Análisis estructural y de estrés de válvulas de bola de inclinación de trunnion criogénico de entrada superior

Válvulas de bola criogénicas Utilizados en las estaciones receptoras de GNL generalmente se sueldan a tuberías para garantizar la integridad del límite de presión, lo que requiere que las válvulas apoyen el mantenimiento en línea, lo que hace que los diseños de entrada superior sean más comunes. A medida que el mercado de GNL se expande en China, la aplicación de Válvulas de bola criogénicas de entrada superior Se está ampliando, con la demanda dentro de la industria de bajas temperaturas también aumenta constantemente.

Las válvulas de bola de entrada superior criogénicas en el mercado generalmente se clasifican como bola flotante o montadas en muñones según su diseño estructural.

En una válvula de bola flotante inclinada, la bola y los asientos están dispuestos en un ligero ángulo en lugar de en una alineación perfectamente horizontal. Dado que la bola está flotando, no puede soportar una presión media alta y requiere un par de torsión bajo para abrir y cerrar. Por lo tanto, las válvulas de bola flotante inclinadas criogénicas de entrada superior suelen ser válvulas de bola de baja presión y de pequeño diámetro. En las válvulas de bola flotante inclinadas de entrada superior, la fuerza de precarga entre la bola y el anillo de sellado se aplica directamente a la bola a través de la compresión de resorte vertical y longitudinal. Esto crea una fuerza de contacto alta entre la bola y la sección inferior del anillo de sellado del asiento de la válvula (I), mientras que la fuerza de contacto en la junta superior (II) es relativamente baja. Esto provoca una tensión desigual en la superficie de sellado entre la bola y el anillo de sellado. Durante una operación prolongada, el medio de sellado puede comenzar a filtrarse desde la sección superior (II) del anillo de sellado.

Además, dado que el resorte se comprime entre el vástago de la válvula y la bola, se retuerce y se deforma a medida que el vástago de la válvula gira durante la apertura y el cierre. Esto reduce la vida útil del resorte, haciéndolo propenso a un mal funcionamiento y potencialmente causando fugas internas.


1. Cuerpo de la válvula 2. Asiento de la válvula 3. Anillo de obturación 4. Bola 5. Junta de bobinado 6. Eje de la válvula 7. Tornillo 8. Arandela de empuje 9. Cojinete 10. Resorte 11. Capó de la válvula
Figura 1 Válvula de bola de pendiente flotante criogénica de entrada superior

Las válvulas de bola de muñón de entrada superior criogénicas se pueden diseñar para manejar requisitos de alta presión y gran diámetro. La presión de contacto entre la bola y el anillo de sellado se crea mediante una combinación de la fuerza del resorte horizontal detrás del asiento de la válvula y la presión del medio. Para evitar fugas internas en condiciones de baja presión, la precarga del resorte debe proporcionar suficiente presión de sellado inicial, lo que garantiza un ajuste perfecto entre la bola y el anillo de sellado después de la instalación. Como resultado, la estructura de una válvula de bola de muñón de entrada superior estándar es relativamente compleja y requiere herramientas especialmente diseñadas para ensamblar y desensamblar válvulas de varias especificaciones, lo que dificulta el montaje, el desmontaje y el mantenimiento.

Para lograr el sellado bidireccional, prolongar la vida útil y reducir el par en condiciones criogénicas, se implementó una optimización estructural basada en el diseño de una válvula de bola de pendiente flotante de entrada superior estándar. La estructura primaria se ilustra en la Figura 2.

1. Cuerpo de la válvula 2. Eje inferior de la válvula 3. Cojinete II 4. Bola 5. Anillo de presión 6. Placa de presión 7. Junta 8. Resorte de disco 9. Casquillo 10. Eje superior de la válvula 11. Arandela de empuje 12. Cojinete I 13. Capó de la válvula 14. Anillo de sellado I 15. Asiento de la válvula 16. Anillo de sellado II 17. Junta de prohibición

Figura 2 Válvula de bola de pendiente de muñón de entrada superior criogénica

La estructura de la bola de la válvula se ilustra en la Figura 3. Cada lado de la abertura de la bola presenta una superficie de cuña en ángulo, paralela a las superficies inclinadas tanto en el cuerpo de la válvula como en el conjunto del asiento de la válvula. La superficie superior de la bola está mecanizada con una ranura de espiga rectangular que alinea con el eje plano en el extremo inferior del eje de la válvula superior. La superficie inferior de la bola incluye un pequeño escalón dentro del orificio del eje del cojinete deslizante 1. El escalón y la parte superior del eje de la válvula inferior forman una cavidad que permite que la bola se mueva verticalmente. Esta cavidad asegura que el resorte vertical pueda aplicar suficiente presión de sellado entre la bola y el anillo de sellado, proporcionando al resorte con un rango ajustable. La excentricidad entre la línea central del canal de flujo de la bola y la línea horizontal del centro de la bola está optimizada para minimizar la resistencia al flujo.


(A) Vista isométrica tridimensional (b) Vista frontal bidimensional
Figura 3 Estructura de la esfera

El asiento de la válvula presenta una estructura de sellado bidireccional, que ofrece mayor confiabilidad que una válvula de bola flotante, que depende de un sello de una sola dirección del asiento de la válvula aguas abajo. El sello de contacto entre el asiento de la válvula y la bola se mecaniza con una muesca para instalar el anillo de sellado PCTHE I (Figura 2). La superficie trasera, que entra en contacto con la superficie inclinada del cuerpo de la válvula, también está mecanizada con muescas para instalar el tapón de prohibición y el anillo de sellado PCTFE II, proporcionando al asiento de la válvula con doble sellado.

La parte superior del asiento de la válvula y el anillo de presión se alinean utilizando el hombro inclinado del anillo de presión (Figura 4). La superficie interior del anillo de presión se acopla con al jefe de posicionamiento I en la parte inferior de la placa de presión, asegurando que la fuerza de precarga del resorte se transmita hacia abajo a través de la placa de presión, el anillo de presión y el asiento de la válvula como una unidad. Esta fuerza se dirige luego a la bola y la pendiente del cuerpo de la válvula, asegurando una fuerza de sellado uniforme en el conjunto del asiento de la válvula. Este diseño evita el sellado desigual, que es un problema común en las válvulas de bola flotante tradicionales donde el resorte entra en contacto directo con el eje de la bola y la válvula. Además, el uso de un resorte de disco elimina el riesgo de deformación torsional y fallas que pueden ocurrir en resortes cilíndricos en espiral debido a la rotación del vástago de la válvula.


Figura 4 Estructura del anillo de presión

La figura 5 muestra la estructura de la placa de presión. La parte superior cuenta con un jefe de posicionamiento I para instalar el resorte. El orificio interior de la placa de presión está diseñado para adaptarse al diámetro exterior del manguito del eje, creando un espacio de guía para la instalación del resorte. La parte superior del manguito del eje entra en contacto con el hombro del eje de la válvula, lo que permite que el manguito del eje y el eje superior de la válvula deslicen el resorte de compresión hacia arriba y hacia abajo a lo largo del eje del eje de la válvula. Una arandela de empuje y un cojinete deslizante I se colocan en la superficie del extremo superior del hombro del eje de la válvula.


Figura 5 Estructura de la placa de presión

Se funde una forma cónica en la parte delantera e inferior del cuerpo de la válvula (Figura 6), y se mecaniza un orificio pasante roscado en la parte superior para conectar con la válvula de alivio de presión unidireccional. Esta válvula permite la descarga de presión de vaporización anormal desde el interior de la cavidad de la válvula hacia el exterior. Se aborda el problema de la acumulación de presión en válvulas criogénicas, asegurando la seguridad y confiabilidad del sistema de tuberías.


Figura 6 Estructura del cuerpo de la válvula

Al diseñar una válvula de bola de pendiente de muñón de entrada superior criogénica, se deben realizar cálculos teóricos iniciales, incluidos los del espesor de la pared del cuerpo de la válvula, la presión de sellado, el par de la válvula, la resistencia del eje de la válvula y la resistencia de los pernos de conexión. Para lograr un sellado bidireccional, es necesario no solo seleccionar los parámetros de diseño adecuados, sino también realizar un análisis de tensión en el cuerpo de la válvula. Esto ayuda a determinar la estructura óptima del cuerpo de la válvula, minimizando la deformación de la superficie de cuña del cuerpo de la válvula y asegurando un sello adecuado en la parte posterior del asiento de la válvula.

Tamaño nominal: DN100
Presión nominal: PN20
Temperatura de diseño: -196 - 60 ° C
Presión de diseño: 1,9MPa
Material del cuerpo de la válvula: CF8M

Las propiedades mecánicas específicas se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1 Parámetros de propiedades mecánicas de los materiales del cuerpo de la válvula

 

En condiciones de baja temperatura, el cuerpo de la válvula está influenciado por el efecto combinado de la presión de prueba de sellado y la fuerza de precarga vertical del resorte, con valores establecidos en 2,09MPa y 3600 N, respectivamente. El modelo de cálculo del cuerpo de la válvula en condiciones de prueba se muestra en la Figura 7. A través del análisis, se verifica si la resistencia del cuerpo de la válvula cumple con los estándares requeridos, y el rendimiento de sellado de la parte posterior del asiento de la válvula se evalúa en función de la deformación máxima de la superficie de cuña del cuerpo de la válvula.


Figura 7 Modelo de cálculo en condiciones de prueba

El cuerpo de la válvula se somete a una evaluación de esfuerzo de acuerdo con con los requisitos estándar. La evaluación de esfuerzo incluye solo el esfuerzo total de la membrana primaria (σm) y el esfuerzo combinado parcial de la membrana y el esfuerzo de flexión primario (σL + σb). Se seleccionan cinco puntos de evaluación en o cerca de la ubicación de esfuerzo máximo del cuerpo de la válvula (Figura 8). Después de aplicar las condiciones de contorno, el software calcula el esfuerzo de la membrana y el esfuerzo de flexión en la sección crítica (Tabla 2). Las tensiones calculadas se comparan con los valores permitidos estándar para garantizar que estén dentro de los límites aceptables. La concentración de estrés se produce en la intersección de la superficie de la cuña y la superficie curva del cuerpo de la válvula (Figura 9). La introducción de filetes en esta ubicación puede reducir efectivamente la concentración de estrés.


Figura 8 Ruta de evaluación


Figura 9 Distribución máxima de la tensión principal


Figura 10 Distribución de la tensión

Tabla 2 Resultados de la evaluación del estrés corporal de la válvula

 
En base a este diseño, se optimizó el espesor de la pared del cuerpo de la válvula y se eligió un espesor final de 10 mm. Se realizó un análisis completo de la estructura del cuerpo de la válvula (Figura 10). Los resultados del análisis indican que la deformación del cuerpo de la válvula es mínima, con una deformación máxima de 0,05665 mm, mientras que la deformación máxima de la superficie de la cuña del cuerpo de la válvula es de 0,03647 mm

Este artículo presenta las características estructurales de las válvulas de bola de pendiente de muñón criogénicas de entrada superior utilizadas en las estaciones receptoras de GNL, a lo largo con del proceso para su desmontaje, mantenimiento y remontaje en línea. Se utilizó el software de modelado 3D de SolidWorks para crear el modelo del cuerpo de la válvula, que luego se importó al software de análisis de elementos finitos ANSYS para optimización estructural. El grosor de la pared del cuerpo de la válvula se optimizó para minimizar la deformación y cumplir con los requisitos de diseño para las condiciones de funcionamiento, proporcionando una base crucial para futuras mejoras del producto. Este producto se encuentra actualmente bajo solicitud de patente para una invención en China, con el número de solicitud 202110497848.