低溫閥門密封設計研究摘 要：分析了低溫對閥門非金屬密封副、金屬密封副、填料和墊片密封性能的影響，從材料選用和結構設計等方面提出了應對措施和注意事項。
1 之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現在介紹低溫閥門密封設計研究概述
隨著石油、化工和燃氣行業的迅速發展，尤其是液化天然氣(LNG)作為一種新興能源的廣泛應用，導致LNG用深冷閥門的需求量大增。根據國家能源戰略，我國將積極參與世界油氣市場的開發。目前，國家發改委已經規劃在廣東、福建、上海、山東、浙江、江蘇、天津及遼寧等地建設11座天然氣接收站，并通過LNG船從國外大量進口天然氣。LNG接收站、LNG運輸船以及到用戶端的輸送管路上，都需要用到大量的閥門。由于LNG常壓下的溫度為-162℃，且易燃易爆，因此在設計LNG深冷閥門時，對其密封性能提出了更高和更嚴格的要求。
閥門的密封性能是考核閥門質量優劣的主要指標之一，其主要包括在兩個方面，即內密封性能和外密封性能。內密封是指閥座與關閉件之間對介質所達到的密封程度。如球閥的球體與閥座之間的密封，蝶閥的蝶板與閥座之間的密封，截止閥的閥瓣與閥座之間的密封，閘閥的閘板與閥座之間的密封等。這些密封型式主要有平面密封、球面密封及錐面密封等。密封材料可以分為金屬對非金屬材料密封和金屬對金屬材料密封。外密封是指閥桿填料部位的密封和中法蘭墊片部位的密封。在某些介質不允許排入大氣的特殊工況下，外密封比內密封更為重要。 
2 低溫閥門密封設計研究低溫對閥門內密封性能的影響
2.1 非金屬密封副
在常溫下工作的球閥和蝶閥等一般均采用金屬對非金屬材料密封副。由于非金屬材料的彈性大，獲得密封所需的比壓小，因此密封性好。但是在低溫狀態下，由于非金屬材料的膨脹系數較金屬材料大得多，使得其低溫時的收縮量與金屬密封件、閥體等配合件的收縮量相差較大，從而導致密封比壓嚴重降低而產生無法密封的結果。大多數非金屬材料在深冷溫度下會變硬和變脆，失去韌性，從而導致冷流和應力松弛。如橡膠在溫度低于其玻璃化溫度時，會*失去彈性，變成玻璃態，失去其密封性。另外橡膠在LNG介質中存在泡脹性，也無法用于LNG閥門。因此目前在設計低溫閥門時，一般溫度低于-70℃時不再采用非金屬密封副材料，或將非金屬材料通過特殊工藝加工成金屬與非金屬復合結構型式。
據國外資料記載，也有部分非金屬材料可以在深冷狀態下很好的應用。在70年代，愛爾蘭合金有限公司的一種新型塑料“slip shod”，是一種超高分子量的聚乙烯，在-269℃溫度仍具有很好的韌性，承受一定沖擊應力時不斷裂，而且能保持相當的抗磨性。法國研制的Mylar型塑料在液氫(-253℃)溫度下仍具有相當的彈性。前蘇聯H.T.洛馬寧柯的聚碳酸脂密封座在液氮(-196℃)溫度下進行密封性試驗，數據表明聚碳酸脂在低溫下具有良好的密封效果。
2.2 金屬密封副
在低溫條件下，金屬材料的強度和硬度提高，塑性和韌性降低，呈現出不同程度的低溫冷脆現象，嚴重影響到閥門的性能和安全。為了防止材料在低溫下的低應力脆斷，在設計低溫閥門時，一般溫度高于 -100℃采用鐵素體不銹鋼材料，而溫度低于 -100℃時，閥體、閥蓋、閥桿、密封座等大多采用具有面心立方晶格的奧氏體不銹鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金等。但因鋁及鋁合金的硬度不高，密封面的耐磨、耐擦傷性能較差，所以在低溫閥門中應用極少。一般使用奧氏體不銹鋼材料居多，常用的有0Cr18Ni9、00Cr17Ni12Mo2(304、316L)等，這些材料沒有低溫冷脆臨界溫度，在低溫條件下，仍能保持較高的韌性。
但是，奧氏體不銹鋼作為低溫閥門的金屬密封副材料也存在著某些不足。因為這類材料的大部分在常溫下處于亞穩定狀態，當溫度降低到相變點(MS)以下時，材料中的奧氏體會轉變成馬氏體。對于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體，且由于部分碳原子規則化排列占據體心立方點陣位置，使晶格沿C軸方向增長，從而體積發生變化引起內部應力的增加，使原本經研磨后達到密封要求的密封面產生翹曲變形，造成密封失效。
除了低溫相變引起密封面變形失效外，由于零件各部分的溫度差或由于不同材料間物理性能的差異，引起收縮不均，也會產生溫變應力。當應力低于材料的彈性極*，就會在密封面產生可逆性的彈性扭曲。當某一部分的溫變應力超過了材料的屈服極*，零件將發生不可逆轉的扭曲變形，同樣會造成密封面的失效，影響密封效果。
針對低溫對金屬密封副的影響，必須采取相應的措施，以使金屬密封面的變形zui小或密封面的變形對密封性能的影響zui小。首先在材料方面盡量選用金相組織穩定性較高的材料(如316L但成本較高)。其次對于閥體、閥蓋、閥桿、密封件等奧氏體材料制作的零件必須進行低溫處理，以使材料的馬氏體轉變和變形得到充分進行后再進行精加工。低溫處理的溫度應低于材料相變溫度(MS)且低于閥門實際工作溫度，處理時間以2～4h為宜，如需要可以進行多次低溫處理或進行適當的時效處理。除了以上措施，在結構設計時也要進行考慮，以降低密封面變形對密封性能的影響，如在進行閘閥、球閥和蝶閥設計時可以考慮采用彈性密封結構，以使低溫變形得到部分補償。對于截止閥應采用錐面密封結構，使低溫變形對密封面的影響較小。
3 低溫對閥門外密封性能的影響
3.1 閥桿填料
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥由于低溫下橡膠材料的缺陷和大多數非金屬材料存在的冷脆及嚴重冷流現象，因此低溫閥閥桿與閥體間的密封設計無法采用密封圈的形式，只能采用填料函密封結構和波紋管密封結構。一般波紋管密封多應用于介質不允許微量泄漏和不適宜填料的場合，其單層結構的壽命很短，多層結構的成本高，加工困難，所以一般不采用。
填料函密封結構制造加工簡單，維修更換方便，在實際應用中相當普遍。但是填料一般工作溫度不能低于-40℃，為了保證填料的密封性能，低溫閥門的填料函裝置應在接近環境溫度的條件下工作。在低溫狀態下，隨著溫度的降低填料彈性逐漸消失，防漏性能隨之下降。由于介質滲漏造成填料與閥桿處結冰，將會影響閥桿的正常操作，同時也會因閥桿運動而將填料劃傷，引起嚴重泄漏。所以在一般情況下要求低溫閥填料在0℃以上溫度工作，這就要求設計時通過長頸閥蓋結構，使填料函遠離低溫介質，同時選用具有低溫特性的填料。常用填料有聚四氟乙烯、石棉、浸漬聚四氟乙烯石棉繩和柔性石墨等，其中由于石棉無法避免滲透性泄漏，聚四氟乙烯線膨脹系數很大、冷流現象嚴重，所以一般不采用。柔性石墨是一種優良的密封材料，對氣體、液體均不滲透，壓縮率大于40%，回彈性大于15%，應力松弛小于5%，較低的緊固壓力就可達到密封。它還有自潤滑性，用作閥門填料可以有效防止填料與閥桿的磨損，其密封性能明顯優于傳統的石棉材料，因此是目前秀的密封材料之一。
由于填料一般都是非金屬材料，其線膨脹系數比金屬填料函和閥桿大得多。因此在常溫下裝配的填料，降到一定溫度后，其收縮量大于填料孔和閥桿的收縮量，可能造成預緊壓力減小引起泄漏。在設計時可以對填料壓蓋螺栓采用多組碟形彈簧墊片進行預緊，使填料在低溫時的預緊力能得到連續補償，以保證填料密封效果。
美國Garlock公司生產的低逸散組合式閥桿填料(圖1)，其端環采用碳纖維編織盤根，密封環采用高純度菱形紋理石墨帶模壓成型，通過杯錐狀結構和徑向擴張特性，使其密封性能大大提高。
圖1 Garlock 墊片壓縮前后密封效果
圖1 Garlock 墊片壓縮前后密封效果
閥桿材料的低溫變形，對填料的密封性能也會造成一定的影響。因此同閥體、閥蓋、密封副材料一樣，閥桿也必須進行低溫深冷處理后再精加工，以使低溫變形zui小。另外，由于低溫閥桿材料采用的奧氏體不銹鋼無法通過熱處理來提高表面硬度，使得閥桿與填料接合處比較容易相互擦傷，致使在填料處泄漏。因此對于閥桿表面必須進行鍍硬鉻或氮化處理，以提高表面硬度。
3.2 中法蘭墊片
無論是閥門的中法蘭密封還是法蘭連接式閥門的外部連接，一般均采用墊片的形式。由于墊片材料在低溫下會硬化和降低塑性，因此對應用于低溫閥門的墊片要求更高，其必須在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復原性，應綜合考慮低溫對墊片密封性能的影響。
圖2 墊片密封結構1.螺栓 2.密封墊片 3.法蘭圖2 墊片密封結構
根據常用墊片密封形式(圖2)可知，隨著溫度的降低，螺栓長度、密封墊片和法蘭的厚度都會收縮變小，為了保證低溫下墊片的可靠密封，必須滿足
ΔHT3 ΔHT-ΔHT1-ΔH1<0
式中
ΔH1———螺栓裝配時的拉伸變形量，mm
ΔH1=σ1/E1H
ΔHT1———在ΔT的溫區間螺栓的收縮量，mm
ΔHT1=Hα1ΔT
ΔHT———密封墊片在ΔT溫區內的收縮量，mm
ΔHT=hα2ΔT
ΔHT3———上、下法蘭在ΔT溫區內的收縮量，mm
ΔHT3=(H-h)α3ΔT1
σ1———螺栓預緊力，N/mm
E1———螺栓的彈性模量，N/mm
α1、α2、α3———分別為螺栓、墊片和法蘭材料的線膨脹系數，mm/m
H、h———如圖2所示，mm
墊片密封從常溫到達設計的工作低溫時，上下法蘭的收縮量與密封墊片的收縮量之和必須小于螺栓的收縮量與螺栓裝配時的拉伸變形量之和，這樣才能保證密封墊片在工作溫度時仍有部分預緊力存在，保持密封能力。
據此，在設計時應從4個方面考慮。①螺栓采用線膨脹系數較大的材料，在低溫下有較大的收縮量。②法蘭采用線膨脹系數較小的材料，減小ΔHT3。③減小密封墊片的厚度，用線膨脹系數小的材料作密封墊。④增加螺栓的拉伸變形量。
對于低于 -100℃的低溫閥門，閥體材料和螺栓材料一般都采用奧氏體不銹鋼，其線膨脹系數一致，因此選用合適的墊片材料和增加螺栓拉伸變形量更為重要。理想的低溫密封墊材料，在常溫下其硬度較低，在低溫下的回彈性能好，線膨脹系數小并具有一定的機械強度。在實際應用中一般采用不銹鋼帶填充石棉或聚四氟乙烯或柔性石墨纏制而成的纏繞式墊片，其中以柔性石墨與不銹鋼繞制而成的纏繞式墊片的密封效果zui為理想。對于增加螺栓的拉伸變形量，由于受螺栓安裝預緊力的限制，增加的余量不多，可考慮通過設置碟形彈簧墊片來進行補償。
4 結語
低溫閥門與通用閥門在設計、制造和檢驗方面有很大的差別，尤其是低溫閥門密封材料選用和密封結構的設計更為復雜。因此在設計低溫閥門時，除了遵守閥門的一般設計規則外，還必須根據介質特性和zui低工作溫度選用合適的密封材料，并盡可能采用柔性密封結構，使低溫所造成的不利影響得到有效補償。在精加工前，對所有低溫金屬材料必須進行深冷處理，使材料低溫變形zui小。對新設計的低溫閥門必須經過常溫試驗和低溫試驗的驗證。與本文相關的產品有不銹鋼波紋管密封安全閥
參考文獻
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