1. Visão geral
As válvulas esfera são amplamente utilizadas em diversas condições de trabalho devido à sua estrutura simples, pequeno espaço de instalação e dependência de força média para vedação sem serem afetadas por forças motrizes externas. Atualmente, válvulas de esfera criogênicas são comumente adotadas em terminais de recebimento de GNL, representando 80% do número total de válvulas nesses terminais. No entanto, ocorre vazamento interno das válvulas esféricas criogênicas durante a operação. Com base nos critérios de projeto de válvulas criogênicas e na teoria básica do desempenho de vedação de válvulas, este artigo analisa os fatores que afetam a vedação de válvulas esfera criogênicas.
2. Critérios de Projeto
A temperatura operacional extremamente baixa representa uma série de desafios técnicos para o projeto e fabricação de válvulas criogênicas, como seleção de materiais, vedação em baixa-temperatura, projeto estrutural, tratamento de solução, tratamento de resfriamento profundo, isolamento térmico, inspeção de qualidade, manutenção e segurança. Portanto, há uma série de padrões rígidos para o projeto de válvulas criogênicas. Internacionalmente, os principais padrões utilizados são
BS6364 "Válvulas Criogênicas" e MSSSP-134 "Requisitos para Válvulas Criogênicas e Seus
Corpo/Capô Estendido". Esses dois padrões especificam de forma abrangente os pontos-chave e as regras para o projeto e fabricação de válvulas criogênicas. O padrão JB/T7749 "Especificações Técnicas para Válvulas Criogênicas" foi transformado de BS6364 "Válvulas Criogênicas".
No projeto de válvulas criogênicas, além de seguir os princípios gerais de projeto de válvulas, devem ser atendidos requisitos especiais para projeto de válvula criogênica de acordo com as condições de operação.
① A válvula não deve ser uma fonte significativa de calor para o sistema-de baixa temperatura. Isso ocorre porque o fluxo de calor não apenas reduz a eficiência térmica, mas também causa a rápida evaporação do fluido interno, se for excessivo, levando a um aumento anormal da pressão e a um perigo potencial.
② O meio-de baixa temperatura não deve ter um impacto prejudicial na operação do volante e no desempenho da vedação da gaxeta.
③ Os conjuntos de válvulas em contato direto com meios-de baixa temperatura devem ter estruturas-à prova de explosão e resistentes ao fogo-.
④ Os conjuntos de válvulas que operam em baixas temperaturas não podem ser lubrificados, portanto, medidas estruturais precisam ser tomadas para evitar a abrasão das peças de atrito.
No processo de projeto de válvulas criogênicas, além de considerar requisitos gerais como capacidade de vazão, outros indicadores precisam ser levados em consideração para melhor avaliar o nível técnico das válvulas criogênicas. Normalmente, o nível técnico das válvulas criogênicas é avaliado medindo a racionalidade do consumo de energia.
① Desempenho de isolamento térmico de válvulas criogênicas.
② Desempenho de resfriamento de válvulas criogênicas.
③ Desempenho de trabalho de abertura e fechamento de vedações de válvulas criogênicas.
④ Condições para não haver formação de gelo na superfície das válvulas criogênicas.
O ambiente de trabalho das válvulas criogênicas é bastante diferente daquele das válvulas-de uso geral. No processo de projeto, fabricação e inspeção de válvulas criogênicas, além de cumprir as regras gerais para projeto, fabricação e inspeção de válvulas, ajustes apropriados devem ser feitos de acordo com o ambiente das válvulas criogênicas.
3. Elementos de vedação
Embora a estrutura das válvulas esfera seja simples, já que são válvulas auto{0}vedantes de média pressão e possuem uma estrutura esférica especial, há muitos fatores que afetam o desempenho final da vedação das válvulas esfera.
3.1 Qualidade do Par de Vedação
A qualidade do par de vedação da válvula esférica reflete-se principalmente na redondeza da esfera e na rugosidade da superfície de vedação da esfera e da válvula
assento. A redondeza da bola
afeta o grau de ajuste entre a esfera e a sede da válvula. Um maior grau de ajuste aumenta a resistência ao movimento do fluido ao longo da superfície de vedação, melhorando assim o desempenho da vedação. Geralmente, a circularidade da bola deve ser de grau 9.
O acabamento superficial da superfície de vedação tem um impacto significativo na vedação. Quando o acabamento é baixo e a pressão específica é pequena, o vazamento aumenta. Quando a pressão específica é grande, o impacto do acabamento no vazamento diminui significativamente porque os picos microscópicos serrilhados na superfície de vedação são achatados. O impacto do acabamento da superfície de vedação macia no desempenho da vedação é muito menor do que o da vedação rígida de metal-com{4}}metal.
Com base na visão de que o vazamento de fluido pode ser evitado somente quando a folga entre os pares de vedação for menor que o diâmetro da molécula de fluido, pode-se considerar que a folga para evitar o vazamento de fluido deve ser inferior a 0,003 μm. No entanto, mesmo a altura do pico de uma superfície metálica finamente moída ainda excede 0,1 μm, que é 30 vezes maior que o diâmetro das moléculas de água. Pode-se observar que é realmente difícil melhorar o desempenho da vedação apenas aumentando o acabamento superficial da superfície de vedação. Além de afetar o desempenho da vedação, a qualidade do par de vedação afeta diretamente a vida útil da válvula esfera. Portanto, a qualidade do par de vedação deve ser melhorada durante a fabricação.
3.2 Pressão Específica de Vedação
A pressão específica de vedação refere-se à pressão que atua na área unitária da superfície de vedação. É gerado pela diferença de pressão entre a parte frontal e traseira da válvula e a força de vedação externa. A magnitude da pressão específica afeta diretamente o desempenho de vedação, a confiabilidade e a vida útil da válvula esfera. O vazamento é inversamente proporcional à diferença de pressão. Os testes mostraram que, nas mesmas outras condições, o vazamento é inversamente proporcional ao quadrado da diferença de pressão, portanto o vazamento diminui com o aumento da diferença de pressão. Como a diferença de pressão é um fator importante que determina a pressão específica de vedação, a pressão específica de vedação é crucial para o desempenho de vedação das válvulas esfera criogênicas. A pressão específica de vedação aplicada à esfera não deve ser muito grande. Embora uma pressão específica maior seja benéfica para a vedação, ela aumentará o torque operacional da válvula. Portanto, a seleção razoável da pressão específica de vedação é a premissa para garantir a vedação das válvulas de esfera criogênicas.
3.3 Propriedades Físicas do Fluido
3.3.1 Viscosidade
A permeabilidade do fluido está intimamente relacionada à sua viscosidade. Nas mesmas outras condições, quanto maior for a viscosidade do fluido, menor será a sua permeabilidade. A viscosidade do gás e do líquido difere muito. ① A viscosidade do gás é dezenas de vezes menor que a do líquido, portanto sua permeabilidade é mais forte que a do líquido. Porém, o vapor saturado é uma exceção, que é fácil de selar. ② O gás comprimido é mais sujeito a vazamentos do que o líquido.
3.3.2 Temperatura
A permeabilidade do fluido depende da temperatura que causa alteração na viscosidade. A viscosidade do gás aumenta com o aumento da temperatura e é proporcional à raiz quadrada da temperatura do gás. Pelo contrário, a viscosidade do líquido diminui acentuadamente com o aumento da temperatura e é inversamente proporcional ao cubo da temperatura. Além disso, a alteração nas dimensões das peças causada pela mudança de temperatura levará a alterações na pressão de vedação na área de vedação e poderá danificar a vedação. Seu impacto é particularmente significativo para a vedação de fluidos-de baixa temperatura. Como o par de vedação em contato com o fluido geralmente tem temperatura mais baixa do que as peças que suportam a força, isso faz com que os componentes do par de vedação encolham e relaxem. A vedação em baixas temperaturas é complexa e a maioria dos materiais de vedação falha em baixas temperaturas. Portanto, a influência da temperatura deve ser considerada ao selecionar os materiais de vedação.
3.3.3 Hidrofilicidade de Superfície
O impacto da hidrofilicidade superficial no vazamento é causado pelas características dos poros capilares. Quando há uma fina película de óleo na superfície, a hidrofilicidade da superfície de contato é destruída e o canal do fluido é bloqueado, portanto, é necessária uma diferença de pressão maior para fazer o fluido passar pelos poros capilares. Portanto, algumas válvulas de esfera usam graxa de vedação para melhorar o desempenho da vedação e a vida útil. Ao usar graxa para vedação, deve-se prestar atenção à suplementação de graxa caso a película de óleo diminua durante o uso. A graxa utilizada não deve ser solúvel no meio fluido, nem deve evaporar, endurecer ou sofrer outras alterações químicas. As válvulas de esfera criogênicas não são adequadas para usar graxa de vedação, pois a maioria das graxas vitrifica sob condições de temperatura ultra-baixa.
3.4 Dimensões Estruturais
3.4.1 Estrutura do Par de Vedação
Como o par de vedação não é absolutamente rígido, suas dimensões estruturais mudarão inevitavelmente sob a ação da força de vedação ou da mudança de temperatura. Isto alterará a força de interação entre os pares de vedação, resultando em desempenho de vedação reduzido. Para compensar esta alteração, a vedação deve apresentar uma certa deformação elástica. Atualmente, algumas sedes de válvulas esféricas adotam uma forma estrutural com compensação elástica ou suporte elástico metálico, e algumas esferas também adotam uma estrutura esférica elástica. Estas são formas positivas para melhorar o desempenho da vedação.
3.4.2 Largura da Superfície de Vedação
A largura da superfície de vedação determina o comprimento dos poros capilares. Quando a largura aumenta, o caminho do movimento do fluido ao longo dos poros capilares aumenta proporcionalmente, enquanto o vazamento diminui inversamente. Mas, na verdade, este não é o caso porque as superfícies de contacto dos pares de vedação não podem ser totalmente encaixadas. Após a deformação, a largura da superfície de vedação não pode desempenhar totalmente um papel de vedação eficaz. Por outro lado, o aumento na largura da superfície de vedação requer um aumento na força de vedação necessária. Portanto, a seleção razoável da largura da superfície de vedação também é importante.
3.4.3 Tamanho do Anel de Vedação
As válvulas de esfera criogênicas geralmente usam anéis de vedação PCTFE. O coeficiente de expansão linear do PCTFE em baixas temperaturas é muito maior que o do metal. Portanto, o anel de vedação PCTFE encolherá em baixas temperaturas, resultando na redução da pressão específica de vedação com a esfera e na formação de canais de vazamento com a sede da válvula. Portanto, o tamanho do anel de vedação PCTFE também é um fator importante que afeta a vedação de válvulas esféricas criogênicas. A influência da contração dimensional em baixas temperaturas deve ser considerada no projeto, e o processo de montagem a frio deve ser adotado no processo.
4. Conclusão
Visando o fenômeno comum de vazamento interno de válvulas de esfera criogênicas em terminais de recebimento de GNL existentes, com base nos critérios de projeto de válvulas criogênicas e na teoria básica de vedação de válvula, este artigo analisa os fatores que afetam a vedação de válvulas de esfera criogênicas, incluindo a qualidade do par de vedação, pressão específica de vedação, propriedades físicas do fluido e a estrutura e tamanho do par de vedação. Existem muitos outros fatores que afetam a vedação de válvulas esféricas criogênicas, como a rigidez
da bola e se o centro da bola está
concêntrico com a superfície de vedação da sede da válvula durante a montagem. A pressão específica de vedação e a estrutura e tamanho do par de vedação são fatores importantes que afetam a vedação de válvulas esfera criogênicas, que devem ser totalmente considerados no projeto.
