1. Prehľad
Guľové ventily sú široko používané v rôznych pracovných podmienkach vďaka svojej jednoduchej konštrukcii, malému inštalačnému priestoru a spoliehaniu sa na strednú silu pri tesnení bez ovplyvnenia vonkajšími hnacími silami. V súčasnosti sa v termináloch na príjem LNG bežne používajú kryogénne guľové ventily, ktoré predstavujú 80 % z celkového počtu ventilov v takýchto termináloch. Počas prevádzky však dochádza k vnútornému úniku kryogénnych guľových ventilov. Na základe konštrukčných kritérií kryogénnych ventilov a základnej teórie výkonu tesnenia ventilov tento článok analyzuje faktory ovplyvňujúce utesnenie kryogénnych guľových ventilov.
2. Kritériá návrhu
Extrémne nízka prevádzková teplota predstavuje sériu technických výziev pri navrhovaní a výrobe kryogénnych ventilov, ako je výber materiálu, tesnenie pri nízkych{0}}teplotách, konštrukčný návrh, úprava roztoku, úprava hlbokého chladenia, tepelná izolácia, kontrola kvality, údržba a bezpečnosť. Preto existuje séria prísnych noriem pre konštrukciu kryogénnych ventilov. V medzinárodnom meradle sú hlavné používané štandardy
BS6364 „Kryogénne ventily“ a MSSSP-134 „Požiadavky na kryogénne ventily a ich
Rozšírené telo/Kapota". Tieto dve normy komplexne špecifikujú kľúčové body a pravidlá pre návrh a výrobu kryogénnych ventilov. Norma JB/T7749 „Technické špecifikácie pre kryogénne ventily" je transformovaná z BS6364 „Kryogénne ventily".
Pri konštrukcii kryogénnych ventilov by sa okrem dodržiavania všeobecných zásad konštrukcie ventilov mali dodržiavať aj špeciálne požiadavky na konštrukciu kryogénnych ventilov podľa prevádzkových podmienok.
① Ventil by nemal byť významným zdrojom tepla pre nízkoteplotný-systém. Je to preto, že prítok tepla nielen znižuje tepelnú účinnosť, ale tiež spôsobuje rýchle odparovanie vnútornej tekutiny, ak je nadmerné, čo vedie k abnormálnemu zvýšeniu tlaku a potenciálnemu nebezpečenstvu.
② Nízko{0}}teplotné médium by nemalo mať škodlivý vplyv na činnosť ručného kolesa a výkon tesnenia upchávky.
③ Zostavy ventilov, ktoré sú v priamom kontakte s médiami s nízkou{0}}teplotou, by mali mať štruktúru odolnú proti výbuchu-a ohňu-.
④ Ventilové zostavy pracujúce pri nízkych teplotách nie je možné mazať, preto je potrebné prijať štrukturálne opatrenia, aby sa zabránilo odieraniu trecích častí.
V procese navrhovania kryogénnych ventilov je okrem zváženia všeobecných požiadaviek, ako je kapacita prietoku, potrebné vziať do úvahy aj ďalšie ukazovatele, aby sa lepšie vyhodnotila technická úroveň kryogénnych ventilov. Zvyčajne sa technická úroveň kryogénnych ventilov hodnotí meraním racionality spotreby energie.
① Tepelná izolácia kryogénnych ventilov.
② Chladiaci výkon kryogénnych ventilov.
③ Pracovný výkon otvárania a zatvárania tesnení kryogénnych ventilov.
④ Podmienky pre žiadnu námrazu na povrchu kryogénnych ventilov.
Pracovné prostredie kryogénnych ventilov je úplne odlišné od prostredia ventilov na všeobecné{0}}účely. V procese navrhovania, výroby a kontroly kryogénnych ventilov by sa okrem dodržiavania všeobecných pravidiel pre návrh, výrobu a kontrolu ventilov mali vykonať príslušné úpravy podľa prostredia kryogénnych ventilov.
3. Tesniace prvky
Hoci je štruktúra guľových ventilov jednoduchá, keďže ide o stredotlakové samotesniace ventily-a majú špeciálnu guľovú štruktúru, konečný tesniaci výkon guľových ventilov ovplyvňuje mnoho faktorov.
3.1 Kvalita tesniaceho páru
Kvalita tesniaceho páru guľového ventilu sa odráža hlavne v guľatosti gule a drsnosti povrchu tesniacich plôch gule a ventilu
sedadlo. Guľatina
ovplyvňuje stupeň lícovania medzi guľou a sedlom ventilu. Vyšší stupeň lícovania zvyšuje odpor pohybu tekutiny pozdĺž tesniaceho povrchu, čím sa zlepšuje tesniaci výkon. Vo všeobecnosti sa vyžaduje, aby guľôčka mala stupeň 9.
Podstatný vplyv na tesnenie má povrchová úprava tesniacej plochy. Keď je povrchová úprava nízka a špecifický tlak je malý, únik sa zvyšuje. Keď je špecifický tlak veľký, vplyv povrchovej úpravy na netesnosť výrazne klesá, pretože mikroskopické zúbkované vrcholy na tesniacej ploche sú sploštené. Vplyv povrchovej úpravy mäkkého tesniaceho povrchu na tesniaci výkon je oveľa menší ako vplyv tuhého tesnenia kov -na-kov.
Na základe názoru, že úniku tekutiny je možné zabrániť iba vtedy, keď je medzera medzi tesniacimi pármi menšia ako priemer molekuly tekutiny, možno uvažovať, že medzera na zabránenie úniku tekutiny musí byť menšia ako 0,003 μm. Avšak aj výška vrcholu jemne brúseného kovového povrchu stále presahuje 0,1 μm, čo je 30-krát viac ako priemer molekúl vody. Je zrejmé, že je v skutočnosti ťažké zlepšiť tesniaci výkon iba zvýšením povrchovej úpravy tesniaceho povrchu. Okrem ovplyvnenia tesniaceho výkonu má kvalita tesniaceho páru priamy vplyv na životnosť guľového ventilu. Preto sa musí kvalita tesniaceho páru počas výroby zlepšiť.
3.2 Špecifický tlak tesnenia
Tesniaci špecifický tlak sa vzťahuje na tlak pôsobiaci na jednotkovú plochu tesniaceho povrchu. Vytvára sa tlakovým rozdielom medzi prednou a zadnou časťou ventilu a vonkajšou tesniacou silou. Veľkosť špecifického tlaku priamo ovplyvňuje tesniaci výkon, spoľahlivosť a životnosť guľového ventilu. Únik je nepriamo úmerný tlakovému rozdielu. Testy ukázali, že za rovnakých iných podmienok je únik nepriamo úmerný druhej mocnine tlakového rozdielu, takže únik klesá so zvyšovaním tlakového rozdielu. Pretože tlakový rozdiel je dôležitým faktorom určujúcim špecifický tlak tesnenia, špecifický tlak tesnenia je rozhodujúci pre tesniaci výkon kryogénnych guľových ventilov. Tesniaci špecifický tlak aplikovaný na guľu by nemal byť príliš veľký. Hoci väčší špecifický tlak je prospešný pre utesnenie, zvýši prevádzkový moment ventilu. Preto je predpokladom na zabezpečenie utesnenia kryogénnych guľových ventilov rozumný výber špecifického tlaku tesnenia.
3.3 Fyzikálne vlastnosti kvapaliny
3.3.1 Viskozita
Priepustnosť tekutiny úzko súvisí s jej viskozitou. Za rovnakých podmienok platí, že čím vyššia je viskozita tekutiny, tým nižšia je jej priepustnosť. Viskozita plynu a kvapaliny sa značne líši. ① Viskozita plynu je niekoľkonásobne menšia ako viskozita kvapaliny, takže jeho priepustnosť je silnejšia ako priepustnosť kvapaliny. Výnimkou je však nasýtená para, ktorá sa ľahko utesňuje. ② Stlačený plyn je náchylnejší na únik ako kvapalina.
3.3.2 Teplota
Priepustnosť kvapaliny závisí od teploty, ktorá spôsobuje zmenu viskozity. Viskozita plynu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou a je úmerná druhej odmocnine teploty plynu. Naopak, viskozita kvapaliny prudko klesá s nárastom teploty a je nepriamo úmerná tretej mocnine teploty. Okrem toho zmena rozmerov dielu spôsobená zmenou teploty povedie k zmenám tesniaceho tlaku v oblasti tesnenia a môže poškodiť tesnenie. Jeho vplyv je obzvlášť významný pri utesňovaní kvapalín pri nízkych{4}}teplotách. Pretože tesniaci pár v kontakte s kvapalinou má zvyčajne nižšiu teplotu ako časti nesúce silu, spôsobuje to zmrštenie a uvoľnenie komponentov tesniaceho páru. Tesnenie pri nízkych teplotách je zložité a väčšina tesniacich materiálov zlyhá pri nízkych teplotách. Preto pri výbere tesniacich materiálov treba brať do úvahy vplyv teploty.
3.3.3 Hydrofilnosť povrchu
Vplyv povrchovej hydrofilnosti na presakovanie je spôsobený charakteristikami kapilárnych pórov. Keď je na povrchu tenký olejový film, hydrofilnosť kontaktného povrchu je zničená a kanálik pre tekutinu je zablokovaný, takže je potrebný väčší tlakový rozdiel, aby tekutina prešla cez kapilárne póry. Preto niektoré guľové ventily používajú tesniace mazivo na zlepšenie tesniaceho výkonu a životnosti. Pri použití maziva na tesnenie je potrebné venovať pozornosť doplneniu maziva, ak sa olejový film počas používania zníži. Použité mazivo by nemalo byť rozpustné v tekutom médiu, ani by sa nemalo odparovať, vytvrdzovať alebo podliehať iným chemickým zmenám. Kryogénne guľové ventily nie sú vhodné na použitie tesniaceho tuku, pretože väčšina mazív zosklovatie v podmienkach ultra-nízkej teploty.
3.4 Konštrukčné rozmery
3.4.1 Štruktúra tesniaceho páru
Pretože tesniaci pár nie je absolútne tuhý, jeho konštrukčné rozmery sa nevyhnutne zmenia pôsobením tesniacej sily alebo zmeny teploty. Tým sa zmení interakčná sila medzi tesniacimi pármi, čo má za následok znížený tesniaci výkon. Na kompenzáciu tejto zmeny by tesnenie malo mať určitú elastickú deformáciu. V súčasnosti majú niektoré sedlá guľových ventilov štrukturálnu formu s elastickou kompenzáciou alebo kovovou elastickou podporou a niektoré guľôčky majú tiež elastickú guľovú štruktúru. Toto sú pozitívne formy na zlepšenie tesniaceho výkonu.
3.4.2 Šírka tesniacej plochy
Šírka tesniacej plochy určuje dĺžku kapilárnych pórov. Keď sa šírka zväčšuje, dráha pohybu tekutiny pozdĺž kapilárnych pórov sa úmerne zväčšuje, zatiaľ čo presakovanie sa opačne znižuje. Ale v skutočnosti to tak nie je, pretože styčné plochy tesniacich párov nemôžu byť úplne namontované. Po deformácii nemôže šírka tesniacej plochy plne zohrávať účinnú tesniacu úlohu. Na druhej strane zväčšenie šírky tesniacej plochy vyžaduje zvýšenie potrebnej tesniacej sily. Preto je dôležitý aj rozumný výber šírky tesniacej plochy.
3.4.3 Veľkosť tesniaceho krúžku
Kryogénne guľové ventily vo všeobecnosti používajú tesniace krúžky PCTFE. Koeficient lineárnej rozťažnosti PCTFE pri nízkych teplotách je oveľa vyšší ako koeficient kovu. Preto sa tesniaci krúžok PCTFE pri nízkych teplotách zmršťuje, čo má za následok znížený tesniaci špecifický tlak s guľou a vytváranie únikových kanálov so sedlom ventilu. Preto je veľkosť tesniaceho krúžku PCTFE tiež dôležitým faktorom ovplyvňujúcim utesnenie kryogénnych guľových ventilov. V návrhu by sa mal zvážiť vplyv zmršťovania veľkosti pri nízkych teplotách a v procese by sa mal prijať proces montáže za studena.
4. Záver
Tento článok zameraný na bežný fenomén vnútornej netesnosti kryogénnych guľových ventilov v existujúcich prijímacích termináloch LNG na základe konštrukčných kritérií kryogénnych ventilov a základnej teórie tesnenia ventilov analyzuje faktory ovplyvňujúce utesnenie kryogénnych guľových ventilov, vrátane kvality tesniaceho páru, špecifického tlaku tesnenia, fyzikálnych vlastností kvapaliny a štruktúry a veľkosti tesniaceho páru. Existuje mnoho ďalších faktorov ovplyvňujúcich utesnenie kryogénnych guľových ventilov, ako je napríklad tuhosť
lopty a či je stred lopty
sústredné s tesniacou plochou sedla ventilu počas montáže. Tesniaci špecifický tlak a štruktúra a veľkosť tesniaceho páru sú dôležitými faktormi ovplyvňujúcimi tesnenie kryogénnych guľových ventilov, ktoré musia byť plne zohľadnené pri návrhu.
