¿Cómo resolver el problema de fallo de sellado de tuberías de acero inoxidable para GNL en entornos de baja temperatura?

¿Cómo resolver el problema de falla de sellado de tuberías de acero inoxidable para GNL en entornos de baja temperatura? 

Para abordar el problema de falla de sellado en tuberías de acero inoxidable para GNL en condiciones de baja temperatura, es necesario abordarlo desde cuatro dimensiones fundamentales: selección de sellos, optimización de la estructura de conexión, control del proceso de instalación y compatibilidad de materiales, para formar una solución de protección integral. Las medidas específicas son las siguientes: 

1. Seleccionar con precisión componentes de sellado resistentes a bajas temperaturas: Coincidir la elasticidad y la resistencia climática para condiciones de trabajo a baja temperatura

Los componentes de sellado son la primera línea de defensa contra las fugas. Se deben priorizar los materiales que puedan mantener la elasticidad y resistir la fragilidad a bajas temperaturas. Los criterios clave de selección y los tipos recomendados son los siguientes: 

Requisitos de rendimiento fundamental: Debe cumplir con una tasa de deformación por compresión ≤20% a -162°C (punto de ebullición del GNL) (norma GB/T 7759), una tasa de retención de resistencia a la tracción ≥70% y ser resistente a la hinchazón por el medio del GNL (tasa de hinchazón ≤5%).

Tipos de sellos recomendados:

Sellos estáticos (bridas, interfaces de válvulas): Se recomienda utilizar juntas de caucho perfluoroéter (FFKM) o de monómero de etileno propileno dieno modificado (EPDM). El primero tiene la mejor estabilidad a bajas temperaturas y química (puede soportar de -200°C a 260°C) y es adecuado para sistemas de GNL de alta presión y alta pureza; el segundo es de menor costo y es adecuado para condiciones operativas convencionales de presión media y baja. Está estrictamente prohibido el uso de caucho nitrilo (NBR) y otros materiales que son propensos a volverse quebradizos a bajas temperaturas.

Sellos dinámicos (tallos de válvulas, ejes de bombas): Utilice una combinación de politetrafluoroetileno llenado (PTFE) y resortes metálicos. El PTFE es resistente a bajas temperaturas (-200°C) y tiene un bajo coeficiente de fricción, mientras que el resorte puede compensar la contracción del sello a bajas temperaturas para garantizar una presión de sellado continua.

2. Optimice la estructura de conexión de la brida: Compense la contracción y la tensión a bajas temperaturas

Las conexiones de bridas son áreas de alto riesgo de falla de sellado. Se requiere un diseño estructural para compensar el espacio en la superficie de sellado y la reducción de la precarga de los pernos causada por la contracción a baja temperatura: 

Adoptar bridas de ranura y lengua / macho y hembra: En comparación con las bridas planas, la superficie de sellado de las bridas de ranura y lengua es una estructura de emparejamiento de "ranura - lengua", que puede restringir el desplazamiento del elemento de sellado a bajas temperaturas y evitar el desalineamiento de la superficie de sellado debido a la contracción; al mismo tiempo, la ranura puede almacenar grasa de sellado (como grasa de sellado a base de silicona a baja temperatura), lo que mejora aún más el rendimiento de sellado.

Establecer una estructura de compensación de la fuerza de precarga de los pernos:

Seleccionar pernos con tenacidad a baja temperatura: El material del perno debe ser compatible con el material de la tubería (por ejemplo, pernos de acero inoxidable 316L con bridas 316L) para evitar la pérdida de la fuerza de precarga debido a las diferencias en los coeficientes de expansión lineal (por ejemplo, diferentes cantidades de contracción de pernos de acero al carbono y bridas de acero inoxidable); las partes críticas pueden utilizar pernos de aleación a baja temperatura (como Inconel 625), que tienen mejor tenacidad a baja temperatura y propiedades anti-relajación.

Utilice arandelas de muelles disco: Instale muelles disco resistentes a bajas temperaturas (material: acero inoxidable 17-7PH) entre los pernos y las bridas. La deformación elástica de los muelles compensa la contracción de los pernos a bajas temperaturas, manteniendo una presión de contacto constante en la superficie de sellado y evitando la pérdida de la fuerza de precarga. 

3. Control estricto de los procedimientos de instalación: Elimine los riesgos de instalación

Las desviaciones operativas durante el proceso de instalación son una causa importante de fallo del sellado. Debe cumplirse con los siguientes requisitos de instalación: 

Pretratamiento de la superficie de sellado: La superficie de sellado de la brida debe ser desgrasada completamente con alcohol y secada para eliminar manchas de aceite, virutas de hierro y otras impurezas (para evitar daños en la superficie de sellado debido al congelamiento a bajas temperaturas); la rugosidad superficial debe controlarse dentro de Ra 1.6-3.2μm (medida por un medidor de rugosidad) y no debe haber rayaduras, depresiones u otros defectos.

Proceso de apriete de pernos:

Utilice el método de apriete diagonal paso a paso (apriete en secuencia en forma de "cruceta" en 3 - 4 pasos) para garantizar una fuerza uniforme en la superficie de la brida y evitar deformaciones locales;

Utilice una llave dinamométrica para apretar hasta el par de diseño (por ejemplo, el par para pernos M20 es aproximadamente 180 - 220N・m, que debe determinarse en función del material y la especificación del perno), y está estrictamente prohibido sobre-apretar (lo que causa la rotura frágil del perno) o sub-apretar (precarga insuficiente).

Reserve el margen de contracción para el sello: Cuando se instala a temperatura ambiente, la compresión del sello debe aumentarse en un 5% - 10% en comparación con el valor de diseño (por ejemplo, si la compresión de diseño es de 2mm, debe comprimirse realmente a 2.1 - 2.2mm) para compensar la contracción a bajas temperaturas y garantizar que no haya huecos en la superficie del sello. 

4. Fortalecer la operación y el mantenimiento del sistema: Prevenir fallas a largo plazo

La confiabilidad a largo plazo de los sistemas sellados debe garantizarse a través del mantenimiento y el monitoreo regulares. Las medidas clave incluyen: 

Detección regular de fugas: Después de la puesta en marcha, utilice un espectrómetro de masas de helio (con una sensibilidad de ≤ 1×10⁻⁹ Pa・m³/s) para inspeccionar las interfaces de bridas y válvulas mensualmente, prestando especial atención a las zonas afectadas térmicamente por las soldaduras y las conexiones atornilladas. Cuando se detecte una fuga mínima, apriete inmediatamente los tornillos o reemplace los sellos para evitar que la fuga empeore. 

Evite cambios bruscos de temperatura: Al iniciar o detener el sistema, controle la tasa de enfriamiento/calentamiento (≤5℃/min) ajustando gradualmente la apertura de la válvula para evitar que los componentes de sellado se contraigan/expanden bruscamente debido a cambios bruscos de temperatura, lo que puede causar la separación de la superficie de sellado.

Gestión del ciclo de reemplazo de elementos de sellado: Determine el ciclo de reemplazo en función del material del elemento de sellado (por ejemplo, se recomienda reemplazar los elementos de sellado FFKM cada 3-5 años y los elementos de sellado EPDM cada 2-3 años). Incluso si no se detecta fuga, es necesario realizar un reemplazo regular para evitar la falla del sellado causada por el envejecimiento del material.