Válvulas de bola de metal de alto rendimiento

Resumen: Un asiento de válvula elástica de alto rendimiento está diseñado para válvulas de bola de metal sellado duro utilizadas en condiciones de trabajo de alta temperatura y alta presión en plataformas de producción de petróleo y gas. Los parámetros de diseño y los requisitos de prueba de rendimiento de sellado de Válvulas de bola con asiento de metal Se presentan. Se comparan los diseños estructurales de los asientos elásticos de las válvulas y los asientos convencionales de las válvulas, y se utiliza el método de elementos finitos para simular y analizar la distribución de tensiones de los anillos de sellado de los dos tipos de asientos de las válvulas. A través de pruebas de sellado de líquido a alta presión y pruebas de sellado de gas a alta presión, se verifica el rendimiento efectivo de sellado del asiento elástico de la válvula, especialmente en condiciones de trabajo de altos parámetros. El rendimiento de sellado del asiento elástico de la válvula es más prominente.

Una válvula de bola es una pieza esférica de apertura y cierre accionada por un eje de transmisión (vástago de válvula) que gira alrededor del eje central del eje de transmisión para lograr la acción de apertura y cierre. Tiene las ventajas de baja resistencia al flujo, sellado confiable y fácil operación. Es ampliamente utilizado en los campos del petróleo y el gas natural, la industria química, el acero y la nueva energía, y tiene una perspectiva de mercado muy amplia. Para las condiciones de trabajo de alta temperatura y alta presión de las plataformas de producción de petróleo y gas, este documento diseña una válvula de bola de asiento duro de alto rendimiento con un asiento de válvula elástica para cumplir con los requisitos de alta temperatura, alta presión y buen rendimiento de sellado. Este artículo presenta brevemente el diseño y la verificación de rendimiento.

El diámetro nominal de la válvula de bola de asiento de metal es DN200 mm (NPS 8 "). La presión nominal es de 42,0 MPa (Clase 2500); la temperatura de diseño es de -29 a 235 ° C, y se utiliza para mezclar aceite y gas. El cuerpo de la válvula de la válvula de bola de asiento de metal está hecho de ASTM A105, la bola ASTM A182 F6a CL2 plus STL12, y el asiento de la válvula ASTM A182 F6a CL2 plus STL6. Tanto las aleaciones STL12 como STL6 son procesadas por el combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF). 

Además de cumplir con API 6D (24th) - 2014 "Especificación para tuberías" y los requisitos del artículo 9,4 de "Válvulas industriales", se realizará una prueba de sellado de gas a alta presión en el asiento de la válvula. Durante la prueba de sellado de gas a alta presión, la fuga del sello del asiento de la válvula no será mayor que el doble del requisito de ISO 5208-2015 "Válvulas industriales - Prueba de presión de válvulas metálicas" Velocidad D según se especifica en el apéndice H de API 6D (24th) - 2014, y no excederá los requisitos de ISO 5208-2015 Velocidad de grado D.

El sellado es un indicador extremadamente importante para evaluar el rendimiento de la válvula. Muchos factores aseguran el sellado de las válvulas, como el diseño estructural y el proceso de fabricación del par de sellado, el material de las piezas, el tipo de medio y su presión nominal. Estos factores suelen ser imposibles de calcular con precisión. La estructura de sellado de la válvula de bola de asiento duro consta de un asiento de válvula y una bola. Tanto el asiento de la válvula como la bola tienen una superficie de sellado esférica y lisa que ha sido molida de con alta precisión. El asiento de la válvula del pistón es empujado por cargas externas (fuerza del resorte y presión media). La superficie de sellado esférica del asiento de la válvula del pistón está bien presionada contra la bola, lo que permite que el par de sellado alcance la relación de presión de sellado, logrando así el sellado. Las estructuras de sellado del asiento de la válvula convencional y el asiento de la válvula elástica se muestran en las figuras 1 y 2.


Figura 1 Estructura de sellado con asientos de válvulas convencionales


Figura 2 Estructura de sellado con asientos elásticos de válvulas

Figura 3 Diagrama de la nube de tensión del anillo de sellado del asiento de la válvula convencional


Figura 4: Mapa de la nube de tensión de los anillos de sellado elásticos del asiento de la válvula




Aunque la presión de la superficie de sellado del par de sellado del asiento de válvula convencional y el asiento de válvula elástico cumple con la fórmula, la comparación de los diagramas de nubes de tensión de la correa del anillo de sellado de las Figuras 3 y 4 muestra que diferentes diseños de estructura de asiento de válvula y parámetros de funcionamiento tienen un impacto importante en el efecto de sellado. Especialmente cuando las válvulas de bola de asiento duro se utilizan en condiciones de trabajo especiales o de alto parámetro, además de los cálculos teóricos, se debe considerar la influencia de los parámetros de las condiciones de trabajo en el efecto de sellado de los pares de sellado de válvulas. Esto incluye la tensión y deformación de la bola, el asiento de la válvula y el anillo de sellado cuando el medio fluido de alta presión actúa sobre la bola y el asiento de la válvula a alta presión.

Los requisitos técnicos de la válvula de bola con asiento metálico estipulan que el rendimiento de sellado de la válvula de bola no solo cumplirá con los requisitos de ISO 5208-2015 Grade Rate D en la prueba de sellado de líquidos a alta presión, sino que también se someterá a una prueba de sellado de gas a alta presión. y la fuga no excederá ISO 5208-2015 Grado Tasa D. La unidad de fuga de las válvulas con asiento metálico especificada en ISO 5208-2015 es mm³/s, mientras que el volumen del medio de prueba filtrado generalmente se mide con una taza de medición en ml durante la prueba de sellado de la válvula. En este documento, minutos se utilizan como el tiempo de prueba, y la unidad de medición es mL/min. Se convierte la fuga máxima permitida de los sellos metálicos NPS 8 "y Clase 2500 especificados en ISO 5208-2015, y los resultados se muestran en la Tabla 1.

A partir de los datos de la Tabla 1, se puede ver que la fuga permitida por la prueba de gas a alta presión es mucho mayor que la permitida por la prueba de líquido a alta presión. Tomando la tasa D como ejemplo, la fuga permitida por la prueba de gas a alta presión es 300 veces la permitida por la prueba de líquido a alta presión. La prueba de sellado de gas a alta presión impone requisitos más altos en el diseño y proceso de fabricación del par de sellado de válvulas. Después de ensamblar la válvula de bola con asiento de metal, se prueba a 1,1 veces la presión de trabajo de acuerdo con los requisitos de API 6D (24th)-2014. Los resultados de la prueba de fugas del par de sellado de los dos tipos de válvulas de bola del asiento de la válvula se muestran en la Tabla 2.

Tabla 1 Resultados de la conversión de la fuga máxima permitida de NPS 8 ", par de asientos de metal Clase 2500 en ISO 5208-2015

 

Tabla 2 Resultados de la prueba de fugas de sellos de válvula de bola con dos tipos de estructuras de asiento de válvula

 
Como se puede ver en la Tabla 2, la fuga del par de sellado durante la prueba de sellado líquido de la válvula de bola diseñada con una estructura de asiento de válvula convencional cumple con los requisitos de ISO 5208-2015 Grado Tasa D, Pero la fuga del par de sellado durante la prueba de sellado de gas a alta presión excede con creces los requisitos de la norma, lo que hace que la conclusión de la prueba no sea calificada. La fuga del par de sellado durante la prueba de sellado de líquido y la prueba de sellado de gas a alta presión de la válvula de bola diseñada con una estructura de asiento de válvula elástica cumple con los requisitos de ISO 5208-2015 Grado Rate D. La fuga del par de sellado en la prueba de líquido a alta presión incluso cumple con la tasa A de grado más alto de ISO 5208-2015, y la fuga del par de sellado en la prueba de gas a alta presión puede cumplir con los requisitos de ISO 5208-2015 Tasa C. Se puede ver que la válvula de bola con un diseño de estructura de asiento de válvula elástica tiene un excelente rendimiento de sellado.

Al optimizar y actualizar la estructura de asiento de válvula convencional de la válvula de bola con asiento de metal, se diseña una estructura de asiento de válvula elástica de alto rendimiento, mejorando en gran medida el rendimiento de sellado del par de sellado de la válvula de bola. La prueba de rendimiento de sellado muestra que, en comparación con el asiento de válvula convencional, el asiento de válvula elástico tiene un mejor efecto de sellado en condiciones de trabajo de alto parámetro y alta temperatura y puede cumplir los requisitos de estas condiciones.