Trong hoạt động hàng ngày của các nhà ga LNG (khí tự nhiên hóa lỏng), hiện tượng đóng băng và kẹt van vẫn là một thách thức kỹ thuật dai dẳng. Khi LNG ở khoảng -162°C chảy qua van, các yếu tố như hình thành băng từ độ ẩm, hỏng bôi trơn hoặc co ngót nhiệt khác biệt có thể khiến bi van bị kẹt vào đế van. Điều này dẫn đến mô-men xoắn bộ truyền động không đủ, hành trình không hoàn chỉnh hoặc thậm chí hỏng gioăng làm kín. Bài báo này tham khảo tiêu chuẩn thử nghiệm van lạnh sâu BS 6364, xem xét cách một van bi lạnh sâu bằng điện pdf.pdf vượt qua bài kiểm tra chu kỳ nitơ lỏng -196°C và giải quyết rủi ro đóng băng thông qua thiết kế.
Kẹt van trong dịch vụ LNG hiếm khi do một yếu tố duy nhất gây ra, mà là do tác động kết hợp của ba hiện tượng:
Hỏng bôi trơn: Mỡ van thông thường bị rắn hoặc tách ra dưới -40°C, gây tăng đột ngột ma sát giữa bi van và đế van, cũng như giữa trục van và bộ làm kín.
Co ngót nhiệt khác biệt: Thép không gỉ (hệ số giãn nở nhiệt ~17×10⁻⁶/K) và vật liệu đế PCTFE (~50×10⁻⁶/K) co lại với tốc độ khác nhau trong quá trình làm mát, có khả năng dẫn đến lắp ghép quá chặt hoặc mất khe hở.
Băng và ngưng tụ: Độ ẩm còn sót lại bên trong khoang hoặc xâm nhập từ khí quyển có thể đóng băng ở nhiệt độ cực thấp, ngăn cản sự quay của bi van.
Nếu các vấn đề này không được xác minh trong quá trình thiết kế, van trong các nhà ga LNG có thể bị kẹt và không hoạt động từ xa, đôi khi cần phải ngừng sản xuất để sửa chữa.
Để xác nhận khả năng chống đóng băng và kẹt của van trong điều kiện LNG thực tế, ngành công nghiệp thường áp dụng BS 6364 (Đặc tả van lạnh sâu). Quy trình thử nghiệm chính như sau:
Ngâm lạnh sâu: Van được lắp ráp hoàn chỉnh được ngâm trong nitơ lỏng cho đến khi nhiệt độ đạt -196°C và duy trì trong ít nhất 1 giờ, đảm bảo thân van, bi van, đế van và khu vực làm kín đều ở nhiệt độ lạnh sâu.
Chu kỳ có áp suất: Van được nén bằng heli (hoặc nitơ) đến áp suất định mức và chịu ít nhất 20 chu kỳ đóng-mở hoàn chỉnh (0°→90°→0°) ở -196°C.
Phát hiện rò rỉ: Sau mỗi chu kỳ, rò rỉ đế van (≤10⁻⁶ Pa·m³/s) và rò rỉ bộ làm kín (≤10⁻⁶ Pa·m³/s) được đo.
Giám sát mô-men xoắn: Mô-men xoắn vận hành được ghi lại cho mỗi chu kỳ để phát hiện sự gia tăng bất thường hoặc kẹt.
Một van vượt qua bài kiểm tra này chứng tỏ rằng sự kết hợp vật liệu, sơ đồ bôi trơn và thiết kế cấu trúc của nó có thể chịu được chu kỳ nhiệt từ lạnh sâu đến nhiệt độ môi trường mà không bị đóng băng hoặc kẹt.
Dựa trên các yêu cầu thử nghiệm BS 6366, van bi lạnh sâu bằng điện này tích hợp ba tính năng thiết kế mục tiêu:
PTFE thông thường trở nên giòn ở -196°C và có tốc độ co ngót nhiệt cao. PCTFE (polychlorotrifluoroethylene) duy trì độ dẻo và ổn định kích thước ở nhiệt độ lạnh sâu. Sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính giữa PCTFE (~50×10⁻⁶/K) và bi thép không gỉ (~17×10⁻⁶/K) được điều chỉnh có chủ ý để ở -196°C, áp suất tiếp xúc giữa bi van và đế van vẫn nằm trong phạm vi thiết kế — không quá chặt để gây kẹt cũng không quá lỏng để gây rò rỉ.
Van có thân van kéo dài cách ly hộp làm kín (bộ làm kín PTFE hoặc graphite) khỏi vùng lạnh sâu. Chiều dài kéo dài điển hình là ≥200mm cho DN50 làm ví dụ. Gradient nhiệt độ dọc theo thân van giữ cho khu vực làm kín trên -20°C, duy trì độ đàn hồi và hiệu suất làm kín của bộ làm kín. Ngoài ra, bộ làm kín đáp ứng thiết kế phát thải thấp theo ISO 15848-1, ngăn ngừa rò rỉ bên ngoài do bộ làm kín bị cứng.
Các bề mặt tiếp xúc giữa bi van và trục van được bôi trơn bằng mỡ cấp lạnh sâu có hiệu quả từ -196°C đến -40°C mà không bị tách hoặc rắn lại. Ngoài ra, một thiết bị nối đất chống tĩnh điện (theo API 608) được lắp đặt trên trục van để ngăn tích tụ tĩnh điện từ dòng lưu chất lạnh sâu.
Trong một bài kiểm tra BS 6364 thực tế, van bi lạnh sâu bằng điện này đã hoàn thành 50 chu kỳ đóng-mở ở -196°C (vượt quá yêu cầu 20 chu kỳ của tiêu chuẩn), với biến động mô-men xoắn vận hành trong khoảng ±15% và không bị kẹt hoặc rò rỉ quá mức. Kết quả cụ thể được hiển thị bên dưới:
| Thông số thử nghiệm | Điều kiện thử nghiệm | Kết quả |
|---|---|---|
| Rò rỉ đế | -196°C, 50 chu kỳ | ≤5×10⁻⁷ Pa·m³/s (tốt hơn BS 6364) |
| Rò rỉ bộ làm kín | -196°C, 50 chu kỳ | ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s (đáp ứng ISO 15848-1) |
| Mô-men xoắn vận hành | Nhiệt độ môi trường so với -196°C | Tăng mô-men xoắn ≤20% (điển hình ngành) |
| Kiểm tra sau thử nghiệm | Mặt tiếp xúc bi và đế | Không có vết xước, không có bám dính, không có băng |
Để lựa chọn van cho nhà ga LNG, nên yêu cầu nhà cung cấp cung cấp báo cáo thử nghiệm loại lạnh sâu BS 6364 và xác minh các điều sau:
Nhiệt độ thử nghiệm đạt -196°C (ngâm nitơ lỏng)
Số chu kỳ ≥20
Khả năng cung cấp đường cong biến động mô-men xoắn và hồ sơ tốc độ rò rỉ
Hiện tượng đóng băng và kẹt van trong các nhà ga LNG có thể được giảm thiểu thông qua thiết kế phù hợp. Bằng cách vượt qua bài kiểm tra chu kỳ nitơ lỏng -196°C của BS 6364, van bi lạnh sâu bằng điện đã xác minh một cách có hệ thống khả năng chống kẹt của nó trong dịch vụ lạnh sâu thông qua sự kết hợp vật liệu, sơ đồ bôi trơn và thiết kế cách ly bộ làm kín. Đối với các chuyên gia kỹ thuật và mua sắm, việc đưa các báo cáo thử nghiệm BS 6364 vào mục xem xét kỹ thuật có thể giảm đáng kể rủi ro kẹt van sau khi vận hành, từ đó nâng cao độ tin cậy vận hành của các nhà ga LNG tự động.
