Valve stem packing emission performance development

Abstract

Increased awareness of climate change and the effect that harmful emissions have on our environment has induced a trend of cutting down all on emission in all fields of industry. Valves contribute to large portion of emission emitted by oil and gas industry, majority of these emissions escaping valves through gland packings. Accepted leakage rates for valve gland packings are increasing smaller creating difficulties for current solutions the meet the requirements. The main objective for this thesis is to identify key contributors to gland packing leakage and propose solutions to improve to packing sealing performance.

Since there is no standard design procedure characterizing valve gland packing sealing performance, leakage contributors and improvements are identified through research of literature, internal existing knowledge, laboratory testing of gland packings and analyzing current designs of gland packings with FEA.

Research focused on braided graphite packings. Friction and sealing material elastic and porous properties are causes for majority of the struggles with sealing and endurance performance. Friction exponentially decreases compression along stem line and graphite relaxes losing over 30% of its stiffness in room temperature. Packings have two main leakage mechanics: surface leakage and leakage through porous packing material. Both highly depending on maintaining a set threshold of compression and of sealing material selection. Laboratory tests revealed high wear rate for graphite packings. High temperatures creating additional difficulties increasing friction, wear rate and relaxation. Performance indicators were selected based on analytical solutions on stress distribution and leakage prediction.

Accurate 3D models were created of two active gland packing designs. Models were used in finite element analysis. Both models were analyzed under loading at -52°C and +400°C. Structural stresses and deformations, packing contact pressures and live loading springs were monitored to confirm research findings and reveal additional weaknesses. Theory of friction was confirmed together with identified structural and live loading problems.

Based on research findings and numerical analysis results, two new concepts were proposed. The concepts proved improvements in stress distribution and live loading function. Analysis results were compared with the help of performance indicators. Concepts also introduced improvements for repeatability in assembly and decreased leakage through packing using permeation barriers.

Lisääntynyt tietoisuus ilmastonmuutoksesta ja haitallisten päästöjen vaikutuksesta on tuottanut trendin vähentää päästöjä kaikilla teollisuuden aloilla. Teollisuusventtiilit tuottavat suuren osan öljy- ja kaasuteollisuuden päästöistä. Suurin osa näistä päästöistä pakenee venttiilistä akselitiivisteiden kautta. Akselitiivisteille luodut hyväksyttävät vuototasot jatkavat pienenemistään tuottaen vaikeuksia nykyisille ratkaisuille täyttää kiristyneet vaatimukset. Tämän tutkielman päätavoitteena on tunnistaa akselitiivisteiden vuodon keskeisimmät aiheuttajat ja ehdottaa ratkaisuja tiiveyden parantamiseksi.

Venttiiliakselitiivisteratkaisuiden kehitykselle ja ominaisuuksille ei ole standardoitua prosessia, joten vuodon päätekijät sekä kehitysehdotukset selvitetään kirjallisuustutkimuksen, yrityksen sisäisen tiedon, laboratoriotestien sekä numeerisesti analysoimalla aktiivisessa käytössä olevia tiivisteratkaisuja.

Tutkimuksessa keskityttiin punottuihin grafiittipoksirenkaisiin. Kitka- ja tiivistemateriaalin elastiset ja huokoiset ominaisuudet ovat syitä suurimmalle osalle ongelmista tiiveys- ja syklikestävyystason kanssa. Kitka eksponentiaalisesti vähentää kontaktipainetta akselin suunnassa ja grafiitti menettää noin 30% alkuperäisestä jäykkyydestä relaksoitumisen myötä huoneenlämmössä. Akselitiivisteillä on kaksi päävuotomekanismia: pintavuoto sekä vuoto huokoisen tiivistemateriaalin läpi. Molemmat ovat erittäin riippuvaisia minimikontaktipaineen säilyttämisestä sekä käytetystä tiivistemateriaalista. Laboratoriotestit paljastivat korkean kulumisnopeuden grafiitille. Korotettu lämpötila lisää kitkaa, kulumista ja relaksoitumista tuottaen vaikeuksia saavuttaa tavoiteltu tiiveys ja syklikestävyys. Suorituskyvylle valittiin indikaattorit kirjallisuudesta löydettyjen analyyttisten jännitysjakauma- sekä vuotofunktioiden perusteella.

Kahdesta aktiivisesti käytössä olevasta akselitiivistysratkaisusta luotiin 3D mallit, joita hyödynnettiin numeerisissa elementtimenetelmäanalyyseissa. Molemmat rakenteet analysoitiin -52°C ja 400°C lämpötiloissa kuormitettuina. Rakenteellisia jännityksiä ja muodonmuutoksia, grafiittitiivisteen kontaktipaineita sekä kuormitusjousien suorituskykyä mitattiin. Tuloksia käytettiin teorian vahvistamiseen ja uusien heikkouksien paljastamiseen. Teoria kitkan vaikutuksesta sekä jo tunnistetut rakenteelliset ja kuormitusjousiin liittyvät ongelmat vahvistuivat.

Teorian ja numeeristen analyysitulosten perusteella luotiin kaksi konseptia. Konseptit osoittivat parannuksia stressijakaumassa sekä kuormitusjousien toiminnassa. Analyysituloksia verrattiin tulosindikaattoreiden avulla. Konseptit toivat myös parannuksia kokoonpanon toistettavuuteen ja läpivuodon määrään läpäisemättömien elementtien avulla.