1. Pregled
Kroglični ventili se pogosto uporabljajo v različnih delovnih pogojih zaradi svoje preproste strukture, majhnega prostora za namestitev in zanašanja na srednjo silo za tesnjenje, ne da bi nanje vplivale zunanje gonilne sile. Trenutno so kriogeni krogelni ventili običajno uporabljeni v sprejemnih terminalih za UZP, kar predstavlja 80 % skupnega števila ventilov v takih terminalih. Vendar pa med delovanjem pride do notranjega puščanja kriogenih krogelnih ventilov. Na podlagi meril za načrtovanje kriogenih ventilov in osnovne teorije učinkovitosti tesnjenja ventilov ta članek analizira dejavnike, ki vplivajo na tesnjenje kriogenih krogelnih ventilov.
2. Merila za načrtovanje
Izjemno nizka delovna temperatura predstavlja vrsto tehničnih izzivov za načrtovanje in proizvodnjo kriogenih ventilov, kot so izbira materiala, tesnjenje pri nizki-temperaturi, konstrukcijsko načrtovanje, obdelava z raztopino, obdelava z globokim hlajenjem, toplotna izolacija, pregled kakovosti, vzdrževanje in varnost. Zato obstaja vrsta strogih standardov za načrtovanje kriogenih ventilov. Na mednarodni ravni so glavni uporabljeni standardi
BS6364 "Kriogeni ventili" in MSSSP-134 "Zahteve za kriogene ventile in njihove
Razširjeno ohišje/pokrov". Ta dva standarda izčrpno določata ključne točke in pravila za načrtovanje in proizvodnjo kriogenih ventilov. Standard JB/T7749 "Tehnične specifikacije za kriogene ventile" je preoblikovan iz BS6364 "Kriogeni ventili".
Pri zasnovi kriogenih ventilov je treba poleg upoštevanja splošnih načel zasnove ventilov upoštevati tudi posebne zahteve za zasnovo kriogenih ventilov glede na pogoje delovanja.
① Ventil ne sme biti pomemben vir toplote za nizko-temperaturni sistem. To je zato, ker dotok toplote ne le zmanjša toplotno učinkovitost, ampak povzroči tudi hitro izhlapevanje notranje tekočine, če je prekomerno, kar povzroči nenormalen dvig tlaka in potencialno nevarnost.
② Medij z nizko-temperaturo ne bi smel škodljivo vplivati na delovanje ročnega kolesa in učinkovitost tesnjenja tesnila.
③ Ventilski sklopi v neposrednem stiku z mediji pri nizki-temperaturi morajo imeti -eksplozijsko{1}}in ognjevarno-strukturo.
④ Sklopov ventilov, ki delujejo pri nizkih temperaturah, ni mogoče mazati, zato je treba sprejeti strukturne ukrepe za preprečitev obrabe tornih delov.
V procesu načrtovanja kriogenih ventilov je treba poleg upoštevanja splošnih zahtev, kot je pretočna zmogljivost, upoštevati tudi druge kazalnike za boljšo oceno tehnične ravni kriogenih ventilov. Običajno se tehnična raven kriogenih ventilov ocenjuje z merjenjem racionalnosti porabe energije.
① Toplotna izolacija kriogenih ventilov.
② Hladilna zmogljivost kriogenih ventilov.
③ Delovna zmogljivost odpiranja in zapiranja tesnil kriogenih ventilov.
④ Pogoji, da na površini kriogenih ventilov ni ledu.
Delovno okolje kriogenih ventilov se precej razlikuje od delovnega-ventilov za splošno uporabo. V procesu načrtovanja, izdelave in pregledovanja kriogenih ventilov je treba poleg upoštevanja splošnih pravil za načrtovanje, proizvodnjo in pregledovanje ventilov izvesti ustrezne prilagoditve glede na okolje kriogenskih ventilov.
3. Tesnilni elementi
Čeprav je zgradba krogelnih ventilov preprosta, saj so srednjetlačni samo{0}}tesnilni ventili in imajo posebno krogelno strukturo, obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na končno tesnjenje krogelnih ventilov.
3.1 Kakovost tesnilnega para
Kakovost tesnilnega para krogličnega ventila se odraža predvsem v okroglosti krogle in površinski hrapavosti tesnilnih površin krogle in ventila
sedež. Okroglost žoge
vpliva na stopnjo prileganja krogle in sedeža ventila. Višja stopnja prileganja poveča upor gibanja tekočine vzdolž tesnilne površine in s tem izboljša učinkovitost tesnjenja. Na splošno mora biti okroglost žoge stopnje 9.
Površinska obdelava tesnilne površine pomembno vpliva na tesnjenje. Ko je končna obdelava nizka in je specifični tlak majhen, se puščanje poveča. Ko je specifični tlak velik, se vpliv končne obdelave na puščanje znatno zmanjša, ker so mikroskopske nazobčane konice na tesnilni površini sploščene. Vpliv zaključka mehke tesnilne površine na učinkovitost tesnjenja je veliko manjši kot pri trdnem tesnjenju kovin-na-kovino.
Na podlagi stališča, da je puščanje tekočine mogoče preprečiti le, če je reža med tesnilnimi pari manjša od premera molekule tekočine, se lahko šteje, da mora biti reža za preprečevanje puščanja tekočine manjša od 0,003 μm. Vendar tudi višina vrha fino zmlete kovinske površine še vedno presega 0,1 μm, kar je 30-krat več od premera molekul vode. Vidimo lahko, da je dejansko težko izboljšati učinkovitost tesnjenja le s povečanjem končne obdelave površine tesnilne površine. Poleg tega, da vpliva na učinkovitost tesnjenja, kakovost tesnilnega para neposredno vpliva na življenjsko dobo krogelnega ventila. Zato je treba med izdelavo izboljšati kakovost tesnilnega para.
3.2 Specifični tlak tesnjenja
Specifični tlak pri tesnjenju se nanaša na tlak, ki deluje na enoto površine tesnilne površine. Nastane zaradi razlike tlaka med sprednjim in zadnjim delom ventila ter zunanje tesnilne sile. Velikost specifičnega tlaka neposredno vpliva na tesnjenje, zanesljivost in življenjsko dobo krogelnega ventila. Puščanje je obratno sorazmerno z razliko tlaka. Testi so pokazali, da je pri enakih drugih pogojih puščanje obratno sorazmerno s kvadratom tlačne razlike, zato se puščanje zmanjšuje s povečanjem tlačne razlike. Ker je razlika v tlaku pomemben dejavnik, ki določa tesnilni specifični tlak, je tesnilni specifični tlak ključnega pomena za tesnjenje kriogenih krogelnih ventilov. Tesnilni specifični pritisk na kroglo ne sme biti prevelik. Čeprav je večji specifični tlak koristen za tesnjenje, bo povečal delovni moment ventila. Zato je razumna izbira specifičnega tesnilnega tlaka predpostavka za zagotovitev tesnjenja kriogenih krogelnih ventilov.
3.3 Fizikalne lastnosti tekočine
3.3.1 Viskoznost
Prepustnost tekočine je tesno povezana z njeno viskoznostjo. Pod enakimi drugimi pogoji je večja kot je viskoznost tekočine, manjša je njena prepustnost. Viskoznost plina in tekočine se zelo razlikuje. ① Viskoznost plina je desetkrat manjša od viskoznosti tekočine, zato je njegova prepustnost močnejša od prepustnosti tekočine. Vendar je nasičena para izjema, ki jo je enostavno zapreti. ② Stisnjen plin je bolj nagnjen k puščanju kot tekočina.
3.3.2 Temperatura
Prepustnost tekočine je odvisna od temperature, ki povzroči spremembo viskoznosti. Viskoznost plina narašča z naraščanjem temperature in je sorazmerna s kvadratnim korenom temperature plina. Nasprotno, viskoznost tekočine močno upada z naraščanjem temperature in je obratno sorazmerna s kubom temperature. Poleg tega bo sprememba dimenzij delov, ki jo povzroči sprememba temperature, povzročila spremembe v tesnilnem tlaku v območju tesnjenja in lahko poškoduje tesnilo. Njegov vpliv je še posebej pomemben pri tesnjenju nizko{4}}temperaturnih tekočin. Ker ima tesnilni par, ki je v stiku s tekočino, običajno nižjo temperaturo od-nosilnih delov, se komponente tesnilnega para krčijo in sprostijo. Tesnjenje pri nizkih temperaturah je zapleteno in večina tesnilnih materialov pri nizkih temperaturah odpove. Zato je treba pri izbiri tesnilnih materialov upoštevati vpliv temperature.
3.3.3 Hidrofilnost površine
Vpliv površinske hidrofilnosti na puščanje je posledica značilnosti kapilarnih por. Ko je na površini tanek oljni film, je hidrofilnost kontaktne površine porušena in kanal za tekočino je blokiran, zato je potrebna večja razlika v tlaku, da tekočina preide skozi kapilarne pore. Zato nekateri krogelni ventili uporabljajo tesnilno mast za izboljšanje delovanja tesnjenja in življenjske dobe. Pri uporabi masti za tesnjenje je treba paziti na dopolnitev masti, če se oljni film med uporabo zmanjša. Uporabljena mast ne sme biti topna v tekočem mediju, niti ne sme izhlapeti, se strditi ali biti podvržena drugim kemičnim spremembam. Kriogeni krogelni ventili niso primerni za uporabo tesnilne masti, saj bo večina masti steklenila pri ultra-nizkih temperaturah.
3.4 Strukturne dimenzije
3.4.1 Struktura tesnilnega para
Ker tesnilni par ni absolutno tog, se bodo njegove konstrukcijske dimenzije neizogibno spremenile pod vplivom tesnilne sile ali temperaturnih sprememb. To bo spremenilo interakcijsko silo med tesnilnimi pari, kar bo povzročilo zmanjšano učinkovitost tesnjenja. Da bi nadomestili to spremembo, mora imeti tesnilo določeno elastično deformacijo. Trenutno imajo nekateri sedeži krogelnih ventilov strukturno obliko z elastično kompenzacijo ali kovinsko elastično podporo, nekatere krogle pa imajo tudi strukturo elastične krogle. To so pozitivne oblike za izboljšanje učinkovitosti tesnjenja.
3.4.2 Širina tesnilne površine
Širina tesnilne površine določa dolžino kapilarnih por. Ko se širina poveča, se pot gibanja tekočine vzdolž kapilarnih por sorazmerno poveča, medtem ko se puščanje zmanjša obratno. Toda v resnici ni tako, ker kontaktnih površin tesnilnih parov ni mogoče popolnoma namestiti. Po deformaciji širina tesnilne površine ne more v celoti igrati učinkovite tesnilne vloge. Po drugi strani pa povečanje širine tesnilne površine zahteva povečanje potrebne tesnilne sile. Zato je pomembna tudi razumna izbira širine tesnilne površine.
3.4.3 Velikost tesnilnega obroča
Kriogeni krogelni ventili običajno uporabljajo tesnilne obroče PCTFE. Koeficient linearne ekspanzije PCTFE pri nizkih temperaturah je veliko višji kot pri kovini. Zato se bo tesnilni obroč PCTFE skrčil pri nizkih temperaturah, kar bo povzročilo zmanjšan tesnilni specifični tlak s kroglo in nastanek puščajočih kanalov s sedežem ventila. Zato je tudi velikost tesnilnega obroča iz PCTFE pomemben dejavnik, ki vpliva na tesnjenje kriogenih krogelnih ventilov. Pri načrtovanju je treba upoštevati vpliv krčenja velikosti pri nizkih temperaturah in pri tem uporabiti postopek hladne montaže.
4. Zaključek
Z namenom preučevanja skupnega pojava notranjega puščanja kriogenih krogelnih ventilov v obstoječih sprejemnih terminalih za utekočinjeni zemeljski plin, na podlagi konstrukcijskih meril kriogenih ventilov in osnovne teorije tesnjenja ventilov, ta dokument analizira dejavnike, ki vplivajo na tesnjenje kriogenih krogelnih ventilov, vključno s kakovostjo tesnilnega para, tesnilnim specifičnim tlakom, fizikalnimi lastnostmi tekočine ter strukturo in velikostjo tesnilnega para. Obstaja veliko drugih dejavnikov, ki vplivajo na tesnjenje kriogenih krogelnih ventilov, kot je togost
žoge in ali je središče žoge
koncentrično s tesnilno površino sedeža ventila med montažo. Specifični tlak tesnjenja ter struktura in velikost tesnilnega para so pomembni dejavniki, ki vplivajo na tesnjenje kriogenih krogelnih ventilov, ki jih je treba v celoti upoštevati pri načrtovanju.
