Como se muestra en los resultados de la simulación de la Sección 1, la presión del medio debajo del empaque fluctúa aproximadamente 13.700 Pa, lo que tiene un impacto mínimo en el rendimiento del sello del empaque. Suponiendo condiciones ideales donde la presión de contacto en la superficie de sellado excede la presión del medio, no se produce fuga del medio, y la presión del medio actúa únicamente en la interfaz fluido-sólido como se muestra en la Figura 2. Con base en la configuración de sellado inicial descrita en la Sección 2, se introduce un paso de carga adicional que representa la presión del medio. Bajo esta condición, se analizan los efectos de la variación de la presión del medio en la deformación radial del empaque comprimido y la presión de contacto en las superficies de sellado. Después de que se estableció la configuración de sellado inicial, se aplicaron presiones medias de 45 MPa y 13.700 Pa, respectivamente. Las deformaciones radiales máximas correspondientes fueron 0,099 mm y 0,1102 mm, mientras que las presiones de contacto máximas alcanzaron 53,082 MPa y 53,1876 MPa, respectivamente. La menor presión del medio resulta en valores ligeramente más altos, lo que conlleva una mayor deformación radial y una mayor presión máxima de contacto en el anillo de empaque. Sin embargo, las diferencias son mínimas: la deformación radial aumenta solo un 2,7 % y la presión máxima de contacto solo un 1,9 %. Estas observaciones indican que las fluctuaciones de presión tienen un efecto insignificante en el anillo de empaque. Por lo tanto, el impacto de la variación de presión en el diseño del sello se considera insignificante y se excluye de análisis posteriores. Los futuros diseños de sellos solo deben considerar la presión máxima de operación, incorporando un margen de seguridad adecuado.
La magnitud de la presión de contacto indica directamente la eficacia del sellado del anillo de empaque. Para garantizar un sellado eficaz, la presión de contacto máxima debe ser igual o superior a la presión del medio. Cuando la presión del fluido sellado es alta, la trayectoria de sellado efectiva se alarga, lo que resulta en un sellado más fiable. Al diseñar la estructura de sellado, también es esencial considerar la tensión equivalente para evitar niveles excesivos que podrían causar la rotura o deformación permanente del sello. Utilizando el método de variable de control, se analizaron anillos de empaque de diferentes alturas para determinar la presión de contacto máxima en sus superficies de sellado, como se muestra en la Figura 7. A medida que aumenta la relación altura-ancho de la sección transversal del anillo de empaque, la presión de contacto máxima en la superficie de sellado inferior se vuelve significativamente menor que en las superficies de sellado interna y externa. Además, la presión de contacto en la superficie de sellado externa es ligeramente mayor que en la superficie interna. A una tasa de compresión constante, la presión de contacto máxima aumenta gradualmente con la altura del anillo de empaque. Por el contrario, a una altura fija del anillo de empaque, la presión de contacto máxima aumenta más rápidamente a medida que aumenta la tasa de compresión.
(a) altura = 12 mm (b) altura = 16 mm (c) altura = 20 mm (d) altura = 24 mm
Figura 7. Variación de la presión máxima de contacto en las superficies de sellado a diferentes alturas de anillo de empaque y tasas de compresión.
Al comparar la presión máxima de contacto en la superficie de sellado con la presión de trabajo máxima admisible de 45 MPa, se observa que, con una tasa de compresión del 15%, las presiones de contacto de los anillos de empaque a todas las alturas se mantienen muy por debajo de 45 MPa. Con una tasa de compresión del 22%, la presión de contacto máxima para el anillo de empaque de 16 mm alcanza los 47,1 MPa, lo que deja un estrecho margen de seguridad. Las presiones máximas para los anillos de 20 mm y 24 mm son de 51,28 MPa y 58,32 MPa, respectivamente, ambas superando significativamente la presión media. Con una tasa de compresión del 25%, las presiones de contacto para los anillos de empaque a todas las alturas superan significativamente la presión media. Al diseñar el sello de empaque del vástago de la válvula, es fundamental considerar que las tasas de compresión más altas aumentan la fricción, lo que a su vez eleva el par de rotación del vástago de la válvula, dificultando la operación y acelerando el desgaste del anillo de empaque, lo que en última instancia reduce la vida útil. Por lo tanto, se debe evitar el preapriete a la tasa de compresión máxima siempre que sea posible. Considerando los costos de fabricación asociados con el cuerpo de la válvula de acero inoxidable 316L, se prefiere una altura de anillo de empaque menor. Finalmente, se optó por una altura de anillo de empaque de 20 mm, con cinco anillos de empaque instalados en conjunto. La tasa de compresión varía del 22 % al 25 %, lo que corresponde a un desplazamiento de compresión de 4,4 a 5,0 mm. En estas condiciones, el rendimiento del sellado es confiable y cumple con los requisitos operativos.
Se analizó el efecto del coeficiente de fricción en el rendimiento de contacto de un anillo de empaque de 20 mm de altura comprimido al 22 %, cuyos resultados se muestran en la Figura 8. Tras la compresión, la cara superior del anillo de empaque sirve como punto de inicio de la trayectoria de sellado en la dirección -Y. La presión de contacto en las superficies de sellado, tanto interna como externa, muestra una disminución aproximadamente lineal a lo largo de la trayectoria, seguida de una caída brusca cerca del final. En la primera mitad de la trayectoria de sellado, los coeficientes de fricción más altos corresponden a una mayor presión de contacto. A -Y = 7,8 mm, las presiones de contacto convergen y se igualan. Sin embargo, en la segunda mitad de la trayectoria de sellado, los coeficientes de fricción más altos resultan en presiones de contacto más bajas. Esta tendencia concuerda con los hallazgos de Zhao et al. Esto se debe a que, durante la sujeción, la fuerza se aplica desde arriba, lo que resulta en una deformación axial significativa por compresión en la parte superior, mientras que la deformación en la mitad inferior permanece relativamente pequeña. Como se muestra en la Figura 8(c), la distribución de la presión de contacto en la superficie de sellado inferior disminuye gradualmente desde el centro hacia ambos lados, mostrando un patrón casi simétrico. Un coeficiente de fricción más alto en la superficie de sellado inferior corresponde a una presión de contacto más baja. El rendimiento del sellado depende principalmente de la presión de contacto máxima a lo largo de la trayectoria de sellado. Dado que una fricción excesiva acelera el desgaste del anillo de sellado, se recomienda un coeficiente de fricción de 0,10 para un rendimiento de sellado óptimo.
(a) Interior (b) Exterior (c) Abajo
Figura 8. Distribución de la presión de contacto en superficies de sellado a diferentes coeficientes de fricción
Se analizó el impacto de las holguras internas y externas entre el anillo de empaque, el vástago y el cuerpo de la válvula en el rendimiento del sellado. Se seleccionó un anillo de empaque de 20 mm de altura con una tasa de compresión del 22 % y se establecieron cuatro grupos de comparación para el estudio. Las holguras internas y externas del anillo de empaque para cada grupo se detallan en la Tabla 2.
Tabla 2. Holguras de ajuste internas y externas del anillo de empaque
Grupo No. | e1 (mm) | e2 (mm) |
Grupo inicial | 0 | 0.1 |
Comparación 1 | 0 | 0 |
Comparación 2 | 0 | 0.1 |
Comparación 3 | 0.1 | 0 |
Comparación 4 | 0.2 | 0.2 |
Los resultados del cálculo se presentan en la Figura 9. A la misma tasa de compresión, holguras de ajuste menores resultan en una mejor extrusión radial y una mayor presión de contacto. Dado que el anillo de empaque se deforma radialmente hacia afuera con mayor rapidez durante la compresión, una holgura exterior de 0,1 mm ofrece un mejor rendimiento de sellado que una holgura interior de 0,1 mm. Sin embargo, si la holgura es demasiado pequeña, la tensión equivalente puede resultar excesiva, lo que podría provocar la rotura del anillo de empaque. Para cumplir con los requisitos de instalación, las holguras de ajuste de los diámetros interior y exterior se han diseñado en 0,1 mm, según la norma JB/T 6617-2016: Condiciones técnicas para anillos de empaque flexibles de grafito para válvulas.
(a) Superficie interior (b) Superficie exterior
Figura 9. Distribución de la presión de contacto en superficies de sellado con diferentes holguras de ajuste
Con base en el análisis anterior, la estructura optimizada del sello de empaque se diseñó con los siguientes parámetros: una altura total de 20 mm, una tasa de compresión del 22 %, un coeficiente de fricción de 0,1 y una holgura de ajuste de 0,1 mm. El rendimiento del sellado de este diseño se validó mediante simulaciones de penetración de presión y pruebas experimentales.
Utilizando el modelo de elementos finitos descrito en la Sección 2, se realizó una simulación de penetración a una presión media de 45 MPa. La Figura 10 ilustra la distribución de la presión de contacto en la superficie de sellado antes y después de aplicar presión de hidrógeno. Como se muestra en la Figura 10(b), la región de menor presión de contacto de la superficie de sellado se separa parcialmente tras la aplicación de presión de hidrógeno, lo que provoca una ligera reducción de la longitud efectiva de sellado. La presión de contacto máxima disminuye a 49,76 MPa, superando aún el requisito de presión media de 45 MPa y proporcionando un margen de seguridad de aproximadamente el 10 %. Estos resultados confirman que la estructura de empaque diseñada ofrece un rendimiento de sellado fiable a una presión de hidrógeno de 45 MPa.
(a) Sin presión de hidrógeno (b) Con presión de hidrógeno
Figura 10. Distribución de la presión de contacto del anillo de empaque antes y después de aplicar presión media
El rendimiento del sellado se evaluó mediante una máquina de prueba de sellado de vástagos de válvulas de alta presión, construida a medida. El equipo de prueba, que se muestra en la Figura 11, incluye un conjunto de cilindro de amoníaco, un sistema de presurización, un sistema de control del accionamiento del vástago de válvula y un sistema de adquisición de datos.
La muestra de prueba fue un anillo de empaquetadura de grafito flexible, moldeado y de alta pureza, con una altura total de 20 mm. Cada anillo medía 10,2 mm × 17,8 mm × 4 mm (diámetro interior × diámetro exterior × altura) y tenía una densidad de 1,6 g/cm³.
Figura 11. Dispositivo de prueba de rendimiento de sellado del empaque del vástago de la válvula
El procedimiento de prueba fue el siguiente:
Primero, se instalaron los anillos de empaque en el prensaestopas y se comprimieron a la tasa de compresión especificada apretando los pernos. A continuación, se activó el sistema de presurización para inyectar gas y elevar la presión al valor objetivo. El actuador neumático accionó el vástago de la válvula en un movimiento de rotación, simulando con precisión el proceso de apertura y cierre de la válvula. La detección de fugas se realizó visualmente: la presencia de burbujas o una caída en la presión monitoreada indicaba una fuga, mientras que la ausencia de burbujas y una presión estable confirmaban un sello intacto. Si se detectaba una fuga, se detenía la rotación, se liberaba la presión y se reiniciaba la prueba con anillos de empaque nuevos. Si no se detectaban fugas, se realizaba una prueba de ciclo de vida bajo presión sostenida. De acuerdo con la norma GB/T 13927-2022 "Prueba de Presión de Válvulas Industriales", se probaron dos tasas de compresión (20% y 22%) a 1,1 veces la presión máxima de trabajo, aproximadamente 50 MPa. El vástago de la válvula se giró en un movimiento alternativo de 90°, con una duración de 2 segundos por ciclo y un intervalo de 5 segundos entre rotaciones.
Resultados de la prueba:
A una tasa de compresión del 20 %, se observó una fuga significativa de burbujas, lo que provocó una caída de la presión antes de estabilizarse en torno a los 41,5 MPa. Esto indica que el rendimiento del sellado es insuficiente para mantener una presión de 50 MPa. A una tasa de compresión del 22 %, no se detectaron fugas mediante el método de burbujas, y la prueba se extendió a 1000 ciclos completos. Las lecturas de presión obtenidas del transmisor de presión de salida no mostraron disminución durante la rotación del vástago de la válvula, y la presión se mantuvo estable durante un período de retención de 15 minutos, lo que indica un excelente rendimiento de sellado. Combinados con simulaciones de penetración de presión, estos resultados confirman que la estructura de sello de empaque diseñada ofrece un rendimiento de sellado fiable y duradero a una presión media de 45 MPa. La Figura 12 ilustra la distribución de la tensión equivalente en el anillo de empaque antes y después de la aplicación de presión de hidrógeno. La presión media reduce ligeramente la deformación radial, provocando una ligera disminución de la tensión equivalente que se mantiene uniformemente distribuida. Gracias a las restricciones mecánicas del cuerpo y el vástago de la válvula, el anillo de empaque no sufre una deformación excesiva. La baja tensión equivalente indica un riesgo mínimo de deformación permanente o ruptura, lo que confirma que la estructura de sellado es segura y confiable.
(a) Sin presión de hidrógeno (b) Con presión de hidrógeno
Figura 12. Distribución de tensión equivalente en el anillo de sello del empaque
Características de flujo de Válvulas de bola de alta presión:
El flujo interno de las válvulas de bola de alta presión se caracteriza por baja velocidad, alta presión de operación y una pequeña caída de presión. La velocidad máxima de flujo alcanza los 32,4 m/s en la salida del canal del núcleo de la válvula durante el proceso de cierre, mientras que la velocidad de flujo cerca de la interfaz fluido-sólido se mantiene relativamente baja, entre 0 y 4 m/s. Si bien la interfaz experimenta una fluctuación de presión significativa de aproximadamente 13,7 MPa, su impacto en el rendimiento del sello de empaquetadura es mínimo. Por lo tanto, se pueden descartar las velocidades de flujo excesivas y las diferencias de presión en el diseño del sello. La optimización estructural futura debe priorizar la presión máxima de trabajo e incorporar un margen de seguridad adecuado.
Influencia de los parámetros estructurales en el rendimiento del sellado:
La presión máxima de contacto del sello del empaque aumenta con la altura del anillo, la tasa de compresión y el coeficiente de fricción. Sin embargo, una tasa de compresión excesiva puede generar una tensión equivalente elevada, lo que aumenta el riesgo de deformación permanente o fallo del anillo. Además, el aumento de la presión radial y la fricción aceleran el desgaste del empaque, y un coeficiente de fricción más alto contribuye a la degradación del material. La introducción de holguras internas y externas adecuadas entre los componentes ayuda a reducir la tensión equivalente y previene la deformación o el agrietamiento del sello. Optimizar la altura del anillo mejora la integridad del sellado, contribuye a un diseño de válvula más compacto y reduce los costos de fabricación.
Parámetros optimizados para el sellado de válvulas de bola de hidrógeno:
En el vástago de la válvula de bola de hidrógeno de alta presión analizado en este estudio, el sello de empaquetadura alcanza un rendimiento óptimo con los siguientes parámetros de diseño: altura total de 20 mm, diámetro interior de 10,2 mm, diámetro exterior de 17,8 mm, índice de compresión del 22 % y coeficiente de fricción de 0,1. Estos parámetros garantizan un sellado fiable a una presión máxima de trabajo de 45 MPa. Para satisfacer requisitos de mayor presión, se puede aumentar el índice de compresión y la altura del anillo de empaquetadura, o bien, utilizar anillos de empaquetadura en forma de V para mejorar aún más el sellado.
