Comment résoudre le problème de défaillance d'étanchéité des tuyaux d'acier inoxydable pour le GNL dans un environnement à basse température

Comment résoudre le problème de défaillance d'étanchéité des tubes en acier inoxydable pour le GNL dans des environnements à basse température? 

Pour résoudre le problème de défaillance d'étanchéité des tubes en acier inoxydable pour le GNL dans des conditions de basse température, il est nécessaire d'aborder le problème à partir de quatre dimensions clés : la sélection de l'étanchéité, l'optimisation de la structure de connexion, le contrôle du processus d'installation et l'adaptation des matériaux, afin de former une solution de protection globale. Les mesures spécifiques sont les suivantes : 

1. Sélectionner précisément des composants d'étanchéité résistants aux basses températures : Adapter l'élasticité et la résistance aux intempéries pour les conditions de travail à basse température

Les composants d'étanchéité sont la première ligne de défense contre les fuites. Il faut prioriser les matériaux qui peuvent maintenir leur élasticité et résister à la fragilité à basse température. Les critères de sélection clés et les types recommandés sont les suivants : 

Exigences de performance clés : Doivent répondre à un taux de déformation sous compression ≤20 % à -162 °C (point d'ébullition du GNL) (norme GB/T 7759), un taux de conservation de la résistance à la traction ≥70 % et résister à la gonflement dans le milieu GNL (taux de gonflement ≤5 %).

Types de joints recommandés :

Joints statiques ( brides, interfaces de vannes ) : Il est préférable d'utiliser des joints en caoutchouc perfluoroéther (FFKM) ou en éthylène-propylène-diène modifié (EPDM). Le premier a la meilleure stabilité à basse température et chimique (peut résister de -200°C à 260°C) et est adapté aux systèmes de GNL haute pression et haute pureté ; le second est moins coûteux et adapté aux conditions de fonctionnement conventionnelles moyenne et basse pression. L'utilisation de caoutchouc nitrile (NBR) et d'autres matériaux sujets à la fragilité à basse température est strictement interdite.

Joints dynamiques ( tiges de vanne, arbres de pompe ) : Utilisez une combinaison de polytétrafluoroéthylène chargé (PTFE) et de ressorts métalliques. Le PTFE résiste aux basses températures (-200°C) et a un faible coefficient de friction, tandis que le ressort peut compenser la contraction du joint à basse température pour garantir une pression de jointage continue.

2. Optimisez la structure de raccordement de la bride : Compensez la contraction et la contrainte à basse température

Les raccords de brides sont des zones à haut risque de défaillance d'étanchéité. Une conception structurale est nécessaire pour compenser l'espacement de la surface d'étanchéité et la réduction de la précontrainte des boulons causée par la contraction à basse température. 

Adopter des brides à languette et rainure / mâle et femelle : Par rapport aux brides plates, la surface d'étanchéité des brides à languette et rainure est une structure d'accouplement « languette - rainure », qui peut limiter le déplacement de l'élément d'étanchéité à basse température et empêcher le désalignement de la surface d'étanchéité dû à la contraction ; en même temps, la rainure peut stocker de la graisse d'étanchéité (telle que de la graisse d'étanchéité à base de silicone à basse température), améliorant ainsi davantage les performances d'étanchéité.

Installer une structure de compensation de la précontrainte des boulons :

Sélectionner des boulons à ténacité à basse température : Le matériau des boulons doit correspondre au matériau du tuyau (par exemple, des boulons en acier inoxydable 316L avec des brides en acier inoxydable 316L) pour éviter la perte de précontrainte due aux différences de coefficients de dilatation linéaire (par exemple, des quantités de contraction différentes des boulons en acier au carbone et des brides en acier inoxydable) ; les parties critiques peuvent utiliser des boulons en alliage à basse température (tels que Inconel 625), qui ont une meilleure ténacité à basse température et de meilleures propriétés anti-relaxation.

Utilisez des rondelles à ressorts disques : Installez des ressorts disques résistants au froid (matériau : acier inoxydable 17-7PH) entre les boulons et les brides. La déformation élastique des ressorts compense la contraction des boulons à basse température, maintenant une pression de contact constante sur la surface de joint et empêchant la perte de force de précontrainte. 

3. Contrôlez strictement les procédures d'installation : Éliminez les risques d'installation

Les écarts opérationnels pendant le processus d'installation sont une cause importante d'échec du joint. Les exigences d'installation suivantes doivent être respectées : 

Prétraitement de la surface de joint : La surface de joint de la bride doit être complètement dégraissée avec de l'alcool et séchée pour éliminer les taches d'huile, les copeaux de fer et autres impuretés (pour éviter d'endommager la surface de joint en raison de la congélation à basse température) ; la rugosité de surface doit être contrôlée entre Ra 1,6-3,2μm (mesurée par un rugosimètre), et il ne doit y avoir aucune rayure, creux ou autre défaut.

Procédé de serrage des boulons :

Utilisez la méthode de serrage diagonal progressif (serrez dans un ordre en "croix" en 3 à 4 étapes) pour garantir une force uniforme sur la surface de la bride et éviter les déformations locales ;

Utilisez une clé dynamométrique pour serrer jusqu'au couple de serrage conçu (par exemple, le couple pour les boulons M20 est d'environ 180 - 220 N・m, qui doit être déterminé en fonction du matériau et de la spécification du boulon), et le serrage excessif (causant la rupture fragile du boulon) ou le serrage insuffisant (précharge insuffisante) est strictement interdit.

Réservez la marge de contraction pour le joint d'étanchéité : Lors de l'installation à température ambiante, la compression du joint d'étanchéité doit être augmentée de 5 % - 10 % par rapport à la valeur de conception (par exemple, si la compression conçue est de 2 mm, il doit être effectivement comprimé à 2,1 - 2,2 mm) pour compenser la contraction à basse température et garantir qu'il n'y a pas de jeu dans la surface d'étanchéité.

4. Renforcez le fonctionnement et l'entretien du système : Prévenez les défaillances à long terme

La fiabilité à long terme des systèmes d'étanchéité doit être garantie par un entretien et une surveillance réguliers. Les mesures clés comprennent :

Détection régulière des fuites : Après la mise en service, utilisez un spectromètre de masse à hélium (avec une sensibilité de ≤ 1×10⁻⁹ Pa・m³/s) pour inspecter les interfaces des brides et des vannes chaque mois, en mettant l'accent sur les zones affectées thermiquement des soudures et les raccords boulonnés. Lorsqu'une fuite microscopique est détectée, serrez immédiatement les boulons ou remplacez les joints d'étanchéité pour empêcher la fuite de s'aggraver. 

Évitez les changements de température brusques : Lors du démarrage ou de l'arrêt du système, contrôlez la vitesse de refroidissement / de chauffage (≤5℃/min) en ajustant progressivement l'ouverture de la vanne pour empêcher les composants d'étanchéité de se contracter / de se dilater brusquement en raison de changements de température brusques, ce qui pourrait entraîner la séparation de la surface d'étanchéité.

Gestion du cycle de remplacement des éléments d'étanchéité : Déterminez le cycle de remplacement en fonction du matériau de l'élément d'étanchéité (par exemple, il est recommandé de remplacer les éléments d'étanchéité en FFKM tous les 3 - 5 ans, et les éléments d'étanchéité en EPDM tous les 2 - 3 ans). Même si aucune fuite n'est trouvée, un remplacement régulier est nécessaire pour éviter l'échec de l'étanchéité causé par le vieillissement du matériau.