1. Pregled
Kuglasti ventili imaju široku primjenu u različitim radnim uvjetima zbog svoje jednostavne strukture, malog prostora za ugradnju i oslanjanja na srednju silu za brtvljenje bez utjecaja vanjskih pokretačkih sila. Trenutno se kriogeni kuglasti ventili obično koriste u terminalima za prijem LNG-a, što čini 80% ukupnog broja ventila u takvim terminalima. Međutim, tijekom rada dolazi do unutarnjeg curenja kriogenih kuglastih ventila. Na temelju projektnih kriterija kriogenih ventila i osnovne teorije brtvljenja ventila, ovaj rad analizira čimbenike koji utječu na brtvljenje kriogenih kuglastih ventila.
2. Kriteriji dizajna
Ekstremno niska radna temperatura predstavlja niz tehničkih izazova za dizajn i proizvodnju kriogenih ventila, kao što su odabir materijala, brtvljenje pri niskim-temperaturama, konstrukcijski dizajn, obrada otopine, obrada dubokog hlađenja, toplinska izolacija, inspekcija kvalitete, održavanje i sigurnost. Stoga postoji niz strogih standarda za dizajn kriogenih ventila. Na međunarodnoj razini, glavni standardi koji se koriste su
BS6364 "Kriogeni ventili" i MSSSP-134 "Zahtjevi za kriogene ventile i njihove
Produženo tijelo/poklopac". Ove dvije norme sveobuhvatno određuju ključne točke i pravila za projektiranje i proizvodnju kriogenih ventila. Standard JB/T7749 "Tehničke specifikacije za kriogene ventile" transformiran je iz BS6364 "Kriogeni ventili".
U projektiranju kriogenih ventila, osim poštivanja općih načela dizajna ventila, treba se pridržavati posebnih zahtjeva za dizajn kriogenih ventila u skladu s radnim uvjetima.
① Ventil ne bi trebao biti značajan izvor topline za sustav niske-temperature. To je zato što dotok topline ne samo da smanjuje toplinsku učinkovitost, već također uzrokuje brzo isparavanje unutarnje tekućine ako je prekomjerno, što dovodi do abnormalnog porasta tlaka i potencijalne opasnosti.
② Medij niske-temperature ne bi trebao imati štetan utjecaj na rad ručnog kotača i performanse brtve brtve.
③ Sklopovi ventila u izravnom kontaktu s medijima niske-temperature trebaju imati strukture otporne-na eksploziju i-vatru.
④ Sklopovi ventila koji rade na niskim temperaturama ne mogu se podmazati, stoga je potrebno poduzeti strukturne mjere kako bi se spriječilo habanje dijelova koji se treju.
U procesu projektiranja kriogenih ventila, osim razmatranja općih zahtjeva kao što je kapacitet protoka, potrebno je uzeti u obzir i druge pokazatelje kako bi se bolje ocijenila tehnička razina kriogenih ventila. Obično se tehnička razina kriogenih ventila ocjenjuje mjerenjem racionalnosti potrošnje energije.
① Izvedba toplinske izolacije kriogenih ventila.
② Učinak hlađenja kriogenih ventila.
③ Radna izvedba otvaranja i zatvaranja brtvi kriogenih ventila.
④ Uvjeti za odsustvo zaleđivanja na površini kriogenih ventila.
Radno okruženje kriogenih ventila prilično se razlikuje od-okruženja ventila opće namjene. U procesu projektiranja, proizvodnje i inspekcije kriogenih ventila, osim poštivanja općih pravila za projektiranje, proizvodnju i inspekciju ventila, potrebno je izvršiti odgovarajuće prilagodbe u skladu s okolinom kriogenih ventila.
3. Brtveni elementi
Iako je struktura kuglastih ventila jednostavna, budući da su samobrtveni ventili srednjeg tlaka i imaju posebnu kuglastu strukturu, postoji mnogo čimbenika koji utječu na konačnu izvedbu brtvljenja kuglastih ventila.
3.1 Kvaliteta brtvenog para
Kvaliteta brtvenog para kuglastog ventila uglavnom se ogleda u okruglosti kugle i površinskoj hrapavosti brtvenih površina kugle i ventila
sjedalo. Okruglost lopte
utječe na stupanj prianjanja između kugle i sjedišta ventila. Viši stupanj prianjanja povećava otpor kretanja tekućine duž brtvene površine, čime se poboljšavaju performanse brtvljenja. Općenito, okruglost lopte mora biti stupnja 9.
Završna obrada površine za brtvljenje ima značajan utjecaj na brtvljenje. Kada je završna obrada niska i specifični tlak mali, propuštanje se povećava. Kada je specifični tlak velik, utjecaj završne obrade na curenje značajno se smanjuje jer su mikroskopski nazubljeni vrhovi na brtvenoj površini spljošteni. Utjecaj završne obrade meke površine za brtvljenje na učinak brtvljenja puno je manji nego kod krutog brtvljenja metal-na-metal.
Na temelju stajališta da se istjecanje tekućine može spriječiti samo kada je razmak između brtvenih parova manji od promjera molekule tekućine, može se smatrati da razmak za sprječavanje istjecanja tekućine mora biti manji od 0,003 μm. Međutim, čak i visina vrha fino mljevene metalne površine još uvijek prelazi 0,1 μm, što je 30 puta više od promjera molekula vode. Može se vidjeti da je zapravo teško poboljšati učinak brtvljenja samo povećanjem završne obrade površine za brtvljenje. Osim utjecaja na performanse brtvljenja, kvaliteta brtvenog para izravno utječe na životni vijek kuglastog ventila. Stoga se kvaliteta brtvenog para mora poboljšati tijekom proizvodnje.
3.2 Specifični tlak brtvljenja
Specifični tlak brtvljenja odnosi se na tlak koji djeluje na jediničnu površinu brtvene površine. Nastaje zbog razlike tlaka između prednje i stražnje strane ventila i vanjske sile brtvljenja. Veličina specifičnog tlaka izravno utječe na performanse brtvljenja, pouzdanost i radni vijek kuglastog ventila. Propuštanje je obrnuto proporcionalno razlici tlaka. Ispitivanja su pokazala da je pod istim drugim uvjetima curenje obrnuto proporcionalno kvadratu razlike tlakova, tako da se curenje smanjuje s povećanjem razlike tlaka. Budući da je razlika tlaka važan čimbenik koji određuje specifični tlak brtvljenja, specifični tlak brtvljenja ključan je za učinkovitost brtvljenja kriogenih kuglastih ventila. Specifični pritisak brtvljenja na kuglu ne smije biti prevelik. Iako je veći specifični tlak koristan za brtvljenje, on će povećati radni moment ventila. Stoga je razuman odabir specifičnog tlaka za brtvljenje pretpostavka za osiguranje brtvljenja kriogenih kuglastih ventila.
3.3 Fizička svojstva tekućine
3.3.1 Viskoznost
Propusnost tekućine usko je povezana s njezinom viskoznošću. Pod istim drugim uvjetima, što je veća viskoznost tekućine, to je manja njena propusnost. Viskoznost plina i tekućine jako se razlikuje. ① Viskoznost plina desetke je puta manja od viskoznosti tekućine, pa je njegova propusnost veća od one tekućine. Međutim, zasićena para je iznimka, koju je lako zatvoriti. ② Komprimirani plin skloniji je curenju od tekućine.
3.3.2 Temperatura
Propusnost tekućine ovisi o temperaturi koja uzrokuje promjenu viskoznosti. Viskoznost plina raste s porastom temperature i proporcionalna je kvadratnom korijenu temperature plina. Naprotiv, viskoznost tekućine naglo opada s porastom temperature i obrnuto je proporcionalna kubu temperature. Osim toga, promjena dimenzija dijela uzrokovana promjenom temperature dovest će do promjena u tlaku brtvljenja u području brtvljenja i može oštetiti brtvu. Njegov utjecaj posebno je značajan za brtvljenje fluida niske-temperature. Budući da brtveni par u kontaktu s tekućinom obično ima nižu temperaturu od dijelova koji-nose silu, to uzrokuje skupljanje i opuštanje komponenata brtvenog para. Brtvljenje na niskim temperaturama je složeno i većina materijala za brtvljenje ne radi na niskim temperaturama. Stoga pri odabiru materijala za brtvljenje treba uzeti u obzir utjecaj temperature.
3.3.3 Hidrofilnost površine
Utjecaj površinske hidrofilnosti na curenje uzrokovan je karakteristikama kapilarnih pora. Kada na površini postoji tanki uljni film, hidrofilnost kontaktne površine je uništena i kanal tekućine je blokiran, pa je potrebna veća razlika tlaka da tekućina prođe kroz kapilarne pore. Stoga neki kuglasti ventili koriste mast za brtvljenje kako bi poboljšali učinkovitost brtvljenja i životni vijek. Kod upotrebe masti za brtvljenje treba obratiti pozornost na dopunu masti ako se uljni film smanji tijekom uporabe. Mast koja se koristi ne smije biti topljiva u tekućem mediju, niti smije ispariti, stvrdnuti se ili podvrgnuti drugim kemijskim promjenama. Kriogeni kuglasti ventili nisu prikladni za korištenje masti za brtvljenje, budući da će većina masti postati staklasta u uvjetima ultra-niske temperature.
3.4 Strukturne dimenzije
3.4.1 Struktura brtvenog para
Budući da brtveni par nije apsolutno krut, njegove strukturne dimenzije neizbježno će se promijeniti pod djelovanjem sile brtvljenja ili promjene temperature. To će promijeniti silu interakcije između brtvenih parova, što će rezultirati smanjenom učinkom brtvljenja. Da bi se kompenzirala ova promjena, brtva bi trebala imati određenu elastičnu deformaciju. Trenutačno neka sjedišta kuglastih ventila imaju strukturni oblik s elastičnom kompenzacijom ili metalnom elastičnom potporom, a neke kugle također imaju strukturu elastične kugle. Ovo su pozitivni oblici za poboljšanje učinka brtvljenja.
3.4.2 Širina brtvene površine
Širina brtvene površine određuje duljinu kapilarnih pora. Kada se širina povećava, put kretanja tekućine duž kapilarnih pora proporcionalno se povećava, dok se curenje obrnuto smanjuje. Ali zapravo, to nije slučaj jer se kontaktne površine brtvenih parova ne mogu u potpunosti spojiti. Nakon deformacije, širina brtvene površine ne može u potpunosti igrati učinkovitu ulogu brtvljenja. S druge strane, povećanje širine brtvene površine zahtijeva povećanje potrebne sile brtvljenja. Stoga je također važan razuman odabir širine brtvene površine.
3.4.3 Veličina brtvenog prstena
Kriogeni kuglasti ventili općenito koriste PCTFE brtvene prstene. Koeficijent linearnog širenja PCTFE-a na niskim temperaturama mnogo je veći nego kod metala. Stoga će se brtveni prsten od PCTFE skupiti na niskim temperaturama, što će rezultirati smanjenim specifičnim pritiskom za brtvljenje s kuglicom i stvaranjem kanala za curenje sa sjedištem ventila. Stoga je veličina PCTFE brtvenog prstena također važan faktor koji utječe na brtvljenje kriogenih kuglastih ventila. Utjecaj skupljanja veličine pri niskim temperaturama treba uzeti u obzir u dizajnu, au procesu treba usvojiti postupak hladne montaže.
4. Zaključak
Ciljajući na uobičajeni fenomen unutarnjeg propuštanja kriogenih kuglastih ventila u postojećim terminalima za prijem LNG-a, na temelju kriterija dizajna kriogenih ventila i osnovne teorije brtvljenja ventila, ovaj rad analizira čimbenike koji utječu na brtvljenje kriogenih kuglastih ventila, uključujući kvalitetu brtvenog para, specifični tlak brtvljenja, fizikalna svojstva fluida te strukturu i veličinu brtvenog para. Postoje mnogi drugi čimbenici koji utječu na brtvljenje kriogenih kuglastih ventila, kao što je krutost
lopte i da li je centar lopte
koncentrično s brtvenom površinom sjedišta ventila tijekom montaže. Specifični tlak brtvljenja te struktura i veličina brtvenog para važni su čimbenici koji utječu na brtvljenje kriogenih kuglastih ventila, što se mora u potpunosti uzeti u obzir pri projektiranju.
