1. Tổng quan
Van bi được sử dụng rộng rãi trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau do cấu trúc đơn giản, không gian lắp đặt nhỏ và phụ thuộc vào lực trung bình để bịt kín mà không bị ảnh hưởng bởi lực truyền động bên ngoài. Hiện nay, van bi đông lạnh được sử dụng phổ biến tại các kho tiếp nhận LNG, chiếm 80% tổng số van tại các kho này. Tuy nhiên, rò rỉ bên trong van bi đông lạnh xảy ra trong quá trình vận hành. Dựa trên các tiêu chí thiết kế của van đông lạnh và lý thuyết cơ bản về hiệu suất bịt kín van, bài báo này phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ kín của van bi đông lạnh.
2. Tiêu chí thiết kế
Nhiệt độ vận hành cực thấp đặt ra một loạt thách thức kỹ thuật đối với việc thiết kế và sản xuất van đông lạnh, chẳng hạn như lựa chọn vật liệu,-bịt kín nhiệt độ thấp, thiết kế kết cấu, xử lý giải pháp, xử lý làm mát sâu, cách nhiệt, kiểm tra chất lượng, bảo trì và an toàn. Do đó, có một loạt tiêu chuẩn nghiêm ngặt cho việc thiết kế van đông lạnh. Trên bình diện quốc tế, các tiêu chuẩn chính được sử dụng là
BS6364 "Van đông lạnh" và MSSSP-134 "Các yêu cầu đối với Van đông lạnh và các yêu cầu của chúng
Thân/Nắp mở rộng". Hai tiêu chuẩn này xác định một cách toàn diện các điểm và quy tắc chính cho việc thiết kế và sản xuất van đông lạnh. Tiêu chuẩn JB/T7749 "Thông số kỹ thuật cho Van đông lạnh" được chuyển đổi từ "Van đông lạnh" BS6364.
Trong thiết kế van đông lạnh, ngoài việc tuân theo các nguyên tắc thiết kế van chung, cần tuân thủ các yêu cầu đặc biệt đối với thiết kế van đông lạnh theo các điều kiện vận hành.
① Van không được là nguồn nhiệt đáng kể cho hệ thống có nhiệt độ{0}}thấp. Điều này là do dòng nhiệt đi vào không chỉ làm giảm hiệu suất nhiệt mà còn gây ra sự bay hơi nhanh chóng của chất lỏng bên trong nếu quá mức, dẫn đến áp suất tăng bất thường và tiềm ẩn nguy hiểm.
② Môi trường có nhiệt độ-thấp không được có tác động có hại đến hoạt động của tay quay và hiệu suất phốt đóng gói.
③ Cụm van tiếp xúc trực tiếp với môi trường có nhiệt độ-thấp phải có cấu trúc-chống cháy nổ-.
④ Các cụm van hoạt động ở nhiệt độ thấp không thể được bôi trơn nên cần thực hiện các biện pháp kết cấu để tránh mài mòn các bộ phận ma sát.
Trong quá trình thiết kế van đông lạnh, ngoài việc xem xét các yêu cầu chung như lưu lượng dòng chảy, cần tính đến các chỉ số khác để đánh giá tốt hơn về trình độ kỹ thuật của van đông lạnh. Thông thường, trình độ kỹ thuật của van đông lạnh được đánh giá bằng cách đo lường tính hợp lý của việc tiêu thụ năng lượng.
① Hiệu suất cách nhiệt của van đông lạnh.
② Hiệu suất làm mát của van đông lạnh.
③ Hiệu suất làm việc của việc đóng mở các vòng đệm của van đông lạnh.
④ Điều kiện không đóng băng trên bề mặt van đông lạnh.
Môi trường làm việc của van đông lạnh khá khác so với môi trường-của van đa năng. Trong quá trình thiết kế, sản xuất và kiểm tra van đông lạnh, ngoài việc tuân thủ các quy tắc chung về thiết kế, sản xuất và kiểm tra van, cần thực hiện các điều chỉnh phù hợp theo môi trường của van đông lạnh.
3. Yếu tố niêm phong
Mặc dù cấu trúc của van bi rất đơn giản vì chúng là van tự làm kín áp suất trung bình{0}}và có cấu trúc bi đặc biệt nên có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bịt kín cuối cùng của van bi.
3.1 Chất lượng cặp bịt kín
Chất lượng của cặp đệm kín van bi chủ yếu thể hiện ở độ tròn của bi và độ nhám bề mặt của bề mặt bịt kín của bi và van
ghế. Độ tròn của quả bóng
ảnh hưởng đến mức độ vừa khít giữa bi và đế van. Mức độ vừa khít cao hơn làm tăng lực cản chuyển động của chất lỏng dọc theo bề mặt bịt kín, từ đó cải thiện hiệu suất bịt kín. Thông thường, độ tròn của quả bóng phải đạt cấp 9.
Bề mặt hoàn thiện của bề mặt bịt kín có tác động đáng kể đến việc bịt kín. Khi độ hoàn thiện thấp và áp suất riêng nhỏ, độ rò rỉ sẽ tăng lên. Khi áp suất riêng lớn, tác động của lớp hoàn thiện lên rò rỉ giảm đáng kể do các đỉnh răng cưa cực nhỏ trên bề mặt bịt kín được làm phẳng. Tác động của lớp hoàn thiện bề mặt bịt kín mềm đến hiệu suất bịt kín nhỏ hơn nhiều so với tác động của lớp bịt kín bằng kim loại-đến-kim loại cứng.
Dựa trên quan điểm rằng chỉ có thể ngăn chặn rò rỉ chất lỏng khi khe hở giữa các cặp đệm kín nhỏ hơn đường kính phân tử chất lỏng, có thể coi khe hở để ngăn chặn rò rỉ chất lỏng phải nhỏ hơn 0,003 μm. Tuy nhiên, ngay cả chiều cao cực đại của bề mặt kim loại được nghiền mịn vẫn vượt quá 0,1 μm, lớn hơn 30 lần so với đường kính của phân tử nước. Có thể thấy rằng thực tế rất khó để cải thiện hiệu suất bịt kín chỉ bằng cách tăng độ hoàn thiện bề mặt của bề mặt bịt kín. Ngoài việc ảnh hưởng đến hiệu suất bịt kín, chất lượng của cặp đệm kín còn ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của van bi. Vì vậy, chất lượng của cặp đệm kín phải được cải thiện trong quá trình sản xuất.
3.2 Niêm phong áp suất riêng
Áp suất riêng của niêm phong đề cập đến áp suất tác động lên một đơn vị diện tích của bề mặt bịt kín. Nó được tạo ra bởi sự chênh lệch áp suất giữa mặt trước và mặt sau của van và lực bịt kín bên ngoài. Độ lớn của áp suất riêng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất bịt kín, độ tin cậy và tuổi thọ của van bi. Rò rỉ tỷ lệ nghịch với chênh lệch áp suất. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng trong cùng các điều kiện khác, độ rò rỉ tỷ lệ nghịch với bình phương chênh lệch áp suất, do đó độ rò rỉ giảm khi tăng chênh lệch áp suất. Vì chênh lệch áp suất là một yếu tố quan trọng quyết định áp suất riêng của việc bịt kín nên áp suất riêng của việc bịt kín là rất quan trọng đối với hiệu suất bịt kín của van bi đông lạnh. Áp suất riêng áp dụng cho quả bóng không được quá lớn. Mặc dù áp suất riêng lớn hơn có lợi cho việc bịt kín nhưng nó sẽ làm tăng mô-men xoắn vận hành van. Vì vậy, việc lựa chọn hợp lý áp suất riêng bịt kín là tiền đề để đảm bảo độ kín của van bi đông lạnh.
3.3 Tính chất vật lý của chất lỏng
3.3.1 Độ nhớt
Tính thấm của chất lỏng có liên quan chặt chẽ với độ nhớt của nó. Trong cùng các điều kiện khác, độ nhớt của chất lỏng càng cao thì độ thấm của nó càng thấp. Độ nhớt của khí và chất lỏng khác nhau rất nhiều. ① Độ nhớt của khí nhỏ hơn chất lỏng hàng chục lần nên độ thấm của nó mạnh hơn chất lỏng. Tuy nhiên, hơi nước bão hòa là một ngoại lệ, rất dễ bịt kín. ② Khí nén dễ bị rò rỉ hơn chất lỏng.
3.3.2 Nhiệt độ
Tính thấm của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ làm thay đổi độ nhớt. Độ nhớt của khí tăng khi nhiệt độ tăng và tỷ lệ thuận với căn bậc hai của nhiệt độ khí. Ngược lại, độ nhớt của chất lỏng giảm mạnh khi nhiệt độ tăng và tỷ lệ nghịch với lập phương nhiệt độ. Ngoài ra, sự thay đổi kích thước bộ phận do thay đổi nhiệt độ sẽ dẫn đến thay đổi áp suất bịt kín trong khu vực bịt kín và có thể làm hỏng phớt. Tác động của nó đặc biệt quan trọng đối với việc bịt kín chất lỏng có nhiệt độ-thấp. Do cặp đệm kín tiếp xúc với chất lỏng thường có nhiệt độ thấp hơn các bộ phận chịu lực, điều này làm cho các bộ phận của cặp đệm kín co lại và giãn ra. Việc bịt kín ở nhiệt độ thấp rất phức tạp và hầu hết các vật liệu bịt kín đều hỏng ở nhiệt độ thấp. Vì vậy, cần xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ khi lựa chọn vật liệu bịt kín.
3.3.3 Tính ưa nước bề mặt
Tác động của tính ưa nước bề mặt đến sự rò rỉ là do đặc điểm của lỗ mao mạch. Khi có một màng dầu mỏng trên bề mặt, tính ưa nước của bề mặt tiếp xúc bị phá hủy và kênh chất lỏng bị chặn, do đó cần có chênh lệch áp suất lớn hơn để chất lỏng đi qua các lỗ mao mạch. Do đó, một số van bi sử dụng mỡ bịt kín để cải thiện hiệu suất bịt kín và tuổi thọ. Khi sử dụng dầu mỡ để làm kín cần chú ý bổ sung dầu mỡ nếu màng dầu giảm đi trong quá trình sử dụng. Dầu mỡ được sử dụng không được hòa tan trong môi trường chất lỏng, cũng như không được bay hơi, cứng lại hoặc trải qua các thay đổi hóa học khác. Van bi đông lạnh không thích hợp để sử dụng mỡ bịt kín vì hầu hết mỡ sẽ thủy tinh hóa trong điều kiện nhiệt độ cực thấp.
3.4 Kích thước kết cấu
3.4.1 Cấu trúc cặp đệm kín
Vì cặp đệm kín không cứng tuyệt đối nên kích thước cấu trúc của nó chắc chắn sẽ thay đổi dưới tác động của lực bịt kín hoặc thay đổi nhiệt độ. Điều này sẽ thay đổi lực tương tác giữa các cặp đệm kín, dẫn đến hiệu suất bịt kín giảm. Để bù đắp cho sự thay đổi này, con dấu phải có biến dạng đàn hồi nhất định. Hiện nay, một số ghế van bi áp dụng dạng cấu trúc có bù đàn hồi hoặc hỗ trợ đàn hồi bằng kim loại, và một số quả bóng cũng áp dụng cấu trúc bóng đàn hồi. Đây là những hình thức tích cực để cải thiện hiệu suất bịt kín.
3.4.2 Chiều rộng bề mặt bịt kín
Chiều rộng của bề mặt bịt kín xác định chiều dài của lỗ mao mạch. Khi chiều rộng tăng, đường chuyển động của chất lỏng dọc theo các lỗ mao mạch tăng tỷ lệ thuận, trong khi độ rò rỉ giảm tỷ lệ nghịch. Nhưng trên thực tế, điều này không hề xảy ra vì bề mặt tiếp xúc của các cặp đệm kín không thể lắp khít hoàn toàn. Sau khi biến dạng, chiều rộng của bề mặt bịt kín không thể phát huy hết vai trò bịt kín hiệu quả. Mặt khác, việc tăng chiều rộng của bề mặt bịt kín đòi hỏi phải tăng lực bịt kín cần thiết. Vì vậy, việc lựa chọn hợp lý chiều rộng của bề mặt bịt kín cũng rất quan trọng.
3.4.3 Kích thước vòng đệm
Van bi đông lạnh thường sử dụng vòng đệm PCTFE. Hệ số giãn nở tuyến tính của PCTFE ở nhiệt độ thấp cao hơn nhiều so với kim loại. Do đó, vòng đệm PCTFE sẽ co lại ở nhiệt độ thấp, dẫn đến áp suất riêng bịt kín với bi giảm và hình thành các rãnh rò rỉ với đế van. Vì vậy, kích thước của vòng đệm PCTFE cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ kín của van bi đông lạnh. Cần xem xét ảnh hưởng của độ co rút kích thước ở nhiệt độ thấp trong thiết kế và nên áp dụng quy trình lắp ráp nguội trong quy trình này.
4. Kết luận
Nhằm mục đích nghiên cứu hiện tượng rò rỉ bên trong phổ biến của van bi đông lạnh trong các trạm tiếp nhận LNG hiện có, dựa trên tiêu chí thiết kế của van đông lạnh và lý thuyết cơ bản về bịt kín van, bài báo này phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ kín của van bi đông lạnh, bao gồm chất lượng của cặp đệm kín, áp suất riêng bịt kín, tính chất vật lý của chất lỏng cũng như cấu trúc và kích thước của cặp đệm kín. Có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến việc bịt kín van bi đông lạnh, chẳng hạn như độ cứng
của quả bóng và liệu tâm bóng có
đồng tâm với bề mặt bịt kín của đế van trong quá trình lắp ráp. Áp suất riêng của niêm phong và cấu trúc cũng như kích thước của cặp đệm kín là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ kín của van bi đông lạnh, phải được xem xét đầy đủ trong thiết kế.
