1. Ikhtisar
Katup bola banyak digunakan dalam berbagai kondisi kerja karena strukturnya yang sederhana, ruang pemasangan yang kecil, dan ketergantungan pada gaya sedang untuk penyegelan tanpa terpengaruh oleh gaya penggerak eksternal. Saat ini, katup bola kriogenik umumnya digunakan di terminal penerima LNG, mencakup 80% dari total jumlah katup di terminal tersebut. Namun, kebocoran internal katup bola kriogenik terjadi selama pengoperasian. Berdasarkan kriteria desain katup kriogenik dan teori dasar kinerja penyegelan katup, makalah ini menganalisis faktor-faktor yang mempengaruhi penyegelan katup bola kriogenik.
2. Kriteria Desain
Temperatur pengoperasian yang sangat rendah menimbulkan serangkaian tantangan teknis pada desain dan pembuatan katup kriogenik, seperti pemilihan material, penyegelan-suhu rendah, desain struktural, perlakuan solusi, perlakuan pendinginan dalam, isolasi termal, pemeriksaan kualitas, pemeliharaan, dan keselamatan. Oleh karena itu, ada serangkaian standar ketat untuk desain katup kriogenik. Secara internasional, standar utama yang digunakan adalah
BS6364 "Katup Kriogenik" dan MSSSP-134 "Persyaratan Katup Kriogenik dan Komponennya
Extended Body/Bonnet". Kedua standar ini secara komprehensif menentukan poin-poin penting dan aturan untuk desain dan pembuatan katup kriogenik. Standar JB/T7749 "Spesifikasi Teknis untuk Katup Kriogenik" diubah dari BS6364 "Katup Kriogenik".
Dalam desain katup kriogenik, selain mengikuti prinsip desain katup umum, persyaratan khusus untuk desain katup kriogenik harus dipenuhi sesuai dengan kondisi pengoperasian.
① Katup tidak boleh menjadi sumber panas yang signifikan untuk sistem-bersuhu rendah. Hal ini karena aliran panas tidak hanya mengurangi efisiensi termal tetapi juga menyebabkan penguapan cairan internal dengan cepat jika berlebihan, sehingga menyebabkan kenaikan tekanan tidak normal dan potensi bahaya.
② Media bersuhu-rendah seharusnya tidak menimbulkan dampak berbahaya pada pengoperasian roda tangan dan kinerja segel pengepakan.
③ Rakitan katup yang bersentuhan langsung dengan-media bersuhu rendah harus memiliki struktur-tahan ledakan dan-tahan api.
④ Rakitan katup yang beroperasi pada suhu rendah tidak dapat dilumasi, sehingga tindakan struktural perlu diambil untuk mencegah abrasi pada bagian gesekan.
Dalam proses desain katup kriogenik, selain mempertimbangkan persyaratan umum seperti kapasitas aliran, indikator lain juga perlu dipertimbangkan untuk mengevaluasi tingkat teknis katup kriogenik dengan lebih baik. Biasanya, tingkat teknis katup kriogenik dievaluasi dengan mengukur rasionalitas konsumsi energi.
① Kinerja isolasi termal katup kriogenik.
② Kinerja pendinginan katup kriogenik.
③ Kinerja kerja segel pembukaan dan penutupan katup kriogenik.
④ Kondisi tidak ada lapisan es pada permukaan katup kriogenik.
Lingkungan kerja katup kriogenik sangat berbeda dengan katup-tujuan umum. Dalam proses desain, pembuatan, dan inspeksi katup kriogenik, selain mematuhi aturan umum untuk desain, pembuatan, dan inspeksi katup, penyesuaian yang tepat harus dilakukan sesuai dengan lingkungan katup kriogenik.
3. Elemen Penyegel
Meskipun struktur katup bola sederhana, karena merupakan katup-penyegel otomatis bertekanan sedang dan memiliki struktur bola khusus, ada banyak faktor yang memengaruhi kinerja penyegelan akhir katup bola.
3.1 Kualitas Pasangan Penyegel
Kualitas pasangan penyegel katup bola terutama tercermin pada kebulatan bola dan kekasaran permukaan permukaan penyegelan bola dan katup.
kursi. Kebulatan bola
mempengaruhi tingkat kesesuaian antara bola dan dudukan katup. Tingkat kesesuaian yang lebih tinggi meningkatkan ketahanan pergerakan fluida di sepanjang permukaan penyegelan, sehingga meningkatkan kinerja penyegelan. Umumnya kebulatan bola diharuskan kelas 9.
Permukaan akhir dari permukaan penyegelan memiliki dampak yang signifikan terhadap penyegelan. Jika hasil akhir rendah dan tekanan spesifiknya kecil, kebocoran akan meningkat. Ketika tekanan spesifiknya besar, dampak lapisan akhir terhadap kebocoran berkurang secara signifikan karena puncak bergerigi mikroskopis pada permukaan penyegelan menjadi rata. Dampak penyelesaian permukaan penyegelan lunak terhadap kinerja penyegelan jauh lebih kecil dibandingkan dengan penyegelan kaku logam-ke-logam.
Berdasarkan pandangan bahwa kebocoran fluida hanya dapat dicegah jika jarak antar pasangan penyegel lebih kecil dari diameter molekul fluida, maka dapat dianggap bahwa celah untuk mencegah kebocoran fluida harus kurang dari 0,003 μm. Namun, bahkan ketinggian puncak permukaan logam yang digiling halus masih melebihi 0,1 μm, yaitu 30 kali lebih besar dari diameter molekul air. Terlihat bahwa sebenarnya sulit untuk meningkatkan kinerja penyegelan hanya dengan meningkatkan permukaan akhir dari permukaan penyegelan. Selain mempengaruhi kinerja penyegelan, kualitas pasangan penyegelan secara langsung mempengaruhi masa pakai katup bola. Oleh karena itu, kualitas pasangan penyegel harus ditingkatkan selama pembuatan.
3.2 Tekanan Spesifik Penyegelan
Tekanan spesifik penyegelan mengacu pada tekanan yang bekerja pada satuan luas permukaan penyegelan. Hal ini dihasilkan oleh perbedaan tekanan antara bagian depan dan belakang katup serta gaya penyegelan eksternal. Besarnya tekanan spesifik secara langsung mempengaruhi kinerja penyegelan, keandalan, dan masa pakai katup bola. Kebocoran berbanding terbalik dengan perbedaan tekanan. Pengujian menunjukkan bahwa pada kondisi yang sama, kebocoran berbanding terbalik dengan kuadrat perbedaan tekanan, sehingga kebocoran berkurang seiring dengan bertambahnya perbedaan tekanan. Karena perbedaan tekanan merupakan faktor penting yang menentukan tekanan spesifik penyegelan, tekanan spesifik penyegelan sangat penting untuk kinerja penyegelan katup bola kriogenik. Tekanan spesifik penyegelan yang diterapkan pada bola tidak boleh terlalu besar. Meskipun tekanan spesifik yang lebih besar bermanfaat untuk penyegelan, hal ini akan meningkatkan torsi pengoperasian katup. Oleh karena itu, pemilihan tekanan spesifik penyegelan yang masuk akal adalah premis untuk memastikan penyegelan katup bola kriogenik.
3.3 Sifat Fisika Fluida
3.3.1 Viskositas
Permeabilitas suatu fluida berhubungan erat dengan viskositasnya. Pada kondisi lain yang sama, semakin tinggi viskositas fluida, semakin rendah permeabilitasnya. Viskositas gas dan cairan sangat berbeda. ① Viskositas gas puluhan kali lebih kecil dibandingkan cairan, sehingga permeabilitasnya lebih kuat dibandingkan cairan. Namun, uap jenuh merupakan pengecualian, yang mudah ditutup. ② Gas terkompresi lebih rentan bocor dibandingkan cairan.
3.3.2 Suhu
Permeabilitas suatu fluida bergantung pada temperatur yang menyebabkan perubahan viskositas. Viskositas gas meningkat seiring dengan kenaikan suhu dan sebanding dengan akar kuadrat suhu gas. Sebaliknya, viskositas zat cair menurun tajam seiring dengan kenaikan suhu dan berbanding terbalik dengan pangkat tiga suhu. Selain itu, perubahan dimensi bagian yang disebabkan oleh perubahan suhu akan menyebabkan perubahan tekanan penyegelan di area penyegelan dan dapat merusak segel. Dampaknya sangat signifikan pada penyegelan-cairan bersuhu rendah. Karena pasangan penyegel yang bersentuhan dengan fluida biasanya bersuhu lebih rendah dibandingkan bagian yang menahan gaya, hal ini menyebabkan komponen pasangan penyegel menyusut dan mengendur. Penyegelan pada suhu rendah itu rumit, dan sebagian besar bahan penyegel gagal pada suhu rendah. Oleh karena itu, pengaruh suhu harus dipertimbangkan ketika memilih bahan penyegel.
3.3.3 Hidrofilisitas Permukaan
Dampak hidrofilisitas permukaan terhadap kebocoran disebabkan oleh karakteristik pori-pori kapiler. Ketika terdapat lapisan minyak tipis di permukaan, hidrofilisitas permukaan kontak rusak dan saluran fluida tersumbat, sehingga diperlukan perbedaan tekanan yang lebih besar agar fluida dapat melewati pori-pori kapiler. Oleh karena itu, beberapa katup bola menggunakan gemuk penyegel untuk meningkatkan kinerja penyegelan dan masa pakai. Saat menggunakan gemuk untuk menyegel, perhatian harus diberikan pada penambahan gemuk jika lapisan oli berkurang selama penggunaan. Gemuk yang digunakan tidak boleh larut dalam media fluida, juga tidak boleh menguap, mengeras, atau mengalami perubahan kimia lainnya. Katup bola kriogenik tidak cocok untuk menggunakan gemuk penyegel, karena sebagian besar gemuk akan mengalami vitrifikasi pada kondisi suhu sangat-rendah.
3.4 Dimensi Struktural
3.4.1 Struktur Pasangan Penyegel
Karena pasangan penyekat tidak sepenuhnya kaku, dimensi strukturalnya pasti akan berubah akibat pengaruh gaya penyegel atau perubahan suhu. Hal ini akan mengubah gaya interaksi antara pasangan penyekat, yang mengakibatkan berkurangnya kinerja penyegelan. Untuk mengimbangi perubahan ini, segel harus memiliki deformasi elastis tertentu. Saat ini, beberapa dudukan katup bola mengadopsi bentuk struktural dengan kompensasi elastis atau penyangga elastis logam, dan beberapa bola juga mengadopsi struktur bola elastis. Ini adalah bentuk positif untuk meningkatkan kinerja penyegelan.
3.4.2 Lebar Permukaan Penyegelan
Lebar permukaan penyegelan menentukan panjang pori-pori kapiler. Ketika lebarnya bertambah, jalur pergerakan fluida sepanjang pori-pori kapiler meningkat secara proporsional, sedangkan kebocorannya berkurang secara berbanding terbalik. Namun kenyataannya, hal ini tidak terjadi karena permukaan kontak dari pasangan penyegel tidak dapat dipasang sepenuhnya. Setelah deformasi, lebar permukaan penyegelan tidak dapat sepenuhnya memainkan peran penyegelan yang efektif. Di sisi lain, peningkatan lebar permukaan penyegelan memerlukan peningkatan kekuatan penyegelan yang diperlukan. Oleh karena itu, pemilihan lebar permukaan penyegelan yang wajar juga penting.
3.4.3 Ukuran Cincin Penyegel
Katup bola kriogenik umumnya menggunakan cincin penyegel PCTFE. Koefisien ekspansi linier PCTFE pada suhu rendah jauh lebih tinggi dibandingkan logam. Oleh karena itu, cincin penyegel PCTFE akan menyusut pada suhu rendah, mengakibatkan berkurangnya tekanan spesifik penyegelan dengan bola dan terbentuknya saluran kebocoran dengan dudukan katup. Oleh karena itu, ukuran cincin penyegel PCTFE juga merupakan faktor penting yang mempengaruhi penyegelan katup bola kriogenik. Pengaruh penyusutan ukuran pada suhu rendah harus dipertimbangkan dalam desain, dan proses perakitan dingin harus diterapkan dalam prosesnya.
4. Kesimpulan
Bertujuan untuk fenomena kebocoran internal yang umum terjadi pada katup bola kriogenik di terminal penerima LNG yang ada, berdasarkan kriteria desain katup kriogenik dan teori dasar penyegelan katup, makalah ini menganalisis faktor-faktor yang mempengaruhi penyegelan katup bola kriogenik, termasuk kualitas pasangan penyegel, tekanan spesifik penyegelan, sifat fisik fluida, dan struktur serta ukuran pasangan penyegel. Ada banyak faktor lain yang mempengaruhi penyegelan katup bola kriogenik, seperti kekakuan
bola dan apakah pusat bolanya
konsentris dengan permukaan penyegelan dudukan katup selama perakitan. Tekanan spesifik penyegelan dan struktur serta ukuran pasangan penyegel merupakan faktor penting yang mempengaruhi penyegelan katup bola kriogenik, yang harus dipertimbangkan sepenuhnya dalam desain.
