1. Yleiskatsaus
Palloventtiilejä käytetään laajasti erilaisissa työolosuhteissa niiden yksinkertaisen rakenteen, pienen asennustilan ja keskisuuren tiivistysvoiman ansiosta ilman, että ulkoiset käyttövoimat vaikuttavat niihin. Tällä hetkellä kryogeenisiä palloventtiilejä käytetään yleisesti LNG:n vastaanottoterminaaleissa, ja niiden osuus on 80 % tällaisten terminaalien venttiilien kokonaismäärästä. Kryogeenisten palloventtiilien sisäistä vuotoa tapahtuu kuitenkin käytön aikana. Tässä artikkelissa analysoidaan kryogeenisten palloventtiilien tiivistykseen vaikuttavia tekijöitä kryogeenisten venttiilien suunnittelukriteerien ja venttiilin tiivistyksen perusteorian pohjalta.
2. Suunnittelukriteerit
Äärimmäisen alhainen käyttölämpötila asettaa joukon teknisiä haasteita kryogeenisten venttiilien suunnittelulle ja valmistukselle, kuten materiaalin valinnalle,{0}}matalien lämpötilojen tiivistämiselle, rakennesuunnittelulle, liuoskäsittelylle, syväjäähdytyskäsittelylle, lämmöneristykselle, laaduntarkastukselle, huollolle ja turvallisuudelle. Siksi kryogeenisten venttiilien suunnittelulle on olemassa sarja tiukkoja standardeja. Kansainvälisesti tärkeimmät käytetyt standardit ovat
BS6364 "Kryogeeniset venttiilit" ja MSSSP-134 "Kryogeeniset venttiilit ja niiden vaatimukset
Extended Body/Bonnet". Nämä kaksi standardia määrittelevät kattavasti kryogeenisten venttiilien suunnittelun ja valmistuksen keskeiset kohdat ja säännöt. Standardi JB/T7749 "Technical Specifications for Cryogenic Valves" on muutettu BS6364:stä "Kryogeeniset venttiilit".
Kryogeenisten venttiilien suunnittelussa tulee noudattaa yleisten venttiilisuunnitteluperiaatteiden lisäksi kryogeenisten venttiilien suunnittelulle asetettuja erityisvaatimuksia käyttöolosuhteiden mukaan.
① Venttiili ei saa olla merkittävä lämmönlähde matalan{0}}lämpötilan järjestelmässä. Tämä johtuu siitä, että lämmön sisäänvirtaus ei ainoastaan vähennä lämpötehokkuutta, vaan aiheuttaa myös nopean sisäisen nesteen haihtumisen, jos sitä on liikaa, mikä johtaa epänormaaliin paineen nousuun ja mahdolliseen vaaraan.
② Alhaisen-lämpötilan väliaineen ei pitäisi vaikuttaa haitallisesti käsipyörän toimintaan ja tiivisteen tiivisteen suorituskykyyn.
③ Venttiilikokoonpanoissa, jotka ovat suorassa kosketuksessa matalan-lämpötilojen kanssa, tulee olla räjähdys--- ja tulenkestäviä rakenteita-.
④ Alhaisissa lämpötiloissa toimivia venttiilikokoonpanoja ei voi voidella, joten on ryhdyttävä rakenteellisiin toimenpiteisiin kitkaosien kulumisen estämiseksi.
Kryogeenisten venttiilien suunnittelussa on yleisten vaatimusten, kuten virtauskapasiteetin, huomioimisen lisäksi otettava huomioon myös muut indikaattorit kryogeenisten venttiilien teknisen tason arvioimiseksi paremmin. Yleensä kryogeenisten venttiilien teknistä tasoa arvioidaan mittaamalla energiankulutuksen rationaalisuutta.
① Kryogeenisten venttiilien lämmöneristyskyky.
② Kryogeenisten venttiilien jäähdytysteho.
③ Kryogeenisten venttiilien avaus- ja sulkemistiivisteiden toimintakyky.
④ Olosuhteet, joissa kryogeenisten venttiilien pinnalla ei ole jäätä.
Kryogeenisten venttiilien työympäristö on aivan erilainen kuin yleiskäyttöisten{0}}venttiilien. Kryogeenisten venttiilien suunnittelun, valmistuksen ja tarkastuksen aikana venttiilien suunnittelua, valmistusta ja tarkastusta koskevien yleisten sääntöjen noudattamisen lisäksi on tehtävä asianmukaiset säädöt kryogeenisten venttiilien ympäristön mukaan.
3. Tiivistyselementit
Vaikka palloventtiilien rakenne on yksinkertainen, koska ne ovat keskipaineisia itsetiivistyviä{0}}venttiilejä ja niillä on erityinen pallorakenne, palloventtiilien lopulliseen tiivistyskykyyn vaikuttaa monia tekijöitä.
3.1 Tiivistysparin laatu
Palloventtiilin tiivisteparin laatu heijastuu pääasiassa pallon pyöreydestä sekä pallon ja venttiilin tiivistepintojen pinnan karheudesta
istuin. Pallon pyöreys
vaikuttaa pallon ja venttiilin istukan väliseen sovitusasteeseen. Korkeampi sovitusaste lisää nesteen liikkeen vastusta tiivistyspintaa pitkin, mikä parantaa tiivistyskykyä. Yleensä pallon pyöreyden vaaditaan olevan 9.
Tiivistepinnan pinnan viimeistelyllä on merkittävä vaikutus tiivistykseen. Kun viimeistely on alhainen ja ominaispaine pieni, vuoto lisääntyy. Kun ominaispaine on suuri, viimeistelyn vaikutus vuotoon vähenee merkittävästi, koska tiivistepinnan mikroskooppiset hammastetut piikit tasoittuvat. Pehmeän tiivistyspinnan viimeistelyn vaikutus tiivistyskykyyn on paljon pienempi kuin metalli---metallitiivisteen.
Sen näkemyksen perusteella, että nestevuoto voidaan estää vain, kun tiivisteparien välinen rako on pienempi kuin nestemolekyylin halkaisija, voidaan katsoa, että nestevuotoja estävän raon tulee olla pienempi kuin 0,003 μm. Kuitenkin jopa hienoksi jauhetun metallipinnan huippukorkeus ylittää edelleen 0,1 μm, mikä on 30 kertaa suurempi kuin vesimolekyylien halkaisija. Voidaan nähdä, että tiivistyskykyä on itse asiassa vaikea parantaa vain lisäämällä tiivistyspinnan pintakäsittelyä. Tiivistystehokkuuden lisäksi tiivisteparin laatu vaikuttaa suoraan palloventtiilin käyttöikään. Siksi tiivisteparin laatua on parannettava valmistuksen aikana.
3.2 Tiivistyksen ominaispaine
Tiivistyspaineella tarkoitetaan painetta, joka vaikuttaa tiivistyspinnan pinta-alayksikköön. Se syntyy venttiilin etu- ja takaosan välisestä paine-erosta ja ulkoisesta tiivistysvoimasta. Ominaispaineen suuruus vaikuttaa suoraan palloventtiilin tiivistyskykyyn, luotettavuuteen ja käyttöikään. Vuoto on kääntäen verrannollinen paine-eroon. Testit ovat osoittaneet, että samoissa muissa olosuhteissa vuoto on kääntäen verrannollinen paine-eron neliöön, joten vuoto pienenee paine-eron kasvaessa. Koska paine-ero on tärkeä tekijä, joka määrittää tiivistyksen ominaispaineen, tiivistysominaispaine on ratkaiseva kryogeenisten palloventtiilien tiivistyskyvyn kannalta. Kuuloon kohdistetun tiivistyspaineen ei tulisi olla liian suuri. Vaikka suurempi ominaispaine on edullinen tiivistykseen, se lisää venttiilin käyttömomenttia. Siksi tiivistyskohtaisen paineen kohtuullinen valinta on lähtökohta kryogeenisten palloventtiilien tiiviyden varmistamiseksi.
3.3 Nesteen fyysiset ominaisuudet
3.3.1 Viskositeetti
Nesteen läpäisevyys liittyy läheisesti sen viskositeettiin. Samoissa muissa olosuhteissa mitä korkeampi nesteen viskositeetti, sitä pienempi sen läpäisevyys. Kaasun ja nesteen viskositeetti vaihtelee suuresti. ① Kaasun viskositeetti on kymmeniä kertoja pienempi kuin nesteen, joten sen läpäisevyys on vahvempi kuin nesteen. Poikkeuksena on kuitenkin kylläinen höyry, joka on helppo sulkea. ② Puristettu kaasu vuotaa herkemmin kuin neste.
3.3.2 Lämpötila
Nesteen läpäisevyys riippuu lämpötilasta, joka aiheuttaa viskositeetin muutoksen. Kaasun viskositeetti kasvaa lämpötilan noustessa ja on verrannollinen kaasun lämpötilan neliöjuureen. Päinvastoin, nesteen viskositeetti laskee jyrkästi lämpötilan noustessa ja on kääntäen verrannollinen lämpötilakuutioon. Lisäksi lämpötilan muutoksen aiheuttama osien mittojen muutos johtaa tiivistyspaineen muutoksiin tiivistysalueella ja voi vahingoittaa tiivistettä. Sen vaikutus on erityisen merkittävä matalan lämpötilan -nesteiden tiivistämisessä. Koska nesteen kanssa kosketuksissa olevan tiivisteparin lämpötila on yleensä alhaisempi kuin voimaa{6}}kannattavien osien lämpötila, tämä saa tiivisteparin komponentit kutistumaan ja rentoutumaan. Tiivistys matalissa lämpötiloissa on monimutkaista, ja useimmat tiivistysmateriaalit epäonnistuvat matalissa lämpötiloissa. Siksi lämpötilan vaikutus tulee ottaa huomioon valittaessa tiivistemateriaaleja.
3.3.3 Pinnan hydrofiilisyys
Pinnan hydrofiilisyyden vaikutus vuotoon johtuu kapillaarihuokosten ominaisuuksista. Kun pinnalla on ohut öljykalvo, kosketuspinnan hydrofiilisyys tuhoutuu ja nestekanava tukkeutuu, joten tarvitaan suurempi paine-ero, jotta neste kulkee kapillaarihuokosten läpi. Siksi joissakin palloventtiileissä käytetään tiivistysrasvaa tiivistyksen suorituskyvyn ja käyttöiän parantamiseksi. Käytettäessä rasvaa tiivistykseen on kiinnitettävä huomiota rasvan täydentämiseen, jos öljykalvo pienenee käytön aikana. Käytetty rasva ei saa olla nestemäiseen väliaineeseen liukenevaa, eikä se saa haihtua, kovettua tai käydä läpi muita kemiallisia muutoksia. Kryogeeniset palloventtiilit eivät sovellu tiivistysrasvan käyttöön, koska useimmat rasvat lasittuvat erittäin-alhaisissa lämpötiloissa.
3.4 Rakenteelliset mitat
3.4.1 Tiivisteparin rakenne
Koska tiivistepari ei ole täysin jäykkä, sen rakenteelliset mitat muuttuvat väistämättä tiivistysvoiman tai lämpötilan muutoksen vaikutuksesta. Tämä muuttaa tiivistysparien välistä vuorovaikutusvoimaa, mikä heikentää tiivistystehoa. Tämän muutoksen kompensoimiseksi tiivisteellä tulee olla tietty elastinen muodonmuutos. Tällä hetkellä jotkin palloventtiilin istukat ottavat rakenteellisen muodon elastisella kompensaatiolla tai metallikimmoisella tuella, ja jotkut pallot ottavat myös elastisen pallorakenteen. Nämä ovat positiivisia muotoja tiivistyskyvyn parantamiseksi.
3.4.2 Tiivistyspinnan leveys
Tiivistyspinnan leveys määrää kapillaarihuokosten pituuden. Kun leveys kasvaa, nesteen liikerata kapillaarihuokosia pitkin kasvaa suhteellisesti, kun taas vuoto vähenee käänteisesti. Mutta itse asiassa näin ei ole, koska tiivisteparien kosketuspintoja ei voida sovittaa täysin. Muodonmuutoksen jälkeen tiivistyspinnan leveys ei voi täysin toimia tehokkaasti tiivistävänä roolina. Toisaalta tiivistyspinnan leveyden lisääminen edellyttää vaaditun tiivistysvoiman lisäämistä. Siksi myös tiivistyspinnan leveyden järkevä valinta on tärkeää.
3.4.3 Tiivistysrenkaan koko
Kryogeenisissä palloventtiileissä käytetään yleensä PCTFE-tiivisterenkaita. PCTFE:n lineaarinen laajenemiskerroin matalissa lämpötiloissa on paljon korkeampi kuin metallin. Siksi PCTFE-tiivisterengas kutistuu matalissa lämpötiloissa, mikä johtaa pienentyneeseen tiivistyspaineeseen pallon kanssa ja vuotokanavien muodostumiseen venttiilin istukan kanssa. Siksi PCTFE-tiivisterenkaan koko on myös tärkeä kryogeenisten palloventtiilien tiivistykseen vaikuttava tekijä. Koko kutistumisen vaikutus alhaisissa lämpötiloissa tulee ottaa huomioon suunnittelussa ja kylmäkokoonpanoprosessi tulee ottaa käyttöön prosessissa.
4. Johtopäätös
Tavoitteena kryogeenisten palloventtiilien yleinen sisäinen vuotoilmiö olemassa olevissa LNG:n vastaanottoterminaaleissa, kryogeenisten venttiilien suunnittelukriteerien ja venttiilitiivistyksen perusteorian pohjalta, tässä artikkelissa analysoidaan kryogeenisten palloventtiilien tiivistykseen vaikuttavia tekijöitä, mukaan lukien tiivisteparin laatu, tiivistyspaine, nesteen fysikaaliset ominaisuudet sekä tiivisteparin rakenne ja koko. Kryogeenisten palloventtiilien tiivistykseen vaikuttavat monet muut tekijät, kuten jäykkyys
pallosta ja onko pallon keskipiste
samankeskinen venttiilin istukan tiivistepinnan kanssa asennuksen aikana. Tiivistysominaispaine sekä tiivisteparin rakenne ja koko ovat tärkeitä kryogeenisten palloventtiilien tiivistykseen vaikuttavia tekijöitä, jotka tulee ottaa täysin huomioon suunnittelussa.
