Как решить проблему неисправности уплотнения нержавеющих стальных труб для СПГ в низкотемпературной среде

Как решить проблему неисправности уплотнения нержавеющих стальных труб для СПГ в низкотемпературных условиях? 

Для решения проблемы неисправности уплотнения нержавеющих стальных труб для СПГ при низких температурах необходимо подходить с четырех ключевых аспектов: выбор уплотнения, оптимизация соединительной конструкции, контроль монтажного процесса и совместимость материалов, чтобы создать комплексное защитное решение. Конкретные меры следующие: 

1. Точно выбирать низкотемпературно-стойкие уплотнительные компоненты: подбирать эластичность и стойкость к атмосферным воздействиям для низкотемпературных рабочих условий

Уплотнительные компоненты являются первой линией защиты от утечки. Следует отдавать предпочтение материалам, которые могут сохранять эластичность и противостоять хрупкости при низких температурах. Основные критерии выбора и рекомендуемые типы следующие: 

Основные требования к характеристикам: должны соответствовать коэффициенту упругой деформации ≤20% при -162°C (температуре кипения СПГ) (стандарт ГОСТ 7759), коэффициенту сохранения прочности на разрыв ≥70% и быть устойчивыми к набуханию от воздействия среды СПГ (коэффициент набухания ≤5%).

Рекомендуемые типы уплотнений:

Статические уплотнения (фланцы, соединения клапанов): Предпочтительно использовать прокладки из перфторэфирного каучука (FFKM) или модифицированного этиленпропилендиенового каучука (EPDM). Первое имеет наилучшую низкотемпературную и химическую стабильность (выдерживает от -200°C до 260°C) и подходит для высоконапорных, высокочистых систем сжиженного природного газа (СПГ); второе дешевле и подходит для средних и низких давлений в обычных условиях эксплуатации. Строго запрещается использовать нитрильный каучук (NBR) и другие материалы, склонные к хрупкости при низких температурах.

Динамические уплотнения (штоки клапанов, валы насосов): Использовать комбинацию наполненного политетрафторэтилена (PTFE) и металлических пружин. ПТФЭ устойчив к низким температурам (-200°C) и имеет низкий коэффициент трения, в то время как пружина может компенсировать сокращение уплотнения при низких температурах, чтобы обеспечить непрерывное уплотнительное давление. 

2. Оптимизировать конструкцию фланцевого соединения: Компенсировать низкотемпературное сокращение и напряжения

Соединения с фланцами являются зонами высокого риска неисправности уплотнения. Требуется конструктивное проектирование для компенсации зазора на уплотнительной поверхности и снижения предварительного напряжения болтов, вызванного низкотемпературным сжатием: 

Применять язычковые и пазовые / самцовые и маточные фланцы: По сравнению с плоским фланцем, уплотнительная поверхность язычкового и пазового фланца представляет собой структуру «язык - паз», которая может ограничить смещение уплотнительного элемента при низких температурах и предотвратить несоосность уплотнительной поверхности из - за сжатия; в то же время, паз может хранить уплотнительный смазочный материал (например, низкотемпературный силиконовый уплотнительный смазочный материал), дополнительно улучшая уплотнительные свойства.

Установить компенсационную структуру для предварительного напряжения болтов:

Выбрать болты с низкотемпературной вязкостью: Материал болтов должен соответствовать материалу труб (например, болты из нержавеющей стали 316L с фланцами 316L), чтобы избежать потери предварительного напряжения из - за различий в коэффициентах линейного расширения (например, разное количество сжатия углеродистых стальных болтов и нержавеющих стальных фланцев); в критических частях можно использовать низкотемпературные сплавные болты (например, Inconel 625), которые обладают лучшей низкотемпературной вязкостью и антирелаксационными свойствами.

Используйте тарельчатые пружины: Установите низкотемпературно-стойкие тарельчатые пружины (материал: нержавеющая сталь 17-7PH) между болтами и фланцами. Эластическая деформация пружин компенсирует сокращение болтов при низких температурах, поддерживая постоянное контактное давление на уплотнительной поверхности и предотвращая потерю предварительного усилия. 

3. Строго контролируйте процедуры установки: устраните скрытые неисправности при установке

Операционные отклонения во время процесса установки являются значительной причиной неисправности уплотнения. Следующие требования к установке должны быть соблюдены: 

Предварительная обработка уплотнительной поверхности: Фланцевая уплотнительная поверхность должна быть тщательно обезжиренна спиртом и высушена для удаления масляных пятен, железных опилок и других примесей (чтобы избежать повреждения уплотнительной поверхности из-за замерзания при низких температурах); шероховатость поверхности должна быть контролирована в пределах Ra 1,6-3,2 мкм (измеряется прибором для измерения шероховатости), и не должно быть царапин, впадины или других дефектов.

Процесс затяжки болтов:

Используйте диагональный поэтапный метод затяжки (затягивайте в последовательности «крестиком» в 3 - 4 этапа) для обеспечения равномерного распределения усилия на поверхности фланца и избежания местного искривления;

Используйте динамометрический ключ для затяжки до расчетного крутящего момента (например, крутящий момент для болтов M20 составляет приблизительно 180 - 220 Н・м, который необходимо определить на основе материала и размеров болта), и строго запрещается перезатяжка (приводящая к хрупкому разрушению болта) или недостаточная затяжка (недостаточная предварительная нагрузка).

Зарезервируйте запас на усадку уплотнения: При монтаже при комнатной температуре сжатие уплотнения должно быть увеличено на 5% - 10% по сравнению с расчетным значением (например, если расчетное сжатие составляет 2 мм, на самом деле его нужно сжать до 2,1 - 2,2 мм) для компенсации усадки при низких температурах и обеспечения отсутствия зазоров на поверхности уплотнения. 

4. Усилить эксплуатацию и техническое обслуживание системы: Предотвратить долгосрочное неисправность

Долгосрочную надежность уплотненных систем необходимо обеспечивать путем регулярного технического обслуживания и мониторинга. Основные меры включают: 

Регулярное обнаружение утечек: После пуско-наладочных работ ежемесячно проводите осмотр фланцевых и вентильных соединений с использованием гелиевого масс-спектрометра (с чувствительностью ≤ 1×10⁻⁹ Па・м³/с), уделяя особое внимание зонам термического влияния при сварке и болтовым соединениям. При обнаружении микротечек немедленно затягивайте болты или заменяйте уплотнения, чтобы предотвратить усугубление утечки. 

Избегайте резких перепадов температуры: При запуске или остановке системы контролируйте скорость охлаждения / нагрева (≤5℃/мин), постепенно регулируя открытие вентиля, чтобы предотвратить резкое сжатие / расширение уплотнительных элементов из-за резких перепадов температуры, которые могут привести к расслоению уплотнительной поверхности.

Управление циклом замены уплотнительных элементов: Определите цикл замены на основе материала уплотнительного элемента (например, уплотнительные элементы из FFKM рекомендуется заменять каждые 3 - 5 лет, а уплотнительные элементы из EPDM - каждые 2 - 3 года). Даже если утечек не обнаружено, регулярная замена необходима, чтобы избежать неисправности уплотнения из-за старения материала.