Pruebas Criogénicas de Válvulas

Las pruebas criogénicas de válvulas son un medio importante para verificar el rendimiento de las válvulas de baja temperatura. El método de prueba de baja temperatura de válvulas especificado en la norma actual difiere de las condiciones de trabajo reales. Una operación inadecuada puede causar fácilmente distorsión de los resultados de la prueba e incluso dañar la válvula probada. Las válvulas que producimos se someterán a pruebas profesionales de baja temperatura.

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¡Lo que necesita saber sobre las pruebas criogénicas de válvulas!

Pruebas Criogénicas de Válvulas

La prueba de baja temperatura es un medio importante para verificar el rendimiento de las válvulas de baja temperatura y, como se indica en la norma actual, debe realizarse de manera diferente según las condiciones de trabajo. Realizar la prueba de manera inadecuada podría causar distorsión de los resultados de la prueba o incluso dañar la tubería bajo prueba.

En este artículo trataremos principalmente la estructura especial de baja temperatura Válvula de bola, analizando los problemas que pueden ocurrir fácilmente en la prueba de esta válvula y proponiendo algunas contramedidas basadas en la experiencia operativa real.

Introducción

Las válvulas de bola se utilizan ampliamente en sistemas de tuberías de baja temperatura debido a sus características de apertura y cierre rápidos, sellado fiable, estructura simple, peso ligero y baja resistencia al flujo. Excepto por un pequeño número de diseños especiales y atípicos, la mayoría de las válvulas de bola utilizadas en tuberías industriales de baja temperatura son diseños de asiento de válvula de sellado blando no metálico. Debido a las duras condiciones de operación y las funciones críticas, tienen altos requisitos de sellado y una evaluación de rendimiento rigurosa. Las pruebas de rendimiento son un proceso clave en el proceso de fabricación y uso. La prueba de baja temperatura de las válvulas de bola tiene algunas peculiaridades y se cree que comprender y dominar los principios, métodos y sus características puede mejorar la calidad del producto y garantizar diseños seguros y efectivos.

Prueba de baja temperatura de la válvula

1) Alcance

La prueba de válvulas de baja temperatura consiste en probar el rendimiento de la válvula a baja temperatura en el entorno de trabajo simulado de baja temperatura y puede evaluar el rendimiento de la válvula a baja temperatura. Actualmente, las principales normas implementadas en las pruebas de válvulas de baja temperatura son: GB/T24925-2010, BS 6364:1984, etc.

El contenido principal de la prueba a baja temperatura incluye:

 inspección del estado de sellado de las juntas

 empaquetadura, sellos superiores

 rendimiento operativo de la máquina completa en condiciones de presión. Los parámetros de prueba incluyen:

 Cuerpo de válvula

 bonete

 vástago de válvula

 disco de válvula

 prensaestopas

 refrigerante

 temperatura ambiente

 pérdida instantánea

 pérdida acumulada y pérdida media en la salida de la válvula

 variaciones extremas de la presión media de prueba

 El medio de prueba es generalmente helio.

2) Dispositivo de prueba

El dispositivo de prueba se compone principalmente de tres partes: sistema de baja temperatura, sistema de presión y sistema de medición y control.

El sistema de baja temperatura utiliza nitrógeno líquido como refrigerante para crear un entorno de baja temperatura adecuado. Debe tener dos modos de enfriamiento: inmersión y pulverización. Entre estos, el método de enfriamiento por pulverización debe poder alcanzar una temperatura ajustable de 0 a -196 °C. La fuente de presión requerida para el valioso medio de prueba debe ser capaz de reciclarse y reutilizarse tanto como sea posible; el sistema de medición y control es responsable de la recopilación, inducción y evaluación de diversas cantidades físicas durante el proceso de prueba, para la gestión de parámetros auxiliares

y parámetros de prueba y para el control de proceso de todo el dispositivo de prueba. Proporcionar una interfaz hombre-máquina completa.

3) Proceso de prueba

Antes de la prueba a baja temperatura, la válvula bajo prueba debe secarse completamente para eliminar grasa y residuos en la válvula. Instale la válvula de baja temperatura en el tanque de prueba de baja temperatura, conecte todas las juntas, asegúrese de que la parte de empaquetadura de la válvula esté por encima de la cubierta aislante y que la temperatura se mantenga por encima de 0 °C. Sumerja la válvula en el fluido a baja temperatura, cubra el extremo superior de la parte de conexión entre el cuerpo de la válvula y el bonete, o use una boquilla para rociar el fluido a baja temperatura uniformemente debajo del cuello del bonete de la válvula para enfriar la válvula a la temperatura de prueba correspondiente. Manténgala durante algún tiempo hasta que la temperatura sea estable en todas partes y el cambio de temperatura debe estar dentro de ± 5 ℃. Abra y cierre la válvula varias veces para verificar su rendimiento operativo a baja temperatura; cierre la válvula, presurice en la dirección de flujo normal y realice una prueba de fugas. Luego coloque la válvula en estado semiabierto, cierre la válvula de aguja en el extremo de salida y verifique la estanqueidad de la junta de la válvula, la conexión entre el cuerpo de la válvula y el bonete. Compare los resultados de la prueba con los estándares correspondientes, juzgue los resultados y saque una conclusión.

Problemas a tener en cuenta en la prueba de válvulas de bola a baja temperatura

1) Diferencias con las condiciones de trabajo reales

Los métodos de prueba a baja temperatura recomendados por las normas y datos actuales utilizan casi todos el método de enfriamiento externo, es decir, el uso de refrigerante para extraer calor del exterior de la válvula bajo prueba para reducir la temperatura de la válvula. Las condiciones de trabajo reales de la válvula a baja temperatura son: el fluido a baja temperatura fluye desde el interior de la válvula y el exterior entra en contacto con el ambiente de temperatura normal o relativamente alta.

El problema que presenta el método de enfriamiento externo es que la válvula a baja temperatura produce un gradiente de temperatura opuesto a la condición de trabajo real en la fase inicial de la prueba. Para la válvula de bola a baja temperatura, el cuerpo y la tapa de la válvula se enfrían rápidamente, lo que provoca una contracción del volumen.

En este momento, la bola y el asiento de la válvula aún no están completamente fríos, principalmente debido al efecto aislante del asiento de la válvula no metálico, lo que retrasa aún más el proceso de transferencia de calor. En este punto, el acoplamiento original cambia y el asiento de la válvula no metálico o el anillo de sellado no metálico del asiento de la válvula combinado pueden estar sobre-extruidos, lo que dificulta el movimiento de cada componente.

Llamamos a este fenómeno:

bloqueo por baja temperatura.

El bloqueo por baja temperatura provocará la deformación permanente del asiento de válvula no metálico, lo que se conoce como fenómeno de “fluencia en frío”, y el coeficiente de expansión térmica de materiales no metálicos como el PTFE es mayor que el de los materiales metálicos. Las partes internas se contraen, la presión específica de la junta disminuye o desaparece, y el par de juntas falla. Incluso si el producto está calificado en la prueba de baja temperatura, el gradiente de temperatura de las condiciones de trabajo reales de la tubería de baja temperatura siempre puede existir, y el nivel de temperatura de la carcasa de la válvula es superior al de las partes internas, la presión de sellado específica añadida durante el montaje se reducirá y el efecto de sellado aún puede verse afectado.

2) Bloqueo por baja temperatura

Los daños causados por el bloqueo a baja temperatura a veces son graves. Además de la extrusión del asiento de la válvula, los elementos de fijación y sellado que conectan la carcasa también se dañarán por un aumento anormal de la tensión, y la carcasa y los internos se abrazarán mutuamente. Después del apriete, la situación de tensión es compleja y, en casos graves, puede provocar cambios estructurales permanentes. Cuando la válvula de bola de baja temperatura se bloquea a baja temperatura, es mejor no realizar las operaciones de apertura y cierre inmediatamente. Las operaciones de apertura y cierre en este momento producirán fácilmente una serie de hendiduras en el superficie de sellado de la válvula asiento bajo la acción de una gran tensión, e incluso causarán el puerto de la bola. El fenómeno de “mordedura y corte” en el asiento de la válvula hace que el asiento de la válvula sea completamente inútil.

El medio eficaz para prevenir los daños por bloqueo a baja temperatura es controlar la velocidad de enfriamiento, mantener la válvula en la posición completamente abierta o completamente cerrada durante el proceso de enfriamiento, intentar medir la temperatura dentro de la válvula, mantener un cierto tiempo de estabilización de la temperatura y hacer todo lo posible antes de las operaciones de apertura y cierre.

3) Influencia de las propiedades de los materiales a baja temperatura

Actualmente, los materiales metálicos de las válvulas criogénicas, especialmente las de ultra baja temperatura para GNL y otros fluidos, son principalmente aceros inoxidables austeníticos de Ni-Cr como 304, 304L, 316, 316L, que aún pueden mantener buena resistencia y tenacidad a bajas temperaturas. Pero estos materiales también tienen algunas deficiencias, ya que son aceros inoxidables metaestables, que experimentan una transformación metalográfica a martensita a bajas temperaturas. La densidad de la martensita de la red cúbica centrada en el cuerpo es menor que la de la austenita superficial con una red cúbica centrada, lo que implica, tras la transformación a baja temperatura, una expansión del volumen y deformación de las piezas.

Además, la reducción de la temperatura también provoca la contracción de la estructura metálica, lo que a su vez genera una tensión térmica que, cuando excede el límite elástico del material, produce una deformación permanente irreversible. Por lo tanto, el proceso de tratamiento criogénico a baja temperatura componentes de válvula es muy crítico. El propósito del tratamiento criogénico es asegurar que estas transiciones de fase y deformaciones ocurran completamente antes del acabado, para garantizar la estabilidad estructural de las piezas y componentes terminados.

La válvula de baja temperatura cuyas piezas no han sido sometidas a tratamiento criogénico puede causar un deterioro del rendimiento general de toda la máquina después de entrar en el ambiente de baja temperatura. El asiento de válvula no metálico de la válvula de bola de baja temperatura generalmente está hecho de politetrafluoroetileno (PTFE) o policlorotrifluoroetileno (PCTFE). La temperatura teórica de fragilización del PTFE y PCTFE es de -180 ~ -195 ℃, pero en la realidad comercial los productos comprados químicamente no pueden alcanzar esa temperatura y el daño causado por la fragilidad a baja temperatura del asiento de la válvula a veces es severo. El asiento de válvula fragilizado ha perdido su capacidad de compensación elástica. Si la precisión de la bola no es suficiente, la estanqueidad es difícil de lograr, especialmente debido a los requisitos de fugas cero de los asientos de válvula de sellado blando especificados en las normas chinas. Además, la dureza del asiento de válvula fragilizado aumenta significativamente, lo que puede causar daños en la superficie de la bola o fragilización del asiento de la válvula.

4) Influencia de la velocidad de enfriamiento

La velocidad de enfriamiento por inmersión es en realidad muy difícil de controlar, dependiendo de la condición de la superficie de la válvula y la conductividad térmica del material. Pero el método de pulverización puede ajustar la velocidad de enfriamiento controlando la cantidad de pulverización de nitrógeno líquido. En teoría, una menor velocidad de enfriamiento puede reducir la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la válvula y reducir el gradiente de temperatura, lo que es beneficioso para el proceso de prueba, pero aumentará el consumo de nitrógeno líquido.

La velocidad de enfriamiento debe determinarse según los parámetros específicos de la válvula probada, como el diámetro, espesor de pared, condiciones estructurales, componentes internos, etc. Una velocidad de enfriamiento excesivamente rápida agravará el fenómeno de bloqueo a baja temperatura, y un gradiente de temperatura excesivamente grande causará alta tensión interna, lo que resultará en daños en los componentes.

Control del consumo de refrigerante y medio de prueba

1) Consumo de refrigerante y su control

El consumo ideal de refrigerante en la prueba a baja temperatura debe ser:

Calor necesario para reducir la válvula de prueba
+
Instalaciones auxiliares en el tanque de prueba desde temperatura ambiente hasta
temperatura especificada
=
Cantidad total de calor latente de vaporización del refrigerante consumido

Reducir el consumo de refrigerante es una medida importante para reducir el costo de la prueba. Para reducir el consumo de refrigerante, podemos empezar desde los siguientes aspectos:

Seleccionar un tanque de prueba a baja temperatura con volumen apropiado
Minimizar el espacio sobrante en el tanque de prueba tanto como sea posible y utilizar la capacidad calorífica (usar materiales más pequeños para rellenar el espacio sobrante)
Para pruebas que requieran ajuste de temperatura, intente ajustar la temperatura mediante pulverización para evitar la inmersión después de diluir el refrigerante con alcohol
Organizar las pruebas de manera centralizada y probar productos de la misma especificación de forma continua, para utilizar racionalmente el líquido residual
Reforzar las medidas de aislamiento térmico para reducir la pérdida adicional de capacidad de enfriamiento

2) Consumo del medio de prueba y su control

El medio de la prueba a baja temperatura generalmente se especifica como helio, que es un gas inerte, y la temperatura de licuefacción a presión atmosférica estándar es -269 ℃, que es un medio más adecuado para la prueba a baja temperatura de la válvula. Sin embargo, el precio de mercado del helio es caro y el consumo de helio en la prueba a baja temperatura de válvulas de gran diámetro y alta presión es enorme. Por lo tanto, el control del consumo y la recuperación y reutilización del helio son de gran importancia. En principio, la tecnología de recuperación de helio no es complicada, lo importante es la operabilidad de

su proceso y el diseño de seguridad de la operación. Algunas personas han expresado preocupación por la pureza del helio después de la recuperación. De hecho, la prueba a baja temperatura de la válvula no requiere una alta pureza de helio. Además, durante la prueba a baja temperatura de la válvula, la cavidad de la válvula se purga primero con helio para eliminar

el aire de la cavidad interna. . El entorno criogénico de alta presión durante la prueba a baja temperatura de la válvula ha superado el punto de licuefacción y condensación de la mayoría de las sustancias, y la pureza del helio recuperado tiene pocos cambios y tiene poco efecto en el uso repetido de la prueba a baja temperatura.

Precauciones de seguridad

La prueba a baja temperatura de la válvula es un trabajo peligroso y las precauciones de seguridad son muy importantes. Sus peligros tienen consecuencias muy importantes especialmente en:

hipoxia local causada por la gran volatilización de nitrógeno líquido (que causará asfixia al personal)
posibles “quemaduras” por baja temperatura al personal
salpicadura de refrigerante causada por una gran fuga de medio de prueba
baja temperatura de instrumentos y medidores. Daños

Por lo tanto, el lugar de trabajo de la prueba a baja temperatura debe mantener una buena ventilación y, si es necesario, se debe realizar ventilación forzada artificial. Es necesario formular científica y razonablemente los procedimientos de operación para la prueba de válvulas a baja temperatura de la empresa sobre la base de las normas pertinentes. Los operadores deben poseer certificados y estar equipados con el equipo de protección de seguridad necesario. Se debe prestar especial atención a la protección de las partes expuestas del cuerpo, como la cara y las manos. Durante la operación a baja temperatura, se debe prohibir estrictamente que una sola persona trabaje en el sitio.

La función de parada de emergencia debe configurarse en el equipo de prueba, y sus partes operativas deben colocarse en la posición más visible y fácil de operar. Para pruebas de alta presión, gran diámetro y otros parámetros altos, se deben realizar operaciones remotas en la medida de lo posible. La válvula bajo prueba debe tener medidas de fijación y sujeción en el tanque de prueba a baja temperatura. La selección de instrumentos y medidores debe prestar atención a sus características de resistencia a bajas temperaturas y estabilidad de rendimiento a baja temperatura, para evitar que sus partes no resistentes a bajas temperaturas entren en contacto con el entorno de baja temperatura. Para equipos expuestos a baja temperatura o partes de baja temperatura del equipo, se deben establecer señales de advertencia y aislarse para evitar lesiones accidentales al personal no relacionado.

Conclusión

Existe una diferencia entre el método de prueba de válvulas a baja temperatura requerido por la norma actual y las condiciones de operación reales de la válvula a baja temperatura. La velocidad de enfriamiento, el método de enfriamiento y el tiempo de mantenimiento deben controlarse razonablemente para que las condiciones de prueba se acerquen lo más posible a las condiciones de trabajo reales. Para la prueba a baja temperatura de la válvula de bola, se debe prestar atención a las características de baja temperatura de los materiales que la componen para evitar daños a la válvula probada, como bloqueo a baja temperatura y flujo en frío. El refrigerante y el medio de prueba en la prueba de válvulas a baja temperatura son caros y de alto consumo, por lo que se debe prestar atención a controlar el consumo, o deben reciclarse y reutilizarse. Además, se deben fortalecer las precauciones de seguridad y monitorearse de cerca en todo momento para evitar daños al personal y al equipo.

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