Поворотные дисковые затворы для криогенных температур
Вопросы работы оборудования в условиях криогенных температур становятся все более насущными, особенно вследствие постоянного роста доли сжиженного природного газа (СПГ) в мировом производстве энергии.
Для управления потоками жидких криогенных сред очень часто используются поворотные дисковые затворы. В условиях сверхнизких температур до сих пор нередко применяют обычные затворы с тройным эксцентриситетомЗатворы дисковые Palur-ZD и многослойным уплотнением.
В британском стандарте BS 6364 приведены методики проведения испытаний и допустимые величины утечек для криогенных условий. И хотя допустимые утечки согласно данному стандарту очень велики, из- меряются галлонами в минуту, уложиться в его требования совсем не просто.
Причем чем больше размер и чем ниже температура (ниже -50 °C), тем труднее обычному дисковому затвору с тройным эксцентриситетом успешно пройти испытания.
Во всех технических справочниках говорится, что тепловое расширение изотропных металлических материалов имеет линейную характеристику при росте или снижении температуры. По сути, это означает, что внутренний диаметр круглого сечения остается круглым независимо от температуры и конфигурации деталей. И действительно, при высоких температурах, даже при 1000 °C, эта теория справедлива.
То есть, все детали поворотных дисковых затворов при повышении температуры расширяются пропорционально, в равной степени. И хотя они увеличиваются в размерах, их конфигурация и взаимные пропорции остаются неизменными. А поскольку тепловое расширение используемых материалов практически одинаково, большинство поворотных дисковых затворов с тройным эксцентриситетом успешно проходит испытания на огнестойкость в соответствии с требованиями API 607.
К сожалению, при низких температурах вышеуказанная теория не работает. При температуре -50 °C и ниже усадка изотропных металлических материалов различна и зависит от профиля стенки.
Измерения металлических деталей, охлажденных до температуры -196 °C, подтверждают, что в несимметричных деталях, внутренний диаметр которых был круглым при комнатной температуре, он становится овальным при криогенной.
В этом - основная причина того, почему поворотным дисковым затворам, особенно больших диаметров, так трудно пройти испытания на соответствие требованиям британского стандарта BS 6364.
У стандартного поворотного дискового затвора с тройным эксцентриситетом вблизи отверстия под вал сечение стенки корпуса значительно больше, и материала там содержится больше. Кроме того, корпуса всех трехэксцентриковых затворов имеют эллиптическую опорную поверхность седла, вследствие чего радиальная ширина седла вблизи отверстия под вал больше, чем в перпендикулярном направлении (см. рис.).
Типичный корпус поворотного дискового затвора с тройным эксцентриситетом. Неудачная конструкция диска вызывает отклонение вала. Большая разница в сечении стенок вызывает несимметричную усадку в перпендикулярном направлении
Обычное уплотнительное кольцо поворотного дискового затвора с тройным эксцентриситетом круглое внутри и эллиптическое снаружи. У него, наоборот, наименьшее сечение - в области вала, а наибольшее - перпендикулярно к ней. То есть, сечение уплотнительного кольца будет наименьшим именно там, где сечение корпуса наибольшее.
Типичное уплотнительное покрытие поворотного дискового затвора с тройным эксцентриситетом. Большая разница в сечении стенок вызывает несимметричную усадку
По причине нелинейности усадки стали при криогенной температуре усадка корпуса будет большей как раз в той области, где усадка покрытия будет наименьшей. Детали, четко подогнанные друг к другу при комнатной температуре,при криогенной температуре сопрягаться не будут.
Недавно изобретенный четырехэксцентриковый поворотный дисковый затвор QUADAX сохраняет полную герметичность при температуре -196 °C (-321 °F) при его испытаниях в соответствии с требованиями британского стандарта BS 6364. Эволюция трехэксцентрикового дискового затвора в четырехэксцентриковый устраняет отдельные недостатки, характерные для работы в криогенных средах.
Эллиптическая опорная поверхность седла затвора с тройным эксцентриситетом "растянута" в затворе QUADAX до формы круга. Более того, седловое отверстие у него значительно больше, нежели у всех поворотных дисковых затворов с тройным эксцентриситетом, имеющихся на рынке арматуры.
Благодаря такой конструкции сечение стенки седла одинаково по всей окружности корпуса. Да и сам корпус затвора QUADAX оптимизирован так, чтобы получить практически круглую форму и наружной поверхности тоже.
Такая конструкция позволяет сохранить одинаковую усадку однородных материалов по всему объему корпуса.А значит, конфигурация всех деталей затвора остается при криогенных температурах той же самой, и все детали сопрягаются друг с другом.
Таким образом, при температуре -196°C (-321°F) можно достичь нулевых утечек. В стандартном поворотном дисковом затворе с тройным эксцентриситетом уплотнение представляет собой покрытие из слоев графита и нержавеющей стали.
При низкой температуре графит становится очень твердым, а значит, эластичность уплотнения в целом будет низка. Такое покрытие не сможет закрыть зазоры между седлом и уплотнением, которые с понижением температуры увеличиваются по причине вышеупомянутой разницы в усадке материалов покрытия и корпуса затвора.
Вторым вариантом стандартного уплотнения поворотного дискового затвора с тройным эксцентриситетом, скорее всего, будет покрытие из слоев ПТФЭ и нержавеющей стали, которое остается эластичным даже при очень низкой температуре.
К сожалению, из-за усадки ПТФЭ, которая значительно больше, чем усадка нержавеющей стали, винты стяжного кольца могут ослабнуть, и уплотнение диска может стать негерметичным.
Конструкция седла четырехэксцентрикового затвора с кольцом из Инконеля. Одинаковое сечение по всей окружности обеспечивает равномерную усадку.
Для таких сложных условий эксплуатации, как криогенные системы или сжиженный природный газ, затворы QUADAX снабжены уплотнительным кольцом из инконеля, выполняющим роль уплотнения в седле затвора. Поскольку конфигурация седла поворотного дискового затвора с четырьмя эксцентриситетами имеет форму круга, может использоваться стандартное кольцо из инконеля.
Используемое уплотнительное кольцо из инконеля нагружено пружиной и изготовлено из материала, имеющего те же коэффициенты усадки, что и затвор в целом.В поворотном дисковом затворе с тройным эксцентриситетом уплотнение, обычно многослойное, должно выполнять несколько функций.
Испытание дисковых затворов QUADAX при криогенной температуре в соответствии с требованиями BS 6364. Утечек нет.
Поворотный дисковый затвор с тройным эксцентриситетом управляется четвертьоборотным приводом, и уплотнение играет роль концевого выключателя для него. Уплотнение также должно выдерживать все усилия сжатия, вызываемые перепадом давления. Если под действием перепада давления изгибается вал, уплотнение должно выдерживать дополнительные усилия, действующие на диск.
То есть, для конструкции уплотняющего покрытия поворотного дискового затвора с тройным эксцентриситетом необходим компромисс между эластичностью и жесткостью, чтобы выполнять обе функции: сохранять герметичность и выдерживать все действующие на него усилия сжатия.
Особенностью покрытий дисковых затворов больших размеров рассчитанных на высокое давление, является использование все более толстых слоев нержавеющей стали и все более тонких слоев графита между ними. Уплотнение становится очень жестким, но при этом неэластичным.
Как правило, в условиях эксплуатации, при которых перепад давления выше 60 бар (870 psi), весьма проблематично добиться абсолютной герметичности поворотных дисковых затворов с тройным эксцентриситетом.
Уплотнительное кольцо из инконеля дисковых затворов QUADAX устанавливается на прочную, твердую и толстую основу из нержавеющей стали, которая способна выдержать все действующие на нее нагрузки: выполнить роль конечного выключателя привода, противостоять усилиям, возникающим от давления диска и смещения вала.
Поворотный дисковый затвор с четырьмя эксцентриситетами QUADAX DN 42''. Абсолютная герметичность в обоих направлениях подачи среды до класса давления ANSI 600
Уплотнительное кольцо изинконеля размещается внутри канавки, нанесенной на основе из нержавеющей стали, и, таким образом, в закрытом положении дискового затвора кольцо со всех сторон защищено. Поворотный дисковый затвор, обеспечивающий абсолютную герметичность в обоих направлениях - теперь это реальность даже для класса давления ANSI 900.
Новая конструкция диска надежно поддерживает вал, и приводит к отсутствию его отклонения (смещения)
Смещение (деформация) вала - одна из самых больших проблем при обеспечении герметичности в обратном направлении подачи среды: когда более высокое давление действует на стяжное кольцо, а не на вал со стороны диска. Поворотные дисковые затворы с четырьмя эксцентриситетами отличаются очень необычной конструкцией диска, т.е. диск увеличен практически до размеров корпуса, тогда как опорные поверхности доходят непосредственно до диска.
В такой конструкции вал не изгибается, но подвержен нагрузкам подобно штифту, работающему на срез. Кроме того, диск имеет закрытую конструкцию, чтобы выдерживать любые нагрузки, не перекладывая их на вал.
Затворы дисковые трехэксцентриковый и четырехэксцентриковый. Принципы конструкции
И если в обычном трехэксцентриковом поворотном дисковом затворе DN 24 дюйма смещение вала при перепаде давления в 20 бар составляет более чем полдюйма, то в четырехэксцентриковом отклонение вала в таких условиях измеряется несколькими тысячными дюйма.
См также:
Об авторе: Доктор Gregor Gaida работает на фирме muller co-ax ag. Имеет степень магистра в области электро- техники и доктора технических наук (инженер-механик). С 2008 г. Dr. Gaida - вице-президент фирмы muller co-ax ag, занимается разработкой затворов серий QUADAX и CRYAXX. Является автором более 20 патентов по всему миру.
Перевод Т. Скляровой, ЗАО "Завод "Знамя Труда" www.valve-industry.ru/pdf_site/74/74-Gaida.pdf
Оригинальная статья была опубликована в журнале Valve World www.valve-world.net.