1 Overview

Las válvulas de seguridad son accesorios de seguridad indispensables para diversas calderas, recipientes a presión y tuberías de presión, y se utilizan ampliamente en diversos campos como el petróleo, la industria química, la central eléctrica, la metalurgia, la energía nuclear y la defensa nacional. Los sellos de las diversas partes de la válvula de seguridad se dividen en sellos metálicos y sellos no metálicos según el tipo de contacto. Los sellos de goma en forma de O (en adelante denominados juntas tóricas) son estructuras típicas de sellos no metálicos. La goma es un material polimérico elástico, que puede producir una gran deformación cuando se le aplica un pequeño esfuerzo. Esta deformación puede proporcionar presión de contacto, compensar las fugas y lograr el propósito de sellado. Por lo tanto, los sellos de goma son más fáciles de lograr que otras formas de sellos, y el rendimiento de sellado es excelente, ya sea que se utilicen para sellado estático o dinámico, la tasa de fuga puede mantenerse en un nivel bajo. Especialmente para sellos dinámicos, la resistencia a la fricción del movimiento de las juntas tóricas es muy pequeña, lo que puede adaptarse a ocasiones de presión alternante.

2. Condiciones de trabajo aplicables

La válvula de seguridad es una válvula de protección de seguridad que se abre y cierra automáticamente según la presión de trabajo del sistema. Según el principio de acción, se puede dividir en tipo de acción directa y tipo de acción indirecta. La válvula de seguridad con resorte y la válvula de seguridad operada por piloto son estas dos formas representativas respectivamente. Tome estas dos válvulas de seguridad comúnmente utilizadas como ejemplos para ilustrar las principales ocasiones de aplicación de las juntas tóricas.

(1) Condición de baja presión

La válvula de seguridad es una válvula automática que no depende de una fuerza motriz externa para sellar (excepto las válvulas de seguridad con dispositivos auxiliares). La carga de sellado en el asiento de la válvula está determinada principalmente por la precarga del resorte (válvula de seguridad con carga directa del resorte) o la presión del medio de trabajo (válvula de seguridad operada por piloto), la carga de sellado es menor que en otros tipos de válvulas, y el sellado es más difícil. Cuando la presión establecida es baja, la precarga del resorte o la presión del medio de trabajo es correspondientemente pequeña, y la carga de sellado del asiento de la válvula es pequeña, y otros tipos de formas de sellado son difíciles de sellar. Debido a la alta elasticidad de la junta tórica, su mecanismo de sellado puede garantizar el sellado bajo una carga pequeña. Bajo condiciones de baja presión, es más razonable elegir una junta tórica para el sellado en el asiento de la válvula.

(2) Condiciones de sellado dinámico

La válvula de seguridad operada por piloto consta de una válvula principal y una válvula piloto, y la apertura y cierre de la válvula principal está controlada por la válvula piloto que detecta la presión del sistema. La estructura interna de la válvula piloto es compacta, el canal de flujo es estrecho, el espacio es limitado, hay muchas partes móviles relativas y las partes de sellado son ajustadas. El disco de la válvula principal y la camisa guía son estructuras tipo pistón. Para asegurar que el medio en la cámara formada por el disco de la válvula y la camisa guía no se escape, y al mismo tiempo mantener buenas características de movimiento del disco de la válvula cuando se abre la válvula de seguridad, la mayoría de los sellos dinámicos axiales utilizan juntas tóricas.

(3) Condiciones de trabajo con requisitos estrictos de tasa de fuga

En comparación con la estructura de sellado no metálica, la tasa de fuga de la estructura de sellado metálica es mayor. Según las regulaciones de API 527, la tasa máxima de fuga permitida del asiento de la válvula de seguridad con sello metálico depende del área del canal de flujo y la presión establecida, y el número de burbujas es de 20 a 100 por minuto. Las burbujas de aire de fuga de las válvulas de seguridad con estructura de sellado no metálica pueden ser tan bajas como 0/min. Obviamente, la estructura de sellado no metálica es más adecuada para ocasiones con requisitos estrictos de tasa de fuga. Por ejemplo, el gas hidrógeno es un gas de molécula pequeña, fácil de escapar, inflamable y explosivo, y muy peligroso. Por lo tanto, se considera que el control de la tasa de fuga debe ser muy estricto. En el sello no metálico, la estructura de sellado de la junta tórica es relativamente simple, y es fácil de instalar, mantener y reemplazar. Por lo tanto, se utilizan muchas juntas tóricas para el sellado del asiento de la válvula en condiciones que contienen hidrógeno.

Sello de goma de junta tórica

3. Forma principal de sellado y diseño de estructura

La junta tórica pertenece al sello tipo extrusión. El principio básico de funcionamiento del sello tipo extrusión es depender de la deformación elástica del sello para causar presión de contacto en la superficie de contacto del sellado. Si la presión de contacto es mayor que la presión interna del medio sellado, no ocurrirá fuga, y viceversa. Ocurre una fuga. Para asegurar un sellado efectivo, el rendimiento del material y el diseño de la estructura de sellado son muy importantes. Para diferentes tipos de estructuras de sellado, la cantidad de compresión y el diseño de la ranura de la junta tórica son diferentes. Las formas de sellado del anillo de goma en forma de O en la válvula de seguridad incluyen principalmente sellado estático de cara final, sellado dinámico recíproco y sellado del asiento de la válvula.

(1) Sellado estático de cara final

Los sellos entre el asiento de la válvula y el cuerpo de la válvula y entre el cuerpo de la válvula y la placa de cubierta de la válvula de seguridad operada por piloto pertenecen al sellado estático de cara final, y su estructura es relativamente simple. Bajo condiciones de sellado estático, la junta tórica se comprime en dirección axial, y bajo presión, producirá fluencia radial. Por lo tanto, se debe considerar la dirección de la presión al diseñar la ranura de la junta tórica. La junta tórica debe tener un cierto espacio en la ranura, y el volumen de la junta tórica representa aproximadamente el 75% del volumen de la ranura. Cuando el diámetro interior se estira en la ranura, para evitar un estrés interno excesivo causado por un estiramiento excesivo, la cantidad de estiramiento debe controlarse entre el 1% y el 3% del diámetro del alambre, y no debe exceder el 5%. La tasa de compresión del sello de cara final debe controlarse entre el 20% y el 30%. Para evitar la concentración de tensiones, el fondo de la ranura debe ser redondeado, con un radio de 0.2-0.5 mm, y la rugosidad Ra en la ranura preferiblemente es de 1.6 μm.

(2) Sellado dinámico recíproco

El sello entre el disco de la válvula principal y la camisa guía de la válvula de seguridad piloto es un sello dinámico recíproco. Dado que la válvula de seguridad es una válvula normalmente cerrada, la frecuencia de acción generalmente es muy baja y el ciclo de movimiento es corto. En condiciones normales de trabajo, el disco y la camisa guía están sellados estáticamente en dirección axial, y hay movimiento recíproco solo cuando la válvula de seguridad se abre y cierra. Cuando la válvula de seguridad se abre, el disco de la válvula principal se mueve hacia arriba. Cuando la válvula de seguridad se cierra, el disco de la válvula principal se mueve hacia abajo, lo que es diferente del sellado dinámico recíproco de la maquinaria general, y la junta tórica se comprime en dirección radial. Para asegurar el efecto de sellado inicial sin afectar el rendimiento de acción de la válvula, el diseño de la ranura de la junta tórica debe considerar controlar la cantidad de deformación radial. La compresibilidad radial debe controlarse dentro del 10% al 15%, y la rugosidad de la ranura debe controlarse por debajo de Ra0.8 μm. Cuando se mueve recíprocamente bajo alta presión, la junta tórica es fácilmente exprimida, y se recomienda instalar un anillo de retención.

(3) Sellado del asiento

La superficie de sellado formada por el asiento de la válvula de la válvula de seguridad, el disco y el anillo en O es el sello del asiento. Cuando la presión del sistema es inferior a la presión de ajuste de la válvula de seguridad, la válvula de seguridad está en estado cerrado, y en este momento el asiento de la válvula y el disco están en contacto para formar un sello estático en la cara final. Cuando la presión del sistema es mayor que la presión de ajuste de la válvula de seguridad, el disco y la superficie de sellado del asiento de la válvula se separan, y la válvula de seguridad se abre para liberar la presión del sistema. Cuando la presión del sistema cae a un cierto valor, la válvula de seguridad vuelve al estado cerrado, y el asiento de la válvula y el disco vuelven a estar en contacto para formar un sello estático en la cara final. Durante el proceso de apertura y cierre de la válvula de seguridad, el cambio brusco de presión tendrá cierto impacto en la superficie de sellado, y el anillo en O es fácilmente expulsado o dañado por la presión acumulada dentro de la ranura. Por lo tanto, el diseño de la ranura del anillo en O del sello del asiento de la válvula no solo debe considerar el rendimiento de sellado, sino también la fiabilidad del anillo en O después de que el asiento de la válvula y la superficie de sellado del disco se separen. Una forma común de sello del asiento de la válvula es el tipo de ranura en cola de milano, y diferentes estructuras tienen diferentes esquemas en el diseño. Lo más importante para el sellado del asiento es asegurar la proporción de volumen de la ranura y evitar que la apertura de la ranura sea demasiado grande, causando que el anillo en O sea expulsado.

4. Selección de material

Los materiales de anillos en O comúnmente usados en válvulas de seguridad generalmente incluyen caucho de fluorocarbono (FKM), caucho nitrilo (NBR), caucho etileno-propileno (EPDM), caucho fluorosilicona (FVMQ) y caucho perfluoroéter (FFKM). Para temperaturas que exceden el límite de uso del anillo en O, o cuando el medio afecta el rendimiento del anillo en O, generalmente no se recomienda elegir una válvula de seguridad que use el anillo en O como sello. La selección de anillos en O en válvulas de seguridad está relacionada con la temperatura, el medio y la presión. Además, se debe considerar la influencia integral de varios factores.

(1) temperatura

La temperatura es uno de los factores clave que afectan el rango de uso de los sellos de caucho de anillo en O. La temperatura de uso generalmente es de -60°C a 327°C. Se deben seleccionar materiales especiales para condiciones de alta o baja temperatura para lograr un sellado efectivo. Entre los materiales de caucho comúnmente usados, el caucho perfluoroéter tiene una excelente resistencia a altas temperaturas. El rango de temperatura de trabajo del caucho perfluoroéter ordinario es de -25°C a 240°C, y grados especiales de caucho perfluoroéter pueden soportar una temperatura constante de 316°C o 343°C. La alta temperatura intermitente no causa endurecimiento ni fragilización, por lo que para condiciones de alta temperatura donde otros cauchos no son adecuados, se puede usar caucho perfluoroéter.

El caucho se vuelve frágil a bajas temperaturas y pierde su efecto de sellado, por lo que generalmente no se recomienda su uso en ambientes de baja temperatura. El caucho de silicona tiene la mejor resistencia a bajas temperaturas entre los materiales de caucho. El grado de baja temperatura puede usarse hasta -100°C, pero su resistencia a la tracción es baja y su resistencia al desgaste es débil. Generalmente, no puede usarse para sellos dinámicos y no es adecuado para sellos de válvulas de seguridad. El caucho fluorosilicona, que es el segundo mejor en resistencia a bajas temperaturas después del caucho de silicona, puede usarse en un rango de temperatura de -60°C a 177°C. Manteniendo la resistencia a bajas temperaturas del caucho de silicona, fortalece la resistencia química y las propiedades mecánicas. En condiciones de baja temperatura, se prefiere el caucho fluorosilicona.

(2) Medio

Las válvulas de seguridad se usan ampliamente en las industrias petroquímica, energética y de energía. Para diferentes medios, se deben seleccionar materiales apropiados. El caucho de fluor tiene retardancia a la llama, excelente hermeticidad, resistencia al ozono, resistencia a la intemperie, buena resistencia al envejecimiento y amplia resistencia a la corrosión. Es adecuado para ácidos inorgánicos, combustible, oxígeno puro, tetracloruro de silicio, etc., en válvulas de seguridad ampliamente usadas. El caucho etileno-propileno tiene excelente resistencia al agua, vapor y agua sobrecalentada, y es adecuado para válvulas de seguridad en condiciones de vapor a alta temperatura en la industria energética. El caucho perfluoroéter es adecuado para disolventes orgánicos que contienen compuestos hidrocarburos aromáticos y aquellos que contienen medios con sulfuro de hidrógeno húmedo.

(3) Presión

Los anillos en O comúnmente usados tienen una dureza de 50-90 Shore. Según el principio de sellado del anillo en O, cuando la presión del sistema es baja, se recomienda usar un anillo en O con menor dureza. Cuando la presión del sistema es alta, elija un anillo en O con mayor dureza. Cuando la presión de trabajo supera los 10MPa, es mejor usar un anillo de retención para evitar que el anillo en O sea exprimido en la brecha de sellado y se deforme bajo alta presión. Además, cuando la presión es alta, el anillo en O es propenso a la "implosión", es decir, el anillo en O está bajo alta presión durante mucho tiempo, y las moléculas de gas de alta presión penetran en el interior del anillo en O. Cuando la presión externa del anillo en O cae instantáneamente, las moléculas de gas de alta presión internas pueden romper el anillo en O debido a la rápida difusión. Especialmente el anillo en O en el sello del asiento, cuando la válvula de seguridad se abre, la liberación instantánea de presión puede causar fácilmente que el anillo en O "implosione", por lo que bajo condiciones de alta presión, se recomienda que el anillo en O aquí sea preferiblemente un anillo en O de alta densidad o un anillo en O a prueba de implosión.

5. Análisis y tratamiento de fallas

(1) Falla por incompatibilidad con el medio

En la ingeniería práctica, el anillo en O seleccionado es incompatible con el medio, y ocurren problemas como corrosión, hinchazón, deformación y fractura, lo que resulta en la falla del sello de la válvula de seguridad.

(2) Falla por fatiga En una unidad de hidrogenación de gas natural, la presión de ajuste de la válvula de seguridad es de 26MPa, y la presión de trabajo es de 24.7MPa. Después de un período de operación en línea, ocurre una fuga. La inspección tras desmontar la válvula de seguridad reveló un anillo en O fracturado en el sello del asiento. Después del análisis, debido a que el rango de fluctuación de la presión de trabajo real excede el rango esperado del sistema, y la presión de trabajo del sistema está muy cerca de la presión de ajuste, la válvula de seguridad se activa frecuentemente, alcanzando el límite de vida del anillo en O, lo que resulta en una falla por fractura por fatiga del anillo en O. La solución es controlar las fluctuaciones de presión del sistema mediante mejoras en el proceso, y reemplazar regularmente el anillo de goma en forma de O en el asiento de la válvula, para que la válvula de seguridad funcione normalmente después de ponerse en línea.

(3) Falla por deformación

En comparación con otros tipos de materiales de sellado no metálicos como plástico y grafito, el caucho tiene menor dureza y mejor resiliencia, pero es propenso a deformarse bajo alta temperatura, alta presión o ambas condiciones, lo que resulta en falla de sellado. Para una tubería de gas natural, la presión de ajuste de la válvula de seguridad es de 21MPa, y se selecciona un anillo en O con una dureza de 75 Shore. Después de un año de operación, la superficie de la válvula está lisa, pero la sección transversal del anillo en O en el sello del asiento de la válvula se ha deformado en forma de ranura rectangular, perdiendo su resiliencia y causando la falla del sello. Al reemplazarlo con un anillo en O de dureza 90 Shore, el sello funciona bien.