1. Descripción general
Las válvulas de bola se utilizan ampliamente en diversas condiciones de trabajo debido a su estructura simple, pequeño espacio de instalación y dependencia de una fuerza media para el sellado sin verse afectadas por fuerzas impulsoras externas. Actualmente, las válvulas de bola criogénicas se adoptan comúnmente en las terminales receptoras de GNL y representan el 80% del número total de válvulas en dichas terminales. Sin embargo, se producen fugas internas de las válvulas de bola criogénicas durante el funcionamiento. Basado en los criterios de diseño de válvulas criogénicas y la teoría básica del rendimiento de sellado de válvulas, este artículo analiza los factores que afectan el sellado de válvulas de bola criogénicas.
2. Criterios de diseño
La temperatura de funcionamiento extremadamente baja plantea una serie de desafíos técnicos para el diseño y la fabricación de válvulas criogénicas, como la selección de materiales, el sellado a baja-temperatura, el diseño estructural, el tratamiento de la solución, el tratamiento de enfriamiento profundo, el aislamiento térmico, la inspección de calidad, el mantenimiento y la seguridad. Por ello, existen una serie de normas estrictas para el diseño de válvulas criogénicas. A nivel internacional, los principales estándares utilizados son
BS6364 "Válvulas criogénicas" y MSSSP-134 "Requisitos para válvulas criogénicas y sus
Cuerpo extendido/capó". Estas dos normas especifican de manera integral los puntos y reglas clave para el diseño y fabricación de válvulas criogénicas. La norma JB/T7749 "Especificaciones técnicas para válvulas criogénicas" es una transformación de BS6364 "Válvulas criogénicas".
En el diseño de válvulas criogénicas, además de seguir los principios generales de diseño de válvulas, se deben cumplir requisitos especiales para el diseño de válvulas criogénicas de acuerdo con las condiciones de operación.
① La válvula no debe ser una fuente de calor importante para el sistema de baja-temperatura. Esto se debe a que la entrada de calor no sólo reduce la eficiencia térmica sino que también provoca una rápida evaporación del fluido interno si es excesiva, lo que provoca un aumento anormal de la presión y un peligro potencial.
② El medio de baja-temperatura no debe tener un impacto perjudicial en el funcionamiento del volante y el rendimiento del sello del empaque.
③ Los conjuntos de válvulas en contacto directo con medios de baja-temperatura deben tener estructuras-resistentes a explosiones y al fuego-.
④ Los conjuntos de válvulas que funcionan a bajas temperaturas no se pueden lubricar, por lo que es necesario tomar medidas estructurales para evitar la abrasión de las piezas de fricción.
En el proceso de diseño de válvulas criogénicas, además de considerar requisitos generales como la capacidad de flujo, es necesario tener en cuenta otros indicadores para evaluar mejor el nivel técnico de las válvulas criogénicas. Habitualmente, el nivel técnico de las válvulas criogénicas se evalúa midiendo la racionalidad del consumo de energía.
① Rendimiento de aislamiento térmico de válvulas criogénicas.
② Rendimiento de enfriamiento de válvulas criogénicas.
③ Rendimiento laboral de apertura y cierre de sellos de válvulas criogénicas.
④ Condiciones para que no se forme hielo en la superficie de las válvulas criogénicas.
El entorno de trabajo de las válvulas criogénicas es bastante diferente al de las válvulas de uso general-. En el proceso de diseño, fabricación e inspección de válvulas criogénicas, además de cumplir con las reglas generales para el diseño, fabricación e inspección de válvulas, se deben realizar los ajustes apropiados de acuerdo con el entorno de las válvulas criogénicas.
3. Elementos de sellado
Aunque la estructura de las válvulas de bola es simple, ya que son válvulas autosellantes-de media presión y tienen una estructura de bola especial, existen muchos factores que afectan el rendimiento final del sellado de las válvulas de bola.
3.1 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 las superficies de sellado de la bola y la válvula.
asiento. La redondez de la pelota.
afecta el grado de ajuste entre la bola y el asiento de la válvula. Un mayor grado de ajuste aumenta la resistencia del movimiento del fluido a lo largo de la superficie de sellado, mejorando así el rendimiento del sellado. Generalmente, se requiere que la redondez de la pelota sea de grado 9.
El acabado superficial de la superficie de sellado tiene un impacto significativo en el sellado. Cuando el acabado es bajo y la presión específica es pequeña, la fuga aumenta. Cuando la presión específica es grande, el impacto del acabado sobre las fugas disminuye significativamente porque los picos microscópicos dentados en la superficie de sellado se aplanan. El impacto del acabado de la superficie de sellado blanda en el rendimiento del sellado es mucho menor que el del sellado rígido de metal-a-metal.
Partiendo de la opinión de que la fuga de fluido se puede evitar sólo cuando el espacio entre los pares de sellado es menor que el diámetro de la molécula de fluido, se puede considerar que el espacio para evitar la fuga de fluido debe ser inferior a 0,003 µm. Sin embargo, incluso la altura máxima de una superficie metálica finamente molida supera los 0,1 μm, que es 30 veces mayor que el diámetro de las moléculas de agua. Puede verse que en realidad es difícil mejorar el rendimiento del sellado sólo aumentando el acabado superficial de la superficie de sellado. Además de afectar el rendimiento del sellado, la calidad del par de sellado afecta directamente la vida útil de la válvula de bola. Por lo tanto, la calidad del par de sellado debe mejorarse durante la fabricación.
3.2 Presión específica de sellado
La presión específica de sellado se refiere a la presión que actúa sobre el área unitaria de la superficie de sellado. Se genera por la diferencia de presión entre la parte delantera y trasera de la válvula y la fuerza de sellado externa. La magnitud de la presión específica afecta directamente el rendimiento del sellado, la confiabilidad y la vida útil de la válvula de bola. La fuga es inversamente proporcional a la diferencia de presión. Las pruebas han demostrado que bajo las mismas condiciones, la fuga es inversamente proporcional al cuadrado de la diferencia de presión, por lo que la fuga disminuye con el aumento de la diferencia de presión. Dado que la diferencia de presión es un factor importante que determina la presión específica de sellado, la presión específica de sellado es crucial para el rendimiento de sellado de las válvulas de bola criogénicas. La presión específica de sellado aplicada a la bola no debe ser demasiado grande. Aunque una presión específica mayor es beneficiosa para el sellado, aumentará el par de operación de la válvula. Por lo tanto, la selección razonable de la presión específica de sellado es la premisa para garantizar el sellado de las válvulas de bola criogénicas.
3.3 Propiedades físicas del fluido
3.3.1 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 difiere mucho. 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. Sin embargo, el vapor saturado es una excepción, que es fácil de sellar. ② El gas comprimido es más propenso a sufrir fugas que el líquido.
3.3.2 Temperatura
La permeabilidad del fluido depende de la temperatura que provoca el cambio de viscosidad. La viscosidad del gas aumenta con el aumento de la temperatura y es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura del gas. Por el contrario, la viscosidad del líquido disminuye bruscamente con el aumento de la temperatura y es inversamente proporcional al cubo de temperatura. Además, el cambio en las dimensiones de la pieza causado por el cambio de temperatura provocará cambios en la presión de sellado en el área de sellado y puede dañar el sello. Su impacto es particularmente significativo para el sellado de fluidos de baja-temperatura. Debido a que el par de sellado en contacto con el fluido suele tener una temperatura más baja que las piezas que soportan la fuerza, esto hace que los componentes del par de sellado se contraigan y se relajen. El sellado a bajas temperaturas es complejo y la mayoría de los materiales de sellado fallan a bajas temperaturas. Por lo tanto, se debe considerar la influencia de la temperatura al seleccionar materiales de sellado.
3.3.3 Hidrofilia superficial
El impacto de la hidrofilicidad de la superficie sobre las fugas es causado por las características de los poros capilares. 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 requiere una mayor diferencia de presión para que el fluido pase a través de los poros capilares. Por lo tanto, algunas válvulas de bola utilizan grasa selladora para mejorar el rendimiento del sellado y la vida útil. Cuando se utiliza grasa para sellar, se debe prestar atención a complementar la grasa si la película de aceite disminuye durante el uso. La grasa utilizada no debe ser soluble en el medio fluido, ni debe evaporarse, endurecerse ni sufrir otros cambios químicos. Las válvulas de bola criogénicas no son adecuadas para usar grasa de sellado, ya que la mayoría de las grasas se vitrificarán en condiciones de temperatura ultra-baja.
3.4 Dimensiones estructurales
3.4.1 Estructura del par de sellado
Dado que el par de sellado no es absolutamente rígido, sus dimensiones estructurales cambiarán inevitablemente bajo la acción de la fuerza de sellado o el cambio de temperatura. Esto cambiará la fuerza de interacción entre los pares de sellado, lo que dará como resultado un rendimiento de sellado reducido. Para compensar este cambio, la junta debe presentar una cierta deformación elástica. En la actualidad, algunos asientos de válvulas de bola adoptan una forma estructural con compensación elástica o soporte elástico metálico, y algunas bolas también adoptan una estructura de bola elástica. Éstas son formas positivas de mejorar el rendimiento del sellado.
3.4.2 Ancho de la superficie de sellado
El ancho de la superficie de sellado determina la longitud de los poros capilares. Cuando aumenta el ancho, la trayectoria del movimiento del fluido a lo largo de los poros capilares aumenta proporcionalmente, mientras que la fuga disminuye inversamente. Pero en realidad esto no es así, porque las superficies de contacto de los pares de sellado no se pueden montar completamente. Después de la deformación, el ancho de la superficie de sellado no puede desempeñar plenamente un papel de sellado eficaz. Por otra parte, el aumento de la anchura de la superficie de sellado requiere un aumento de la fuerza de sellado requerida. Por lo tanto, también es importante una selección razonable de la anchura de la superficie de sellado.
3.4.3 Tamaño del anillo de sellado
Las válvulas de bola criogénicas generalmente utilizan anillos de sellado de PCTFE. El coeficiente de expansión lineal del PCTFE a bajas temperaturas es mucho mayor que el del metal. Por lo tanto, el anillo de sellado de PCTFE se encogerá a bajas temperaturas, lo que dará como resultado una presión específica de sellado reducida con la bola y la formación de canales de fuga con 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 las válvulas de bola criogénicas. En el diseño se debe considerar la influencia de la contracción del tamaño a bajas temperaturas y en el proceso se debe adoptar el proceso de ensamblaje en frío.
4. Conclusión
Con el objetivo de abordar el fenómeno común de fuga interna de las válvulas de bola criogénicas en las terminales receptoras de GNL existentes, basándose en los criterios de diseño de las válvulas criogénicas y la teoría básica del sellado de válvulas, este artículo analiza los factores que afectan el sellado de las válvulas de bola criogénicas, incluida 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. Hay muchos otros factores que afectan el sellado de válvulas de bola criogénicas, como la rigidez.
de la pelota y si el centro de la pelota es
concéntrica con la superficie de sellado del asiento de la válvula durante el montaje. La presión específica de sellado y la estructura y tamaño del par de sellado son factores importantes que afectan el sellado de válvulas de bola criogénicas y que deben considerarse plenamente en el diseño.
