Temperature Dependence of Valve Stem Packing Emission Performance
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-08-20
Department
Major/Subject
Advanced Energy Technologies
Mcode
SCI3106
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
73 + 6
Series
Abstract
Increasing awareness of harmful effects of industrial emissions has led to constantly tightening regulations aiming to reduce emissions in all fields of industry. A part of industrial emissions are fugitive emissions, which are uncontrolled leaks of pollutants from pressurized vessels, pipelines and valves. In the process industry, valves are the most significant source of fugitive emissions, mostly caused by the dynamic stem sealing. Decreasing accepted leak rates create challenges for stem sealing solutions, especially at high temperatures. This thesis focuses on the emission performance of a gland packing, which is a typical valve stem sealing solution. In a gland packing, sealing is based on packing rings made of porous and elastic materials, compressed in a packing cavity. Leak is dependent on many factors, such as packing stress and stem surface quality, and it can occur as a surface leak at sealing interfaces and through the porous packing material. In this work, packing rings made of braided graphite are used in rotary valve applications. The most essential part of this work is experimental testing. Packing ring compression tests were carried out to determine the viscoelastic properties of a packing material as a function of temperature and time. In addition, leak testing was done in special test rigs to measure leak rates trough the stem sealing in different temperatures. In leak testing, standardized test cycles were used as well as custom test cycles planned specifically for the determination of the temperature dependence of leak rate. In addition to experimental testing, numerical simulations of packing behavior were performed to obtain information about packing stress distribution as a function of temperature to help understanding the leak mechanisms. A temperature-dependent material model was calibrated based on the experimental data from the packing compression tests. Several packing configurations were subjected to finite element analysis in different conditions. Finally, simulation results are compared to experimental test results to assess the functionality of the material model.Lisääntynyt tietoisuus teollisuuden päästöjen haitallisista vaikutuksista on johtanut jatkuvasti tiukentuviin päästömääräyksiin, joiden tavoitteena on vähentää päästöjä kaikilla teollisuudenaloilla. Osa teollisuuden päästöistä on niin kutsuttuja hajapäästöjä, jotka ovat hallitsemattomia ja vaikeasti mitattavissa olevia vuotoja paineastioista, putkilinjoista ja venttiileistä. Prosessiteollisuudessa venttiilit ovat merkittävin yksittäinen hajapäästöjen lähde. Venttiilin hajapäästö aiheutuu suurimmaksi osaksi akselitiivistyksen vuodosta. Jatkuvasti pienentyvät hyväksytyt vuototasot aiheuttavat haasteita akselitiivistysratkaisuille eritysesti korkeissa lämpötiloissa. Tämä työ keskittyy tyypillisenä akselitiivistysratkaisuna käytettävään venttiilin poksiin, jossa käytetään tiivisteenä huokoisista ja elastisista materiaaleista valmistettuja poksirenkaita, jotka puristetaan poksionteloon tiivistyksen muodostamiseksi. Vuoto riippuu monista tekijöistä, kuten poksirenkaan jännityksestä sekä akselin pinnanlaadusta, ja se voi tapahtua sekä tiivisteen rajapinnoilla että huokoisen tiivistemateriaalin läpi. Tässä työssä keskitytään punotusta grafiitista valmistettuihin poksirenkaisiin, joita käytetään kiertoventtiileissä. Olennaisin osa työtä on kokeelliset testit. Tiivistemateriaalin käyttäytymistä lämpötilan ja ajan funktiona tutkittiin poksirenkaan puristustesteillä, joiden avulla selvitettiin materiaalin viskoelastisia ominaisuuksia sekä niiden riippuvuutta lämpötilasta. Lisäksi erityisiä emissiotestirigejä käyttäen tehtiin emissiotestejä, joissa mitattiin akselitiivistyksen vuotoja eri lämpötiloissa. Emissiotestejä tehtiin sekä standardoiduilla testisykleillä, että työtä varten erikseen suunnitelluilla testisykleillä. Kokeellisen mittausten lisäksi, työhön sisältyy poksin käyttäytymisen numeerista simulointia, joista saadaan tietoa poksirenkaiden jännitysjakaumasta ja kontaktipaineista. Tiivistemateriaalille kalibroitiin kokeellisen datan avulla lämpötilariippuva materiaalimalli, ja erilaisia poksikonfiguraatioita simuloitiin elementtimenetelmällä eri lämpötiloissa. Simulaatiotuloksia verrataan kokeellisiin tuloksiin materiaalimallin toimivuuden arvioimiseksi.Description
Supervisor
Timonen, JaakkoThesis advisor
Bergström, TommiKeywords
valve, gland packing, packing ring, fugitive emissions, stem sealing