1. بررسی اجمالی
شیرهای توپی به دلیل ساختار ساده، فضای نصب کم و اتکا به نیروی متوسط برای آب بندی بدون تأثیر نیروهای محرکه خارجی، در شرایط کاری مختلف کاربرد فراوانی دارند. در حال حاضر، شیرهای توپی برودتی معمولاً در پایانههای دریافت LNG استفاده میشوند که 80 درصد از تعداد کل دریچهها در این پایانهها را تشکیل میدهند. با این حال، نشت داخلی شیرهای توپی برودتی در حین کار رخ می دهد. این مقاله بر اساس معیارهای طراحی شیرهای برودتی و تئوری اساسی عملکرد آب بندی شیر، عوامل موثر بر آب بندی شیرهای توپی برودتی را تحلیل می کند.
2. معیارهای طراحی
دمای عملیاتی بسیار پایین مجموعهای از چالشهای فنی را برای طراحی و ساخت دریچههای برودتی ایجاد میکند، مانند انتخاب مواد، آببندی با دمای پایین-، طراحی ساختاری، تصفیه محلول، عملیات خنکسازی عمیق، عایق حرارتی، بازرسی کیفیت، نگهداری و ایمنی. بنابراین یک سری استانداردهای سختگیرانه برای طراحی شیرهای برودتی وجود دارد. در سطح بین المللی، استانداردهای اصلی مورد استفاده هستند
BS6364 "دریچه های برودتی" و MSSSP-134 "نیازها برای دریچه های برودتی و آنها"
Extended Body/Bonnet". این دو استاندارد به طور جامع نکات و قوانین کلیدی را برای طراحی و ساخت شیرهای برودتی مشخص می کنند. استاندارد JB/T7749 "مشخصات فنی برای شیرهای برودتی" از BS6364 "شیرهای برودتی" تغییر یافته است.
در طراحی شیرهای برودتی علاوه بر رعایت اصول کلی طراحی شیر، الزامات ویژه طراحی شیر برودتی با توجه به شرایط کار باید رعایت شود.
① شیر نباید منبع گرمای قابل توجهی برای سیستم-درجه حرارت پایین باشد. این به این دلیل است که جریان گرما نه تنها بازده حرارتی را کاهش می دهد، بلکه در صورت زیاد بودن بیش از حد باعث تبخیر سریع سیال داخلی می شود که منجر به افزایش غیرعادی فشار و خطر بالقوه می شود.
② محیط دمای پایین- نباید تأثیر مضری بر عملکرد چرخ دستی و عملکرد مهر و موم بسته بندی داشته باشد.
③ مجموعههای شیر در تماس مستقیم با محیطهای{0}در دمای پایین باید دارای ساختارهای مقاوم در برابر انفجار و آتش- باشند.
④ مجموعه های سوپاپ که در دماهای پایین کار می کنند نمی توانند روغن کاری شوند، بنابراین باید اقدامات ساختاری برای جلوگیری از ساییدگی قطعات اصطکاک انجام شود.
در فرآیند طراحی شیرهای برودتی علاوه بر در نظر گرفتن الزامات عمومی مانند ظرفیت جریان، شاخص های دیگری نیز برای ارزیابی بهتر سطح فنی دریچه های برودتی لازم است. معمولاً سطح فنی شیرهای برودتی با اندازه گیری منطقی بودن مصرف انرژی ارزیابی می شود.
① عملکرد عایق حرارتی دریچه های برودتی.
② عملکرد خنک کننده دریچه های برودتی.
③ عملکرد کاری مهر و موم باز و بسته شدن دریچه های برودتی.
④ شرایط برای عدم یخ زدن روی سطح دریچه های برودتی.
محیط کار دریچه های برودتی کاملاً متفاوت از دریچه های-منظوره عمومی است. در فرآیند طراحی، ساخت و بازرسی شیرهای برودتی، علاوه بر رعایت قوانین کلی طراحی، ساخت و بازرسی شیر، تنظیمات مناسب با توجه به محیط شیرهای برودتی انجام شود.
3. عناصر آب بندی
اگرچه ساختار شیرهای توپی ساده است، زیرا آنها دریچههای خود{0}}فشار متوسط هستند و ساختار توپی خاصی دارند، عوامل زیادی بر عملکرد آببندی نهایی شیرهای توپی تأثیر میگذارند.
3.1 کیفیت جفت آب بندی
کیفیت جفت آب بندی شیر توپ عمدتاً در گرد بودن توپ و زبری سطح سطوح آب بندی توپ و شیر منعکس می شود.
صندلی گرد بودن توپ
بر درجه تناسب بین توپ و نشیمنگاه سوپاپ تأثیر می گذارد. درجه تناسب بالاتر مقاومت حرکت سیال را در امتداد سطح آب بندی افزایش می دهد و در نتیجه عملکرد آب بندی را بهبود می بخشد. به طور کلی، گرد بودن توپ باید درجه 9 باشد.
پرداخت سطح سطح آب بندی تاثیر بسزایی در آب بندی دارد. هنگامی که پرداخت کم و فشار خاص کم است، نشتی افزایش می یابد. هنگامی که فشار ویژه زیاد باشد، تاثیر پوشش بر نشتی به طور قابل توجهی کاهش می یابد زیرا قله های دندانه دار میکروسکوپی روی سطح آب بندی مسطح می شوند. تاثیر روکش سطح نرم درزگیری بر عملکرد آب بندی بسیار کمتر از آب بندی صلب-به-فلز است.
بر اساس این دیدگاه که تنها زمانی می توان از نشت سیال جلوگیری کرد که شکاف بین جفت های آب بندی کوچکتر از قطر مولکول سیال باشد، می توان در نظر گرفت که شکاف برای جلوگیری از نشت سیال باید کمتر از 0.003 میکرومتر باشد. با این حال، حتی ارتفاع قله یک سطح فلزی ریز آسیاب شده هنوز از 0.1 میکرومتر فراتر می رود که 30 برابر بزرگتر از قطر مولکول های آب است. مشاهده می شود که در واقع بهبود عملکرد آب بندی تنها با افزایش سطح سطح آب بندی دشوار است. علاوه بر تأثیر بر عملکرد آب بندی، کیفیت جفت آب بندی مستقیماً بر عمر مفید شیر توپ تأثیر می گذارد. بنابراین، کیفیت جفت آب بندی باید در طول ساخت بهبود یابد.
3.2 فشار خاص آب بندی
فشار ویژه آب بندی به فشار وارد بر سطح واحد سطح آب بندی اشاره دارد. این توسط اختلاف فشار بین جلو و عقب شیر و نیروی آب بندی خارجی ایجاد می شود. مقدار فشار خاص مستقیماً بر عملکرد آب بندی، قابلیت اطمینان و عمر مفید شیر توپی تأثیر می گذارد. نشتی با اختلاف فشار نسبت معکوس دارد. آزمایشها نشان دادهاند که در شرایط دیگر، نشتی با مجذور اختلاف فشار نسبت معکوس دارد، بنابراین با افزایش اختلاف فشار، نشتی کاهش مییابد. از آنجایی که اختلاف فشار عامل مهمی برای تعیین فشار ویژه آب بندی است، فشار ویژه آب بندی برای عملکرد آب بندی شیرهای توپی برودتی بسیار مهم است. فشار مخصوص آب بندی اعمال شده به توپ نباید خیلی زیاد باشد. اگرچه فشار ویژه بزرگتر برای آب بندی مفید است، گشتاور عملکرد سوپاپ را افزایش می دهد. بنابراین، انتخاب معقول فشار خاص آب بندی، مقدمه ای برای اطمینان از آب بندی دریچه های توپی برودتی است.
3.3 خواص فیزیکی سیال
3.3.1 ویسکوزیته
نفوذپذیری سیال ارتباط نزدیکی با ویسکوزیته آن دارد. در شرایط دیگر، هر چه ویسکوزیته سیال بیشتر باشد، نفوذپذیری آن کمتر است. ویسکوزیته گاز و مایع بسیار متفاوت است. ① ویسکوزیته گاز ده ها برابر کوچکتر از مایع است، بنابراین نفوذپذیری آن قوی تر از مایع است. با این حال، بخار اشباع یک استثنا است که به راحتی آب بندی می شود. ② گاز فشرده بیشتر از مایع مستعد نشت است.
3.3.2 دما
نفوذپذیری سیال به دمایی بستگی دارد که باعث تغییر ویسکوزیته می شود. ویسکوزیته گاز با افزایش دما افزایش می یابد و متناسب با جذر دمای گاز است. در مقابل، ویسکوزیته مایع با افزایش دما به شدت کاهش می یابد و با مکعب دما نسبت معکوس دارد. علاوه بر این، تغییر در ابعاد قطعه ناشی از تغییر دما منجر به تغییر فشار آب بندی در ناحیه آب بندی شده و ممکن است به آب بند آسیب برساند. تأثیر آن به ویژه برای آب بندی سیالات با دمای پایین- قابل توجه است. از آنجایی که جفت آب بندی در تماس با سیال معمولاً از نظر دما کمتر از{6}}قطعات تحمل کننده نیرو است، این باعث می شود که اجزای جفت آب بندی منقبض شده و شل شوند. آب بندی در دماهای پایین پیچیده است و اکثر مواد آب بندی در دماهای پایین شکست می خورند. بنابراین، هنگام انتخاب مواد آب بندی باید تأثیر دما را در نظر گرفت.
3.3.3 آب دوستی سطح
تأثیر آب دوستی سطح بر نشت ناشی از خصوصیات منافذ مویرگی است. هنگامی که یک لایه روغن نازک روی سطح وجود دارد، آب دوستی سطح تماس از بین می رود و کانال سیال مسدود می شود، بنابراین برای عبور سیال از منافذ مویرگی، اختلاف فشار بیشتری لازم است. بنابراین، برخی از شیرهای توپی از گریس آب بندی برای بهبود عملکرد آب بندی و عمر مفید استفاده می کنند. هنگام استفاده از گریس برای آب بندی، در صورت کاهش لایه روغن در حین استفاده، باید به مکمل گریس توجه کرد. گریس مورد استفاده نباید در محیط سیال محلول باشد و همچنین نباید تبخیر، سفت و یا سایر تغییرات شیمیایی شود. دریچههای توپی برودتی برای استفاده از گریس آببندی مناسب نیستند، زیرا بیشتر گریسها در شرایط دمای بسیار پایین شیشهای میشوند.
3.4 ابعاد ساختاری
3.4.1 ساختار جفت آب بندی
از آنجایی که جفت آب بندی کاملاً صلب نیست، ابعاد ساختاری آن به ناچار تحت تأثیر نیروی آب بندی یا تغییر دما تغییر می کند. این امر نیروی برهمکنش بین جفت های آب بندی را تغییر می دهد و در نتیجه عملکرد آب بندی را کاهش می دهد. برای جبران این تغییر، آب بندی باید تغییر شکل الاستیک خاصی داشته باشد. در حال حاضر، برخی از صندلی های سوپاپ توپی یک فرم ساختاری با جبران الاستیک یا پشتیبانی الاستیک فلزی دارند و برخی از توپ ها نیز ساختار توپی الاستیک را اتخاذ می کنند. اینها اشکال مثبتی برای بهبود عملکرد آب بندی هستند.
3.4.2 عرض سطح آب بندی
عرض سطح آب بندی طول منافذ مویرگی را تعیین می کند. هنگامی که عرض افزایش می یابد، مسیر حرکت سیال در امتداد منافذ مویرگی به نسبت افزایش می یابد، در حالی که نشتی معکوس کاهش می یابد. اما در واقع اینطور نیست زیرا سطوح تماس جفت های آب بندی نمی توانند به طور کامل نصب شوند. پس از تغییر شکل، عرض سطح آب بندی نمی تواند نقش آب بندی موثری را به طور کامل ایفا کند. از طرفی افزایش عرض سطح آب بندی مستلزم افزایش نیروی آب بندی مورد نیاز است. بنابراین، انتخاب منطقی عرض سطح آب بندی نیز مهم است.
3.4.3 اندازه حلقه آب بندی
دریچه های توپی برودتی معمولاً از حلقه های آب بندی PCTFE استفاده می کنند. ضریب انبساط خطی PCTFE در دماهای پایین بسیار بیشتر از فلز است. بنابراین، حلقه آب بندی PCTFE در دماهای پایین منقبض می شود و در نتیجه فشار ویژه آب بندی با توپ کاهش می یابد و کانال های نشتی با صندلی سوپاپ ایجاد می شود. بنابراین، اندازه حلقه آب بندی PCTFE نیز یک عامل مهم موثر بر آب بندی شیرهای توپی برودتی است. تأثیر انقباض اندازه در دماهای پایین باید در طراحی در نظر گرفته شود و فرآیند مونتاژ سرد باید در این فرآیند اتخاذ شود.
4. نتیجه گیری
این مقاله با هدف پدیده نشتی داخلی رایج شیرهای توپی برودتی در پایانههای دریافت LNG موجود، بر اساس معیارهای طراحی شیرهای برودتی و تئوری پایه آببندی شیر، عوامل مؤثر بر آببندی شیرهای توپی برودتی، از جمله کیفیت جفت آببندی، فشار خاص آببندی، ساختار فیزیکی آببندی و اندازه سیال را تحلیل میکند. بسیاری از عوامل دیگر مانند سفتی در آب بندی شیرهای توپی برودتی موثر هستند.
از توپ و اینکه آیا مرکز توپ است
در هنگام مونتاژ با سطح آب بندی نشیمنگاه سوپاپ متحدالمرکز است. فشار خاص آب بندی و ساختار و اندازه جفت آب بندی از عوامل مهم موثر بر آب بندی شیرهای توپی برودتی است که باید در طراحی به طور کامل در نظر گرفته شود.
