho extremamente baixa, o projeto e a fabricação de válvulas de esfera ultracriogênicas enfrentam uma série de problemas técnicos, como seleção de material, vedação em baixa temperatura, projeto estrutural, tratamento de solução, tratamento criogênico, isolamento térmico, inspeção de qualidade, manutenção, segurança, etc.

Portanto, existe uma série de padrões rígidos para o projeto de válvulas de baixa temperatura. Internacionalmente, as normas BS6364 “Válvula Criogênica” e MSSP-134 “Válvulas para Serviço Criogênico, Incluindo Requisitos para Extensões de Corpo/Capota” são adotadas principalmente. Estas duas normas estipulam os pontos-chave e regras de projeto e fabricação de válvulas de esfera criogênicas. A norma JB/t7749 “Especificações Técnicas de Válvula Criogênica” é transformada de acordo com BS6364 “Válvula Criogênica”.

No projeto da válvula esférica criogênica, além dos princípios gerais de projeto da válvula, os requisitos especiais do projeto da válvula esférica criogênica devem ser seguidos de acordo com as condições de uso.

1. A válvula não deve se tornar uma fonte significativa de calor do sistema de baixa temperatura, porque o fluxo de calor não apenas reduzirá a eficiência térmica, mas também fará com que o fluido interno evapore rapidamente se o fluxo for muito grande, resultando em aumento anormal de pressão e perigo .
2. O meio de baixa temperatura não deve ter efeito prejudicial na operação do volante e no desempenho de vedação da gaxeta.
3. O conjunto da válvula em contato direto com meio de baixa temperatura deve possuir estrutura à prova de explosão e à prova de fogo.
4. O conjunto da válvula trabalhando em baixa temperatura não pode ser lubrificado, portanto devem ser tomadas medidas estruturais para evitar abrasão das peças de atrito.

No processo de projeto da válvula esfera criogênica, além dos requisitos gerais como a capacidade de circulação da válvula esfera criogênica, alguns outros indicadores precisam ser considerados para melhor avaliar o nível técnico da válvula esfera criogênica.

Geralmente, o nível técnico da válvula de esfera criogênica é avaliado medindo se o consumo de energia é razoável.

1. Desempenho de isolamento da válvula de esfera criogênica.
2. Desempenho de resfriamento da válvula de esfera criogênica.
3. Desempenho de trabalho da vedação da válvula de esfera criogênica.
4. A condição de que a superfície da válvula de esfera criogênica não esteja congelada.

O ambiente de trabalho da válvula esférica criogênica é bastante diferente daquele da válvula geral. No processo de projeto, fabricação e inspeção de válvulas de baixa temperatura, além das regras gerais de projeto, fabricação e inspeção de válvulas, também é necessário prestar atenção para fazer ajustes adequados de acordo com o ambiente da válvula de baixa temperatura.

Teoria Básica da Vedação Criogênica de Válvula Esfera

Os principais fatores que afetam a vedação da válvula são a estrutura do par de vedação, a pressão específica da superfície de vedação, as propriedades físicas do meio e a qualidade do par de vedação, etc. vários fatores que afetam seu desempenho de vedação são totalmente considerados, o vazamento pode ser evitado para garantir a vedação.

Tomando a vedação plana como exemplo, estude o problema de vedação da conexão da superfície de vedação e o princípio da vedação será explicado de forma simples. O princípio da conexão de vedação é mostrado na Figura 1. O recipiente é preenchido com líquido e gás com uma certa pressão e é vedado com uma placa de cobertura. A pressão estática do meio no recipiente é FJ = a × P.

FJ — força média, N
A — área do meio atuando na placa de cobertura, mm2
P — pressão estática do meio no vaso, MPa

Para manter a tampa na posição mostrada na figura, uma força externa F = FJ deve ser aplicada no sentido vertical da superfície de contato entre o recipiente e a tampa, de modo a garantir apenas o encaixe da face final. Somente quando a superfície de vedação é um plano ideal, o meio não consegue passar pela superfície da junta. Para garantir a vedação da superfície de contato, deve ser gerada força mútua entre as superfícies de vedação, ou seja, a placa de cobertura deve ser firmemente pressionada no recipiente. Quando a força F > FJ, uma certa pressão específica será produzida na superfície de vedação combinada, e o nivelamento existente no plano será deformado pela pressão específica. Se a deformação estiver dentro do limite elástico do material e houver pouca deformação residual, quando a força F for aplicada à superfície de contato, a propriedade de vedação poderá ser garantida. Além da pressão específica da vedação, os fatores que garantem a estanqueidade da conexão também incluem a estrutura do par de vedações e assim por diante. Mas nesta série de fatores, a pressão específica entre as superfícies de vedação desempenha um papel fundamental.

Elementos de vedação da válvula esférica criogênica

Embora a estrutura da válvula esfera seja simples, ela é uma válvula autovedante com pressão média e estrutura especial da esfera, portanto, há muitos fatores que afetam a vedação final da válvula esfera.

1. Qualidade do Par de Vedação

A qualidade do par de vedação da válvula esférica reflete-se principalmente na redondeza da esfera e na rugosidade da superfície de vedação entre a esfera e a sede da válvula. A redondeza da esfera afeta o ajuste entre a esfera e a sede da válvula. Se o grau de ajuste for alto, a resistência do fluido que se move ao longo da superfície de vedação aumentará, de modo a melhorar o desempenho da vedação. Geralmente, a circularidade da esfera deve ser de grau 9.

O acabamento superficial da superfície de vedação tem grande influência na vedação. Quando o acabamento superficial é baixo e a pressão específica é pequena, o vazamento aumenta. Quando a pressão específica é grande, a influência do acabamento no vazamento é significativamente reduzida, porque o pico micro serrilhado na superfície de vedação é achatado e a influência do acabamento da superfície de vedação macia no desempenho da vedação é muito menor do que a da vedação rígida de metal com metal.

De acordo com o ponto de vista de que somente quando a folga entre os pares de vedação é menor que o diâmetro da molécula do fluido o fluido pode ser impedido de vazar, pode-se considerar que a folga para evitar o vazamento do fluido deve ser inferior a 0,003 μM No entanto, mesmo após a moagem fina, a altura da crista da superfície metálica ainda é superior a 0,1 μm, o que é 30 vezes maior que o diâmetro da molécula de água.

Portanto, é difícil melhorar o desempenho da vedação apenas melhorando o acabamento da superfície de vedação. A qualidade do par de vedação não afeta apenas o desempenho da vedação, mas também afeta diretamente a vida útil da válvula esfera. Portanto, a qualidade do par de vedação deve ser melhorada na fabricação.

2. Pressão específica de vedação

A pressão específica de vedação refere-se à pressão que atua na área unitária da superfície de vedação. A pressão específica da vedação é causada pela diferença de pressão entre a parte frontal e traseira da válvula e a força de vedação externa. A pressão específica afeta diretamente a vedação, confiabilidade e vida útil da válvula esfera. O vazamento é inversamente proporcional à diferença de pressão. O teste mostra que nas mesmas outras condições, o vazamento é inversamente proporcional ao quadrado da diferença de pressão, portanto o vazamento diminuirá com o aumento da diferença de pressão.

A diferença de pressão é um fator importante para determinar a pressão específica da vedação. Portanto, a pressão específica de vedação é muito importante para o desempenho de vedação da válvula de esfera ultracriogênica. A pressão específica da vedação aplicada à esfera não deve ser muito grande. Se for muito grande, é bom para vedação, mas aumentará o torque operacional da válvula, portanto, a seleção razoável da pressão de vedação é a premissa para garantir a vedação da válvula esfera ultracriogênica.

3. Propriedades Físicas do Fluido

(1) Viscosidade

A permeabilidade do fluido está intimamente relacionada à sua viscosidade. Nas mesmas condições, quanto maior for a viscosidade do fluido, menor será a sua permeabilidade. A viscosidade do gás e do líquido é muito diferente. ① A viscosidade do gás é dezenas de vezes menor que a do líquido, portanto sua permeabilidade é mais forte que a do líquido, exceto para o vapor saturado. O vapor saturado é fácil de garantir a vedação. ② Gases comprimidos vazam mais facilmente que líquidos.

(2) Temperatura

A permeabilidade de um fluido depende da temperatura na qual a viscosidade muda. A viscosidade do gás aumenta com o aumento da temperatura, que é proporcional à raiz quadrada da temperatura do gás. Pelo contrário, a viscosidade do líquido diminui acentuadamente com o aumento da temperatura, que é inversamente proporcional ao cubo da temperatura. Além disso, a alteração do tamanho da peça causada pela mudança de temperatura levará à alteração da pressão de vedação na área de vedação e danificará a vedação. Para a vedação de fluidos de baixa temperatura, o efeito é particularmente significativo. A temperatura do par de vedações em contato com o fluido é geralmente inferior à das peças tensionadas, de modo que as peças do par de vedações podem se contrair e se soltar. Em baixas temperaturas, a vedação é complexa e a maioria dos materiais de vedação falham em baixas temperaturas. Portanto, a influência da temperatura deve ser considerada na escolha dos materiais de vedação.

(3) Hidrofilicidade superficial

Quando há uma fina película de óleo na superfície, a hidrofilicidade da superfície de contato é destruída e o canal do fluido é bloqueado, portanto, é necessária uma grande diferença de pressão para fazer o fluido passar pelo capilar.

Portanto, algumas válvulas de esfera usam graxa de vedação para melhorar o desempenho da vedação e a vida útil. Ao usar vedação de graxa, preste atenção para complementar a graxa se a película de óleo for reduzida durante o uso. A graxa utilizada deverá ser insolúvel no meio fluido e não deverá evaporar, endurecer ou sofrer outras alterações químicas. Para válvula de esfera de baixa temperatura, a graxa de vedação não é adequada. Sob condições de temperatura ultrabaixa, a maior parte da graxa será vitrificada.

4. Dimensão Estrutural

(1) Subestrutura de vedação

O par de vedação não é absolutamente rígido. Sob a influência da força de vedação ou mudança de temperatura e outros fatores, o tamanho da estrutura mudará inevitavelmente, o que alterará a interação entre os pares de vedação, e o resultado é a diminuição do desempenho da vedação. Para compensar esta alteração, a vedação apresenta alguma deformação elástica. Atualmente, algumas sedes de válvulas esféricas adotam a forma estrutural com compensação elástica ou suporte elástico metálico, e alguns corpos esféricos também adotam a estrutura esférica elástica. Todas essas são formas positivas de melhorar o desempenho da vedação.

(2) Largura da superfície de vedação

A largura da superfície de vedação determina o comprimento dos poros. Quando a largura aumenta, o caminho do fluxo ao longo dos poros aumenta em proporção direta, enquanto o vazamento diminui em proporção inversa. Mas este não é o fato. A superfície de contato do par de vedação não pode ser completamente consistente. Quando ocorre a deformação, a largura da superfície de vedação não pode desempenhar um papel eficaz na vedação. Por outro lado, com o aumento da largura da superfície de vedação, a força de vedação necessária deve ser aumentada, por isso é importante escolher razoavelmente a largura da superfície de vedação.

(3) Tamanho do anel de vedação

O anel de vedação PCTFE é amplamente utilizado em válvulas de esfera ultracriogênicas. No entanto, o coeficiente de expansão linear do PCTFE é muito maior do que o do metal em baixa temperatura, de modo que o anel de vedação do PCTFE encolherá e seu tamanho será menor em baixa temperatura. Como resultado, a pressão específica da esfera diminui e um canal de vazamento é gerado entre a esfera e a sede da válvula. Portanto, o tamanho do anel de vedação PCTFE também é um fator importante que afeta a vedação da válvula esférica ultracriogênica. A influência da contração dimensional em baixa temperatura deve ser considerada no projeto, e o processo de montagem a frio deve ser adotado no processo.

Conclusão da vedação criogênica da válvula esférica

Com base nos critérios de projeto da válvula criogênica e na teoria básica da vedação da válvula, este artigo analisa os fatores que afetam a vedação da válvula esférica criogênica, como a qualidade do par de vedação, a pressão específica de vedação, as propriedades físicas do fluido e o estrutura e tamanho do par de vedação.

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