Шаровой клапан Клапаны, работающие при низких температурах, например, со сжиженным природным газом (СПГ), жидким кислородом, жидким азотом или жидким аргоном, предъявляют повышенные требования к материалам, конструкции и герметичности. В условиях низких температур металлы могут стать хрупкими, уплотнительные материалы могут сжиматься, а область штока клапана может даже замерзнуть. Поэтому стандартные запорные клапаны не могут быть использованы напрямую.

Для обеспечения безопасности и надежности транспортировки низкотемпературных сред запорные клапаны должны соответствовать ряду специальных требований к конструкции. В данной статье обобщены основные аспекты проектирования запорных клапанов для низкотемпературных применений с профессиональной точки зрения, а также представлены доступные объяснения, делающие материал понятным и технически подробным.

1. Длинный капот

Это наиболее типичная конструктивная особенность низкотемпературных клапанов.

Низкотемпературные среды могут достигать экстремально низких температур (например, -196 °C). Если шток клапана подвергается непосредственному воздействию холода, набивка может треснуть или потерять эластичность. Конструкция с удлинённой крышкой предназначена для:

●Держите шток клапана и его уплотнение вдали от зоны низких температур.

● Поддерживайте более высокую температуру в зоне упаковки, чтобы предотвратить замерзание и нарушение герметичности.

Высота длинного колпака обычно определяется исходя из условий эксплуатации, температуры среды и толщины изоляции трубопровода.

Короче говоря, длинный колпак защищает уплотнительный сердечник клапана от повреждений, вызванных замерзанием.

2. Выбор металлических материалов, устойчивых к низким температурам

Низкие температуры могут привести к потере вязкости обычной углеродистой стали и даже к ее разрушению, поэтому выбор материала имеет решающее значение:

●Нержавеющая сталь (например, 304, 316, 316L)

Наиболее часто используемый материал для низкотемпературных применений, сохраняющий хорошую прочность даже при температуре −196 °C.

●Низкотемпературная углеродистая сталь (LCC, LCB)

Подходит для умеренно низких температур (например, от −46°C до −101°C), но не для экстремальных криогенных условий.

Материалы должны сохранять достаточную ударную вязкость и структурную устойчивость при ожидаемой минимальной рабочей температуре.

3. Конструкция уплотнения штока клапана должна выдерживать тепловое сжатие.

Низкие температуры могут привести к затвердеванию и усадке упаковочных материалов, что приведет к:

●Уменьшенная сила уплотнения

●Повышенный риск утечки

●Более высокий рабочий крутящий момент

Для решения этой проблемы проект должен включать:

●Использование гибких графитовых, ПТФЭ или низкотемпературных комбинаций набивок

●Железистые структуры, способные компенсировать сокращение для поддержания постоянной герметизации

● Некоторые высококачественные криогенные шаровые клапаны даже используют подпружиненное уплотнение для обеспечения постоянной силы уплотнения.

4. Специальный подбор материалов для седел клапанов и дисков

Металлы сжимаются при низких температурах, причём разные материалы имеют разную степень сжатия. Неправильное сочетание может привести к:

●Неравномерная нагрузка на седло клапана

●Деформация уплотнительной поверхности

●Неполное закрытие или застревание

Поэтому конструкция должна обеспечивать:

●Совместимость коэффициентов теплового расширения материалов седла клапана и диска

●Твердость и прочность уплотнительной поверхности, подходящие для воздействия низких температур

●Частое использование полностью кованой нержавеющей стали для обеспечения стабильности и надежной герметизации

5. Конструктивные меры по предотвращению наружного обледенения и замерзания

Поверхности клапанов, работающих при низких температурах, подвержены образованию инея или льда, что может привести к:

●Сложная операция

●Замораживание, препятствующее вращению

●Ускоренная поверхностная коррозия

Решения включают в себя:

●Антиконденсационная конструкция на внешних поверхностях

●Возможность установки изоляционных слоев снаружи

●Расположение приводов или маховиков вдали от зон с низкими температурами

Эти меры особенно важны на объектах СПГ и других криогенных химических установках.

6. Более строгие требования к прочности штока клапана на растяжение и низкотемпературной вязкости

Шток клапана является одним из наиболее важных несущих нагрузку компонентов клапан В условиях низких температур материал стебля должен сохранять:

●Достаточная прочность на растяжение

● Высокая прочность, предотвращающая хрупкое разрушение

●Достаточная твердость поверхности для минимизации трения и износа

Обычно используемые материалы включают нержавеющую сталь марок 304 и 316 или другие сплавы, сертифицированные для использования при низких температурах.

7. Конструкция приводов с защитой от конденсации и замерзания

Независимо от того, используете ли вы ручные маховики или пневматические/электрические приводы, предотвращение замерзания имеет важное значение:

●Ручные клапаны: расширяют рабочую зону, чтобы избежать замерзания

●Пневматические приводы: примите меры по предотвращению образования конденсата.

●Электрические приводы: обеспечивают защиту от влаги и замерзания

В условиях низких температур заедание любого внешнего механизма может привести к потере управления клапаном.

Вывод: шаровые краны должны быть «разработаны для низких температур»

Низкотемпературные условия предъявляют повышенные требования к надежности запорных клапанов. От материалов и конструкции до методов герметизации – конструкция должна строго соответствовать стандартам для низких температур. Стандартные запорные клапаны не могут гарантировать безопасность в криогенных условиях. Поэтому важно выбирать специализированные криогенные запорные клапаны и убедиться, что производитель имеет необходимые возможности для проведения испытаний и сертификации при низких температурах.

Вопросы и ответы – Часто задаваемые вопросы

В1: Можно ли использовать стандартный шаровой клапан напрямую для низкотемпературных сред?

Нет. Стандартные материалы и конструкции клапанов подвержены хрупкому разрушению, утечкам или выходу из строя в условиях низких температур.

В2: Существует ли стандартная высота для длинного капота?

Как правило, высота определяется в зависимости от температуры среды, толщины изоляции и пространства для установки и обычно составляет от 250 до 500 мм. Однако производитель должен проектировать её с учётом фактических условий эксплуатации.

В3: Должны ли низкотемпературные запорные клапаны быть изготовлены из нержавеющей стали?

В большинстве случаев да, поскольку нержавеющая сталь сохраняет максимальную прочность при экстремально низких температурах. При умеренно низких температурах также можно использовать низкотемпературные углеродистые стали, такие как LCB или LCC.

В4: Требуются ли специальные испытания для клапанов, работающих при низких температурах?

Да. Авторитетные производители проводят испытания на низкотемпературную производительность (криогенные испытания), чтобы гарантировать надёжность герметизации и эксплуатации.