Essendo uno dei componenti principali di valvole e tubazioni a pressione, dissolutori di pressione, caldaie e altre apparecchiature, le valvole a sfera vengono utilizzate per controllare il flusso o l'interruzione dei fluidi. Sono ampiamente utilizzati in vari settori come GNL, energia elettrica, industria leggera, edilizia, metallurgia e così via. A basso costo, O-ring in gomma (di seguito denominato O-ring) è applicabile per essere installato in varie valvole per fornire protezione di tenuta in condizioni statiche o dinamiche a temperatura, pressione e diversi mezzi liquidi e gassosi specificati. Quando la valvola a sfera è in posizione chiusa, devono essere soddisfatti i requisiti di tenuta (o i requisiti di tenuta) specificati. Nella progettazione, l'O-ring è selezionato come elemento di tenuta, che può prevenire con successo perdite e ottenere un effetto di tenuta completo. In particolare, quando lo stelo della valvola ruota durante il processo di apertura e chiusura della valvola a sfera, l'attrito di movimento dell'O-ring è molto piccolo e l'O-ring viene selezionato come elemento di tenuta per ottenere zero perdite. Pertanto, l'O-ring è uno degli elementi di tenuta più utilizzati con il miglior effetto di tenuta nella valvola a sfera.

1. Ambito di applicazione

La valvola a sfera è un tipo di valvola che può essere aperta e chiusa da un dispositivo di azionamento manuale, un dispositivo di azionamento pneumatico o un dispositivo di azionamento elettrico in diverse condizioni di lavoro. Durante la produzione di valvole a sfera, l'O-ring è un elemento di tenuta adatto a varie forme di tenuta. La sua tenuta dinamica e la tenuta statica svolgono un ruolo importante nelle prestazioni di tenuta di varie valvole a sfera. Prendiamo come esempio la valvola a sfera in due pezzi, come mostrato nella Figura 1. L'O-ring sulla superficie terminale e nello stelo della valvola può prevenire efficacemente la fuoriuscita di vari fluidi e garantire il normale funzionamento del sistema di valvole. Quando l'O-ring è installato su entrambe le estremità, appartiene all'effetto di tenuta statica. Quando l'O-ring è installato sul foro centrale del corpo della valvola e dello stelo della valvola, appartiene all'effetto di tenuta dinamica.

(1) Tenuta statica

L'O-ring appartiene alla guarnizione di estrusione. La caratteristica fondamentale della struttura della guarnizione per estrusione dipende dalla deformazione elastica della guarnizione e dalla pressione di contatto sulla superficie di contatto della guarnizione. Quando la pressione di contatto è maggiore della pressione interna del mezzo sigillato, svolge un ruolo di tenuta e, al contrario, provoca perdite. I corpi di estremità sinistro e destro della valvola a sfera in due pezzi sono a contatto metallo su metallo e appartengono a una struttura di tenuta statica. Per ridurre o eliminare lo spazio tra le superfici di tenuta, l'O-ring viene scelto come elemento di tenuta nel progetto. Quando la pressione media è piccola, è in uno stato statico e la forza di tenuta richiesta è molto piccola. In questo momento, i corpi di estremità sinistro e destro possono essere sigillati dalla forza di pre-serraggio durante il montaggio e dalla forza elastica dell'O-ring; Quando la pressione media continua ad aumentare, aumenta anche la pressione specifica di tenuta e l'O-ring si espande improvvisamente. In questo momento, l'O-ring previene efficacemente il punto di perdita tra gli spazi vuoti su entrambe le estremità, garantendo così le prestazioni di tenuta della valvola a sfera.

Quando la valvola a sfera viene aperta e chiusa, indipendentemente dalla modalità di guida adottata, lo stelo della valvola ruoterà. Per evitare che il fluido fuoriesca attraverso lo spazio del foro centrale, una scanalatura è agganciata allo stelo della valvola e incorporata nell'O-ring. Sebbene lo stelo della valvola ruoti reciprocamente di 90°, a causa del piccolo attrito e della buona autolubrificazione dell'O-ring, cooperano tra loro per ottenere un buon effetto di tenuta. Per garantire che la sede della valvola e il nucleo della valvola formino una buona prestazione di tenuta, nella sede della valvola viene anche lavorata una scanalatura e in essa viene installato l'O-ring. Quando la pressione del fluido nella cavità della valvola aumenta, la sede della valvola si muoverà verso il nucleo della valvola sotto la spinta della forza della molla. Sotto l'azione dell'elevata prestazione elastica dell'O-ring, la tenuta della cavità interna della tubazione è assicurata. A questo punto, l'O-ring avvia l'effetto di tenuta dinamica nella tubazione. Nelle prime due forme strutturali, l'O-ring appartiene alla struttura di tenuta dinamica.

(3) Sigillatura a perdite zero

La struttura di tenuta della valvola a sfera è suddivisa in due tipi strutturali: tenuta metallica e tenuta morbida. Rispetto alla struttura di tenuta morbida, il tasso di perdita della struttura di tenuta in metallo è maggiore. Secondo il livello di perdita della valvola API, se il livello di perdita della struttura di tenuta metallica deve raggiungere VI (equivalente a zero perdite) e la temperatura deve essere inferiore a 200 ℃. In questo momento, l'O-ring è selezionato come elemento di tenuta sia per le valvole a sfera di tenuta statiche che dinamiche. Tutti i parametri di progettazione sono pienamente soddisfatti. Per la valvola a sfera del gas, al fine di evitare che il fluido gassoso fuoriesca attraverso vari canali, causando infiammabilità ed esplosioni, gli O-ring sono incorporati in ciascun punto di perdita, il che può prevenire efficacemente la fuoriuscita del corpo della valvola. Il valore di gioco è inferiore a 0,001 μm.

2. Selezione del materiale

Esistono molti tipi di materiali per O-ring, tra cui gomma fluorurata (FKM), gomma nitrile (NBR) e gomma siliconica (VMQ), gomma etilene propilene (EPDM), gomma naturale (NR), HNBR, FFKM, ecc. I materiali degli O-ring nelle valvole a sfera sono generalmente gomma fluorurata, gomma nitrilica e gomma siliconica. Per le valvole a sfera che richiedono temperature elevate, come le valvole a sfera superiori a 200 ℃, si consiglia di selezionare altri tipi di elementi di tenuta. Il materiale dell'O-ring utilizzato nella valvola a sfera non è solo correlato alla temperatura, al fluido e alla pressione, ma è anche influenzato dalle condizioni operative, dall'ambiente e da vari fattori globali.

(1) Temperatura

La temperatura è uno dei principali fattori che influenzano la gamma di utilizzo degli O-ring. Nel processo di progettazione della valvola a sfera, la temperatura applicabile degli O-ring selezionati è generalmente di -29 ~ 180 ℃. Per le valvole a sfera in condizioni di alta o bassa temperatura, speciali materiali sintetici devono essere selezionati come guarnizioni per soddisfare i requisiti di prestazione di tenuta.

Nei comuni materiali in gomma, l'FKM ha un'eccellente resistenza alle alte temperature. L'intervallo di temperatura di lavoro dell'FKM ordinario è - 25 ~ 240 ℃, mentre il marchio speciale di FFKM può resistere alla temperatura costante di 300 ℃ o all'alta temperatura istantanea di 340 ℃ senza indurimento e cedimento dell'espansione. Pertanto, per le valvole a sfera utilizzate ad alta temperatura in altre condizioni di lavoro, può essere opportunamente considerato FFKM.

La gomma diventa fragile e perde l'effetto sigillante se utilizzata in condizioni di bassa temperatura. Pertanto, le valvole a sfera per basse temperature non sono generalmente consigliate. Il silicone è uno dei materiali più resistenti alle basse temperature nei materiali in gomma. Sebbene possa raggiungere - 100 ℃, ha una bassa resistenza alla trazione e una scarsa resistenza all'usura. Generalmente, non può essere utilizzato per parti di tenuta dinamiche rotanti. Pertanto, le valvole a sfera in condizioni di bassa temperatura non sono adatte per la selezione. Secondo dati rilevanti, la temperatura di servizio della gomma siliconica è - 60-220 ℃, che migliora la resistenza chimica e le proprietà meccaniche sulla base del mantenimento della resistenza alla temperatura della gomma siliconica.

(2) Medio

Essendo una delle cinque valvole principali, le valvole a sfera sono applicabili a diversi settori dell'ingegneria. Per diversi media, è assolutamente necessario selezionare materiali in gomma appropriati e O-ring con materiali appropriati. Ad esempio, gli O-ring in FKM hanno resistenza alla fiamma, buona tenuta all'aria, resistenza all'ozono ed eccellente resistenza alla corrosione. L'O-ring in silicone è più adatto per valvole a sfera con polvere e particelle. L'O-ring in nitrile ha una buona tenuta e assorbimento degli urti in presenza di olio, acido, alcali, abrasione, invasione chimica e altri ambienti. Pertanto, è possibile selezionare O-ring adatti nella valvola a sfera per altri fluidi chimici misti come fluidi acidi, olio, acqua, gas, ossidanti e riducenti.

(3) Pressione

Secondo il principio chimico dell'O-ring; La durezza dell'O-ring è generalmente Shore 50-90. Quando la tubazione di pressione della valvola è bassa, l'O-ring con durezza Shore 50-70 dovrebbe essere preferito per il risparmio sui costi e la protezione dell'ambiente. Quando la tubazione di pressione della valvola è alta, per sicurezza dovrebbe essere raccomandato l'O-ring con durezza Shore 70-90. Quando la pressione della tubazione è maggiore o uguale a 150 LB o 1,0 MPa, l'O-ring deve essere incorporato nella scanalatura di metallo per evitare che l'O-ring venga schiacciato e deformato con il cambiamento di pressione. Inoltre, l'O-ring si danneggia facilmente ad alta pressione. Cioè, sotto l'azione dell'alta pressione, le molecole di gas ad alta pressione si infiltrano nell'O-ring per molto tempo. Quando la pressione esterna dell'O-ring diminuisce istantaneamente, le molecole interne di gas ad alta pressione sono facili da diffondere rapidamente e rompere l'O-ring. Ad esempio, l'O-ring di tenuta sulla sede della valvola. Quando la valvola a sfera viene ruotata e aperta, la pressione interna della cavità della valvola rilascerà il fluido ed emetterà un suono enorme. In questo momento, l'O-ring risulta essere rotto, indicando che le prestazioni di tenuta della valvola a sfera sono fallite. Si può notare che in questo caso, si consiglia di utilizzare l'O-ring con elevate prestazioni di tenuta per la tenuta della sede della valvola o di sostituire tempestivamente l'O-ring per garantire il normale funzionamento del tubo della valvola. In questo momento, l'O-ring risulta essere rotto, indicando che le prestazioni di tenuta della valvola a sfera sono fallite. Si può notare che in questo caso, si consiglia di utilizzare l'O-ring con elevate prestazioni di tenuta per la tenuta della sede della valvola o di sostituire tempestivamente l'O-ring per garantire il normale funzionamento del tubo della valvola. In questo momento, l'O-ring risulta essere rotto, indicando che le prestazioni di tenuta della valvola a sfera sono fallite. Si può notare che in questo caso, si consiglia di utilizzare l'O-ring con elevate prestazioni di tenuta per la tenuta della sede della valvola o di sostituire tempestivamente l'O-ring per garantire il normale funzionamento del tubo della valvola.

3. Analisi del fallimento e metodi di trattamento

Attraverso l'uso a lungo termine e la pratica dei test, ci sono tre fattori globali che causano il guasto dell'O-ring.

(1) Incompatibile con i media

Nella progettazione quotidiana del prodotto con valvola a sfera, l'O-ring selezionato non è compatibile con il mezzo del canale, che causerà corrosione, deformazione del rigonfiamento e frattura. Tali problemi influiranno seriamente sulla qualità dei prodotti delle valvole a sfera. Ad esempio, per il mezzo con un'elevata concentrazione acido-base come acido nitrico, acido solforico e cloruro di sodio, l'applicazione dell'O-ring deve essere attentamente considerata quando si progetta la valvola a sfera.

(2) Fallimento per fatica

Nella valvola a sfera ignifuga del gas in tre pezzi utilizzata nella tubazione della valvola del gas. Se la pressione della valvola a sfera è 4,0 MPa e la pressione effettiva in condizioni di servizio è 6,3 MPa, si è riscontrato che la tenuta dell'O-ring sull'anello di supporto si guasta quando la valvola a sfera è installata nel tubo di pressione e azionata per un periodo di tempo. Dopo l'analisi, poiché l'intervallo di pressione di esercizio effettivo è maggiore dell'intervallo di fluttuazione del sistema di tubazioni e la pressione tra di loro è molto vicina, la frequenza di apertura e chiusura è elevata, con conseguente contrazione reciproca dell'O-ring e dell'O-ring raggiungimento del limite di vita specificato. Porta al cedimento per fatica degli O-ring. Al fine di garantire il normale funzionamento del sistema di tubazioni,

(3) Guasto di deformazione permanente

Tra tutti i materiali di tenuta utilizzati nelle valvole a sfera, l'O-ring in gomma ha una durezza relativamente inferiore rispetto al politetrafluoroetilene (PTFE) e alla grafite flessibile, ma la sua resilienza è superiore ai primi due. Se viene applicato a tubi di valvole ad alta temperatura e alta pressione, la gomma sarà distorta dal calore e dalla pressione ed è facile produrre deformazioni permanenti e guasti. Se il prodotto con valvola a sfera viene utilizzato nel gasdotto a bassa pressione, come elemento di tenuta viene selezionato l'O-ring con durezza 65 Shore. Dopo che il prodotto è stato utilizzato per un certo periodo di tempo, l'O-ring sulla tenuta della sede della valvola viene rimosso e si scopre che la sua superficie è liscia, ma la sua sezione trasversale è cambiata in una scanalatura quadrata senza resilienza, risultando in grave mancanza di tenuta. A quest'ora,

4. Conclusione

Nella progettazione e sviluppo di valvole a sfera, quando si scelgono gli O-ring come elementi di tenuta, è necessario considerare in modo completo l'influenza di diverse condizioni di lavoro come temperatura, fluido e pressione e il cambiamento dell'ambiente di lavoro sugli O-ring. In secondo luogo, la posizione, la struttura, l'installazione e la manutenzione degli O-ring non possono essere ignorate. Solo in questo modo è possibile prolungare la durata degli O-ring, migliorare la velocità di servizio degli O-ring e garantire il normale funzionamento dei prodotti con valvola a sfera nei tubi a pressione.