1. Pregled
Kuglasti ventili se široko koriste u različitim radnim uvjetima zbog svoje jednostavne strukture, malog prostora za ugradnju i oslanjanja na srednju silu za zaptivanje bez utjecaja vanjskih pokretačkih sila. Trenutno su kriogeni kuglični ventili uobičajeno prihvaćeni u terminalima za prijem LNG-a, koji čine 80% ukupnog broja ventila u takvim terminalima. Međutim, tokom rada dolazi do unutrašnjeg curenja kriogenih kugličnih ventila. Na osnovu kriterijuma projektovanja kriogenih ventila i osnovne teorije performansi zaptivanja ventila, ovaj rad analizira faktore koji utiču na zaptivanje 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, nisko{0}}zaptivanje na niskim temperaturama, konstrukcijski dizajn, tretman rješenja, tretman dubokog hlađenja, toplinska izolacija, kontrola kvaliteta, održavanje i sigurnost. Stoga postoji niz strogih standarda za dizajn kriogenih ventila. Na međunarodnom nivou, glavni standardi koji se koriste su
BS6364 "Kriogeni ventili" i MSSSP-134 "Zahtjevi za kriogene ventile i njihove
Prošireno tijelo/poklopac". Ova dva standarda sveobuhvatno specificiraju ključne tačke i pravila za projektovanje i proizvodnju kriogenih ventila. Standard JB/T7749 "Tehničke specifikacije za kriogene ventile" transformisan je iz BS6364 "Kriogeni ventili".
U projektovanju kriogenih ventila, pored poštovanja opštih principa projektovanja ventila, treba poštovati i posebne zahteve za projektovanje kriogenih ventila u skladu sa radnim uslovima.
① Ventil ne bi trebao biti značajan izvor topline za sistem niske{0}}temperature. To je zato što priliv toplote ne samo da smanjuje termičku efikasnost, već takođe uzrokuje brzo isparavanje unutrašnjeg fluida ako je prevelik, što dovodi do abnormalnog porasta pritiska i potencijalne opasnosti.
② Niska{0}}medijska temperatura ne bi trebala imati štetan utjecaj na rad ručnog kotačića i performanse brtvljenja.
③ Sklopovi ventila u direktnom kontaktu sa nisko-medijima na niskim temperaturama trebaju imati strukture otporne na eksploziju-i požar-otporne.
④ Sklopovi ventila koji rade na niskim temperaturama ne mogu se podmazati, tako da je potrebno preduzeti strukturalne mjere kako bi se spriječilo habanje dijelova koji se treju.
U procesu projektovanja kriogenih ventila, pored razmatranja opštih zahteva kao što je kapacitet protoka, potrebno je uzeti u obzir i druge pokazatelje kako bi se bolje procenio tehnički nivo kriogenih ventila. Obično se tehnički nivo kriogenih ventila ocjenjuje mjerenjem racionalnosti potrošnje energije.
① Performanse toplotne izolacije kriogenih ventila.
② Performanse hlađenja kriogenih ventila.
③ Radne performanse otvaranja i zatvaranja zaptivki kriogenih ventila.
④ Uslovi da nema zaleđivanja na površini kriogenih ventila.
Radno okruženje kriogenih ventila se prilično razlikuje od onog kod ventila opće{0}}namjene. U procesu projektovanja, proizvodnje i inspekcije kriogenih ventila, pored poštovanja opštih pravila za projektovanje ventila, proizvodnju i inspekciju, potrebno je izvršiti odgovarajuća podešavanja prema okruženju kriogenih ventila.
3. Zaptivni elementi
Iako je struktura kugličnih ventila jednostavna, budući da se radi o samozaptivnim ventilima srednjeg pritiska i imaju posebnu kugličnu strukturu, postoji mnogo faktora koji utiču na konačni učinak zaptivanja kugličnih ventila.
3.1 Kvaliteta zaptivnog para
Kvaliteta zaptivnog para kugličnog ventila uglavnom se ogleda u zaobljenosti kugle i hrapavosti površine brtvenih površina kugle i ventila
sjedište. Okrutnost lopte
utiče na stepen uklapanja između kuglice i sjedišta ventila. Veći stepen prijanjanja povećava otpor kretanja tečnosti duž površine zaptivanja, čime se poboljšava performanse zaptivanja. Općenito, potrebno je da okruglost lopte bude 9.
Završna obrada površine za zaptivanje ima značajan uticaj na zaptivanje. Kada je završni sloj nizak, a specifični pritisak mali, curenje se povećava. Kada je specifični pritisak veliki, uticaj završne obrade na curenje značajno se smanjuje jer su mikroskopski nazubljeni vrhovi na površini zaptivanja spljošteni. Utjecaj završne obrade meke površine za zaptivanje na performanse zaptivanja je mnogo manji od utjecaja metala-na-metal krutog zaptivanja.
Na osnovu stava da se curenje fluida može sprečiti samo kada je jaz između zaptivnih parova manji od prečnika molekula fluida, može se smatrati da razmak za sprečavanje curenja fluida mora biti manji od 0,003 μm. Međutim, čak i visina vrha fino mljevene metalne površine i dalje prelazi 0,1 μm, što je 30 puta veće od promjera molekula vode. Može se vidjeti da je zapravo teško poboljšati performanse zaptivanja samo povećanjem završne obrade površine zaptivanja. Osim što utiče na performanse zaptivanja, kvalitet zaptivnog para direktno utiče na radni vek kuglastog ventila. Stoga se kvalitet zaptivnog para mora poboljšati tokom proizvodnje.
3.2 Specifični pritisak zaptivanja
Specifični pritisak zaptivanja se odnosi na pritisak koji deluje na jediničnu površinu površine zaptivanja. Nastaje zbog razlike tlaka između prednjeg i stražnjeg dijela ventila i vanjske sile zaptivanja. Veličina specifičnog pritiska direktno utiče na performanse zaptivanja, pouzdanost i radni vek kuglastog ventila. Curenje je obrnuto proporcionalno razlici tlaka. Ispitivanja su pokazala da je pod istim drugim uvjetima curenje obrnuto proporcionalno kvadratu razlike tlaka, pa se curenje smanjuje s povećanjem razlike tlaka. Budući da je razlika tlaka važan faktor koji određuje specifični tlak zaptivanja, specifični pritisak zaptivanja je ključan za performanse zaptivanja kriogenih kugličnih ventila. Specifični pritisak za zaptivanje koji se primenjuje na loptu ne bi trebalo da bude prevelik. Iako je veći specifični pritisak koristan za zaptivanje, on će povećati radni moment ventila. Stoga je razuman izbor specifičnog pritiska zaptivanja pretpostavka da se osigura zaptivanje kriogenih kuglastih ventila.
3.3 Fizička svojstva fluida
3.3.1 Viskoznost
Propustljivost tečnosti je usko povezana sa njenim viskozitetom. Pod istim drugim uslovima, što je viskozitet fluida veći, to je niža njegova permeabilnost. Viskoznost gasa i tečnosti se značajno razlikuje. ① Viskozitet gasa je desetine puta manji od viskoziteta tečnosti, tako da je njegova permeabilnost jača od tečnosti. Međutim, zasićena para je izuzetak, koju je lako zatvoriti. ② Komprimovani gas je skloniji curenju nego tečnost.
3.3.2 Temperatura
Propustljivost tekućine ovisi o temperaturi koja uzrokuje promjenu viskoziteta. Viskoznost plina raste s porastom temperature i proporcionalna je kvadratnom korijenu temperature plina. Naprotiv, viskoznost tečnosti naglo opada sa porastom temperature i obrnuto je proporcionalna kocki temperature. Osim toga, promjena dimenzija dijela uzrokovana promjenom temperature dovest će do promjena tlaka zaptivanja u području zaptivanja i može oštetiti brtvu. Njegov uticaj je posebno značajan za zaptivanje niskotemperaturnih fluida. Budući da je zaptivni par u kontaktu sa fluidom obično niže temperature od dijelova koji nose silu{6}}, to uzrokuje da se komponente zaptivnog para skupljaju i opuštaju. Zaptivanje na niskim temperaturama je složeno, a većina materijala za brtvljenje propada na niskim temperaturama. Stoga pri odabiru materijala za brtvljenje treba uzeti u obzir utjecaj temperature.
3.3.3 Hidrofilnost površine
Utjecaj hidrofilnosti površine na curenje uzrokovan je karakteristikama kapilarnih pora. Kada na površini postoji tanak uljni film, hidrofilnost kontaktne površine je uništena i kanal fluida je blokiran, pa je potrebna veća razlika tlaka da bi tekućina prošla kroz kapilarne pore. Stoga neki kuglični ventili koriste mast za brtvljenje kako bi poboljšali performanse zaptivanja i vijek trajanja. Kada koristite mast za zaptivanje, treba obratiti pažnju na dopunu masti ako se uljni film smanji tokom upotrebe. Mast koja se koristi ne bi trebalo da bude rastvorljiva u tečnom mediju, niti da ispari, stvrdne ili podleže drugim hemijskim promenama. Kriogeni kuglični ventili nisu prikladni za korištenje zaptivne masti, jer će većina masti ostaknuti pod ultra-uvjetima niske temperature.
3.4 Strukturne dimenzije
3.4.1 Struktura zaptivnog para
Budući da zaptivni par nije apsolutno krut, njegove strukturne dimenzije će se neizbježno promijeniti pod djelovanjem sile zaptivanja ili promjene temperature. Ovo će promijeniti silu interakcije između zaptivnih parova, što će rezultirati smanjenim performansama zaptivanja. Da bi se nadoknadila ova promjena, brtva bi trebala imati određenu elastičnu deformaciju. Trenutno, neka sjedišta kugličnih ventila imaju strukturni oblik sa elastičnom kompenzacijom ili metalnom elastičnom potporom, a neke kugle također imaju elastičnu kugličnu strukturu. Ovo su pozitivni oblici za poboljšanje performansi zaptivanja.
3.4.2 Širina zaptivne površine
Širina zaptivne površine određuje dužinu kapilarnih pora. Kada se širina povećava, put kretanja tekućine duž kapilarnih pora se proporcionalno povećava, dok se curenje smanjuje obrnuto. Ali u stvari, to nije slučaj jer se kontaktne površine zaptivnih parova ne mogu u potpunosti postaviti. Nakon deformacije, širina zaptivne površine ne može u potpunosti igrati efikasnu ulogu zaptivanja. S druge strane, povećanje širine brtvene površine zahtijeva povećanje potrebne sile zaptivanja. Stoga je važan i razuman odabir širine površine za zaptivanje.
3.4.3 Veličina zaptivnog prstena
Kriogeni kuglični ventili uglavnom koriste PCTFE zaptivne prstenove. Koeficijent linearne ekspanzije PCTFE na niskim temperaturama je mnogo veći od koeficijenta metala. Stoga će se PCTFE zaptivni prsten skupiti na niskim temperaturama, što će rezultirati smanjenim specifičnim pritiskom zaptivanja sa kuglom i stvaranjem kanala za curenje sa sjedištem ventila. Stoga je veličina PCTFE zaptivnog prstena također važan faktor koji utječe na zaptivanje kriogenih kugličnih ventila. Utjecaj skupljanja veličine pri niskim temperaturama treba uzeti u obzir u projektu, a u procesu treba usvojiti i postupak hladnog sklapanja.
4. Zaključak
Imajući za cilj zajednički fenomen unutrašnjeg curenja kriogenih kugličnih ventila u postojećim terminalima za prijem LNG-a, na osnovu kriterijuma projektovanja kriogenih ventila i osnovne teorije zaptivanja ventila, ovaj rad analizira faktore koji utiču na zaptivanje kriogenih kugličnih ventila, uključujući kvalitet zaptivnog para, zaptivnu veličinu i specifičan pritisak fluida i fizička svojstva zaptivne strukture. Postoji mnogo drugih faktora koji utiču na zaptivanje kriogenih kugličnih ventila, kao što je krutost
lopte i da li je centar lopte
koncentrično sa zaptivnom površinom sjedišta ventila tokom montaže. Specifični pritisak zaptivanja i struktura i veličina zaptivnog para su važni faktori koji utiču na zaptivanje kriogenih kuglastih ventila, koji se moraju u potpunosti uzeti u obzir pri projektovanju.
