Como um dos principais componentes de válvulas e tubulações de pressão, dissolvedores de pressão, caldeiras e outros equipamentos, as válvulas de esfera são usadas para controlar o fluxo ou corte de meios. Eles são amplamente utilizados em várias indústrias, como GNL, energia elétrica, indústria leve, construção, metalurgia e assim por diante. Como um baixo custo, o-ring de borracha (doravante referido como O-ring) é aplicável para ser instalado em várias válvulas para fornecer proteção de vedação sob condições estáticas ou dinâmicas sob temperatura, pressão e diferentes meios líquidos e gasosos especificados. Quando a válvula de esfera estiver na posição fechada, os requisitos de vedação especificados (ou requisitos de vazamento) devem ser atendidos. No projeto, o O-ring é selecionado como elemento de vedação, que pode evitar vazamentos com sucesso e obter um efeito de vedação completo. Especialmente, quando a haste da válvula gira durante o processo de abertura e fechamento da válvula de esfera, o atrito do movimento do O-ring é muito pequeno e o O-ring é selecionado como elemento de vedação para obter vazamento zero. Portanto, o O-ring é um dos elementos de vedação mais utilizados com o melhor efeito de vedação na válvula de esfera.

1. Escopo do aplicativo

A válvula de esfera é um tipo de válvula que pode ser aberta e fechada por dispositivo de acionamento manual, dispositivo de acionamento pneumático ou dispositivo de acionamento elétrico sob diferentes condições de trabalho. Durante a produção da válvula de esfera, o O-ring é um elemento de vedação adequado para várias formas de vedação. Sua vedação dinâmica e vedação estática desempenham um papel importante no desempenho de vedação de várias válvulas de esfera. Tome a válvula de esfera de duas peças como exemplo, conforme mostrado na Figura 1. O anel em O na face da extremidade e na haste da válvula pode efetivamente evitar o vazamento de vários meios e garantir a operação normal do sistema de válvula. Quando o O-ring é instalado em ambas as extremidades, ele pertence ao efeito de vedação estática. Quando o O-ring é instalado no orifício central do corpo da válvula e na haste da válvula, ele pertence ao efeito de vedação dinâmica.

(1) Vedação estática

O O-ring pertence ao selo de extrusão. A característica básica da estrutura da vedação por extrusão depende da deformação elástica da vedação e da pressão de contato na superfície de contato da vedação. Quando a pressão de contato é maior que a pressão interna do meio selado, desempenha um papel de vedação e, ao contrário, leva a vazamentos. Os corpos das extremidades esquerda e direita da válvula de esfera de duas peças estão em contato metal com metal e pertencem a uma estrutura de vedação estática. Para reduzir ou eliminar a folga da superfície de vedação entre eles, o O-ring é selecionado como elemento de vedação no projeto. Quando a pressão média é pequena, está em estado estático e a força de vedação necessária é muito pequena. Neste momento, os corpos das extremidades esquerda e direita podem ser vedados pela força de pré-aperto durante a montagem e pela força elástica do O-ring; Quando a pressão média continua aumentando, a pressão específica de vedação também aumenta e o O-ring se expande repentinamente. Neste momento, o O-ring evita efetivamente o ponto de vazamento entre as folgas em ambas as extremidades, garantindo assim o desempenho de vedação da válvula esférica.

Quando a válvula de esfera é aberta e fechada, independentemente do modo de condução adotado, a haste da válvula gira. Para evitar que o meio escape pela abertura do orifício central, uma ranhura é enganchada na haste da válvula e encaixada no O-ring. Embora a haste da válvula gire 90° reciprocamente, devido ao pequeno atrito e boa autolubrificação do O-ring, eles cooperam entre si para obter um bom efeito de vedação. Para garantir que a sede da válvula e o núcleo da válvula tenham um bom desempenho de vedação, uma ranhura também é usinada na sede da válvula e o O-ring é instalado nela. Quando a pressão do meio na cavidade da válvula aumenta, a sede da válvula se move em direção ao núcleo da válvula sob o impulso da força da mola. Sob a ação do alto desempenho elástico do O-ring, a estanqueidade da cavidade interna da tubulação é assegurada. Neste momento, o O-ring inicia o efeito de vedação dinâmica na tubulação. Nas duas primeiras formas estruturais, o O-ring pertence à estrutura de vedação dinâmica.

(3) Vedação de vazamento zero

A estrutura de vedação da válvula de esfera é dividida em dois tipos estruturais: vedação metálica e vedação macia. Comparado com a estrutura de vedação macia, a taxa de vazamento da estrutura de vedação de metal é maior. De acordo com o nível de vazamento da válvula API, se o nível de vazamento da estrutura de vedação de metal atingir VI (equivalente a vazamento zero), e a temperatura deve ser inferior a 200 ℃. Neste momento, o O-ring é selecionado como o elemento de vedação para válvulas de esfera de vedação estática e dinâmica. Todos os parâmetros de projeto são totalmente atendidos. Para a válvula de esfera de gás, a fim de evitar que o meio gasoso vaze através de vários canais, causando inflamabilidade e explosão, anéis de vedação são incorporados em cada ponto de vazamento, o que pode efetivamente impedir o vazamento do corpo da válvula. O valor da folga é inferior a 0,001 μm.

2. Seleção de materiais

Existem muitos tipos de materiais de O-ring, incluindo borracha fluorada (FKM), borracha nitrílica (NBR) e borracha de silicone (VMQ), borracha de etileno propileno (EPDM), borracha natural (NR), HNBR, FFKM, etc. Os materiais de O-ring em válvulas de esfera são geralmente borracha fluorada, borracha nitrílica e borracha de silicone. Para válvulas de esfera que requerem alta temperatura, como válvulas de esfera acima de 200 ℃, recomenda-se selecionar outros tipos de elementos de vedação. O material do O-ring usado na válvula de esfera não está relacionado apenas à temperatura, meio e pressão, mas também é afetado pelas condições de operação, ambiente e vários fatores abrangentes.

(1) Temperatura

A temperatura é um dos principais fatores que afetam a faixa de uso dos O-rings. No processo de projeto da válvula de esfera, a temperatura aplicável dos O-rings selecionados é geralmente -29 ~ 180 ℃. Para válvulas de esfera sob condições de alta ou baixa temperatura, materiais sintéticos especiais devem ser selecionados como vedantes para atender aos requisitos de desempenho de vedação.

Em materiais de borracha comuns, o FKM possui excelente resistência a altas temperaturas. A faixa de temperatura de trabalho do FKM comum é - 25 ~ 240 ℃, enquanto a marca especial do FFKM pode suportar a temperatura constante de 300 ℃ ou a alta temperatura instantânea de 340 ℃ sem endurecimento e falha de expansão. Portanto, para válvulas de esfera usadas sob alta temperatura sob outras condições de trabalho, o FFKM pode ser considerado adequadamente.

A borracha ficará quebradiça e perderá o efeito de vedação quando usada em condições de baixa temperatura. Portanto, válvulas de esfera de baixa temperatura geralmente não são recomendadas. O silicone é um dos materiais mais resistentes a baixas temperaturas em materiais de borracha. Embora possa atingir - 100 ℃, possui baixa resistência à tração e baixa resistência ao desgaste. Geralmente, não pode ser usado para peças de vedação dinâmicas rotativas. Portanto, válvulas de esfera sob condições de baixa temperatura não são adequadas para seleção. De acordo com dados relevantes, a temperatura de serviço da borracha de silicone é - 60-220 ℃, o que aumenta a resistência química e as propriedades mecânicas com base na manutenção da resistência à temperatura da borracha de silicone.

(2) Médio

Como uma das cinco principais válvulas, as válvulas de esfera são aplicáveis ​​a diferentes indústrias de engenharia. Para diferentes meios, é muito necessário selecionar materiais de borracha apropriados e anéis de vedação com materiais apropriados. Por exemplo, os O-rings FKM têm resistência à chama, boa estanqueidade ao ar, resistência ao ozônio e excelente resistência à corrosão. O-ring de silicone é mais adequado para válvulas de esfera com meios de poeira e partículas. O-ring de nitrilo tem boa vedação e absorção de choque em óleo, ácido, álcali, abrasão, invasão química e outros ambientes. Portanto, anéis de vedação adequados podem ser selecionados na válvula de esfera para outros meios químicos mistos, como meios ácidos, óleo, água, gás, meios oxidantes e redutores.

(3) Pressão

De acordo com o princípio químico do O-ring; A dureza do O-ring é geralmente shore 50-90. Quando a tubulação de pressão da válvula é baixa, o O-ring com a dureza shore 50-70 deve ser preferido para economia de custos e proteção ambiental. Quando a tubulação de pressão da válvula é alta, o O-ring com a dureza shore 70-90 deve ser recomendado para segurança. Quando a pressão da tubulação for maior ou igual a 150LB ou 1,0MPa, o O-ring deve ser embutido na ranhura de metal para evitar que o O-ring seja comprimido e deformado com a mudança de pressão. Além disso, o O-ring é facilmente danificado sob alta pressão. Ou seja, sob a ação de alta pressão, as moléculas de gás de alta pressão se infiltram no O-ring por um longo tempo. Quando a pressão externa do O-ring diminui instantaneamente, as moléculas internas de gás de alta pressão são fáceis de difundir rapidamente e quebrar o O-ring. Por exemplo, o O-ring de vedação na sede da válvula. Quando a válvula de esfera é girada e aberta, a pressão interna da cavidade da válvula liberará o meio e fará um grande som. Neste momento, o O-ring está quebrado, indicando que o desempenho de vedação da válvula de esfera falhou. Pode-se observar que neste caso, recomenda-se o uso de O-ring com alto desempenho de vedação para vedação da sede da válvula, ou substituir o O-ring em tempo hábil para garantir o funcionamento normal do tubo da válvula. Neste momento, o O-ring está quebrado, indicando que o desempenho de vedação da válvula de esfera falhou. Pode-se observar que neste caso, recomenda-se o uso de O-ring com alto desempenho de vedação para vedação da sede da válvula, ou substituir o O-ring em tempo hábil para garantir o funcionamento normal do tubo da válvula. Neste momento, o O-ring está quebrado, indicando que o desempenho de vedação da válvula de esfera falhou. Pode-se observar que neste caso, recomenda-se o uso de O-ring com alto desempenho de vedação para vedação da sede da válvula, ou substituir o O-ring em tempo hábil para garantir o funcionamento normal do tubo da válvula.

3. Análise de falhas e métodos de tratamento

Através do uso a longo prazo e da prática de teste, existem três fatores abrangentes que causam a falha do O-ring.

(1) Incompatível com mídia

No projeto do produto da válvula de esfera diária, o O-ring selecionado não é compatível com o meio do canal, o que causará corrosão, deformação por dilatação e fratura. Tais problemas afetarão seriamente a qualidade dos produtos da válvula de esfera. Por exemplo, para o meio com alta concentração ácido-base, como ácido nítrico, ácido sulfúrico e cloreto de sódio, a aplicação de O-ring deve ser cuidadosamente considerada ao projetar a válvula de esfera.

(2) Falha por fadiga

Na válvula de esfera à prova de fogo de gás de três peças usada no gasoduto da válvula de gás. Se a pressão da válvula de esfera for de 4,0 Mpa e a pressão real sob a condição de serviço for de 6,3 MPa, verifica-se que a vedação do O-ring no anel de suporte falha quando a válvula de esfera é instalada no tubo de pressão e operada por um período de tempo. Após a análise, porque a faixa de pressão de trabalho real é maior que a faixa de flutuação do sistema de tubulação, e a pressão entre eles é muito próxima, a frequência de abertura e fechamento é alta, resultando na contração recíproca do O-ring e no O-ring atingindo o limite de vida especificado. Isso leva à falha por fadiga dos O-rings. A fim de garantir o funcionamento normal do sistema de gasodutos,

(3) Falha de deformação permanente

Entre todos os materiais de vedação usados ​​em válvulas de esfera, o O-ring de borracha tem dureza relativamente menor do que o politetrafluoretileno (PTFE) e o grafite flexível, mas sua resiliência é maior do que os dois primeiros. Se for aplicado a tubos de válvula de alta temperatura e alta pressão, a borracha será distorcida pelo calor e pela pressão, e é fácil produzir deformação e falha permanentes. Se o produto da válvula de esfera for usado na tubulação de gás natural de baixa pressão, o O-ring com dureza 65 shore é selecionado como elemento de vedação. Após o produto ter sido operado por um certo período de tempo, o O-ring na vedação da sede da válvula é retirado e verifica-se que sua superfície é lisa, mas sua seção transversal mudou para o formato de ranhura quadrada sem resiliência, resultando em falhas graves de vedação. Nesse momento,

4. Conclusão

No projeto e desenvolvimento de válvulas de esfera, ao selecionar O-rings como elementos de vedação, a influência de diferentes condições de trabalho, como temperatura, meio e pressão, e a mudança do ambiente de trabalho nos O-rings devem ser consideradas de forma abrangente. Em segundo lugar, a posição, estrutura, instalação e manutenção dos O-rings não podem ser ignoradas. Somente assim a vida útil dos O-rings pode ser estendida, a taxa de serviço dos O-rings pode ser melhorada e a operação normal dos produtos de válvula de esfera em tubos de pressão pode ser assegurada.