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超低温截止阀的密封要求
上海申弘阀门有限公司
之前介绍蒸汽截止阀热损失，现在介绍超低温截止阀的密封技术超低温截止阀是应用于低温工况下的截止设备，一般工况温度在-100℃以下.低温工业在工业领域中占有重要的地位，以天然气为例，为了使天然气更加方便运输，工业上一般用降温和压缩的方法将气化天然气转化为液化天然气（LNG），在标准大气压下的沸点是-162℃，气化后体积为液态时的600倍［1］。超低温截止阀作为低温工业用的一种主要阀门与重要截止设备，对其密封结构的设计与研究具有重大的意义.704研究所通过大量的研究试验，针对-196℃超低温工况，研制出了可在此温度环境中工作的超低温阀门样机（见图1）。
1 超低温截止阀对材料的要求
图1 超低温截止阀样机
在常温工况下应用的阀门，材料选择的范围比较广泛。超低温截止阀的使用工况在-100℃以下，对材料的要求较为严格。在工作温度下，材料不应产生低温脆性破坏，材料的组织结构应稳定，以防止材料相变而引起体积变化；采用焊接结构时，材料的焊接性能要好，在低温下焊缝具有较高的可靠性；阀门在低温工况下频繁启闭，其阀瓣、阀杆、阀座等零部件应避免卡阻、咬合与擦伤等现象。基于上述要求，低温截止阀主要零件推荐选用的材料如表1［2］。
1超低温截止阀的密封要求低温阀门的设计要求
根据使用条件，低温阀的设计有下列要求：
1.1阀门不应成为低温系统的一个显著热源。这是因为热量的流入除降低热效率外，如流入过多，还会使内部流体急速蒸发，产生异常升压，造成危险。
1.2低温介质不应对手轮操作及填料密封性能产生有害的影响。
1.3直接与低温介质接触的阀门组合件应具有防爆和防火结构。
1.4在低温下工作的阀门组合件无法润滑，所以需要采取结构措施，以防止摩擦件擦伤。
2 超低温截止阀主密封结构设计
超低温截止阀采用阀瓣与阀座接触的锥面密封结构，密封副设计成金属对金属的硬密封形式，阀座设计在阀体上，和阀体组成一体结构，如图2所示。为保证阀门的可靠密封，在阀瓣和阀体密封面上喷焊硬质合金。经过低温试验及涂层力学性能试验，证明喷涂后硬度增加，低温环境耐磨性能良好，促进阀门在低温环境的可靠密封。经过查阅资料和实验应用，我们采用等离子喷焊技术对阀体密封面喷焊SliteNo6合金，对阀瓣密封面喷焊SliteNo12合金，厚度≥1mm。经过喷焊工艺处理，附着SliteNo12合金的阀瓣密封面的硬度较附着SliteNo6合金的阀体密封面的硬度大，有利于截止阀的密封效果。
2低温阀的材料选用
2.1低温阀主体材料
2.1.1主体材料选用应考虑的因素
从金相考虑，金属材料中除了具有面心立方晶格的奥氏体钢、铜、铝等以外，一般的钢材在低温状态下会出现低温脆性，从而降低阀门的强度和使用寿命。选择主体材料时首先要选用适合于低温下工作的材料。
铝在低温下不会出现低温脆性，但因铝及铝合金的硬度不高，铝密封面的耐磨、耐擦伤性能差，所以在低温阀门中的使用有一定的限制，仅在低压和小口径阀中选用。除此以外，低温阀门的材料选用还应考虑以下一些因素：
1）阀门的zui低使用温度；
2）金属材料在低温下保持工作条件所需要的力学性能，特别是冲击韧性、相对延伸率及组织稳定性；
3）在低温及无油润滑的情况下，具有良好的耐磨性；
4）具有良好的耐蚀性；
5）采用焊接连接时还需考虑材料的焊接性能。
2.1.2阀体、阀盖、阀座、阀瓣（闸板）材料的选用
这些主体零部件材料的选用原则大致是：温度高于-100℃时选用铁素体钢；温度低于-100℃时选用奥氏体钢；低压及小口径阀门可选用铜和铝等材料。设计时根据zui低使用温度选择适当的材料。 
2.1.3阀杆及紧固件的材料选用
温度高于-100℃时，阀杆和螺栓材料采用Ni、，Cr-Mo等合金钢，经适当的热处理，以提高抗拉强度和防止螺纹咬伤等。温度低于-100℃时，采用奥氏体不锈耐酸钢制造。但18-8耐酸钢硬度低，会造成阀杆与填料相互擦伤，致使填料处泄漏。所以，阀杆表面必须镀硬铬（镀层厚0.04-0.06mm），或进行氮化和镀镍磷处理，以提高表面硬度。
为防止螺母与螺栓咬死，螺母一般采用Mo钢或Ni钢，同时在螺纹表面涂二硫化钼。
2.2低温阀垫片、填料材料的选用
在低温阀门设计中，一方面由结构设计来保证使填料处于接近环境温度下工作，例如，采用长颈阀盖结构，使填料函离低温介质尽量远些，另一方面在选择填料时要考虑填料的低温特性。低温阀中一般采用浸渍聚四氟乙烯的石棉填料。柔性石墨是新近发展起来的一种优良的密封材料。低温阀门也可采用无填料的波纹管密封结构，通常情况下使用多层波纹管。低温阀门用垫片必须在常温、低温及温度变化下具有可靠的密封性和复原性。由于垫片材料在低温下会硬化和降低塑性，所以应选择性能变化小的垫片材料。使用温度为-200℃，低温zui高使用压力3MPa时，采用长纤维白石棉的石棉橡胶板。使用温度为-200℃，zui高使用压力5MPa时，采用耐酸钢带夹石棉缠制而成的缠绕式垫片，或聚四氟乙烯和耐酸钢带绕制而成的缠绕式垫片。柔性石墨与耐酸钢绕制而成的缠绕式垫片用于-200℃的低温阀门上比较理想。
超低温截止阀的密封要求图2 主密封结构图
由于超低温截止阀的使用工况在-100℃以下，阀瓣和阀体在喷焊硬质合金后，要进行深冷处理.本文设计的超低温截止阀样机的阀体与阀瓣粗加工后，浸在-196℃的液氮中保冷2h，然后取出自然处理。另外，阀杆、长颈阀盖、螺纹紧固件等主要部件在精加工前均进行深冷处理。
超低温截止阀的阀杆带动阀瓣通过上下的直线运动实现阀门的启闭。在设计阀体时增加了阀瓣的运动导向功能，在阀体中设计圆柱形导向壁，使阀瓣运动平稳，阀门启闭可靠。同时，在阀门生产加工过程中，由于阀瓣密封面与阀体密封面均喷焊了Slite合金，硬度大大提高，密封面的加工及研磨有一定的难度，而主密封面必须要的研磨配合，才能有效密封。导向壁的设计使阀瓣与阀体密封面的接触配合更加均匀，有利于实现截止阀的可靠密封与加工工艺。
根据超低温截止阀主密封结构，使用ANSYS软件对其密封性能进行模拟。超低温截止阀在低温状态下，通过有限元分析得到的密封比压，来判断该阀门的密封性能。
几何建模为了使建立的模型便于有限元分析，实际模型对一些不影响结构与性能分析的部分进行了一定的简化，如螺孔、螺栓、垫片等。同时为防止管路两端的约束影响到阀体本身，将进出口外接管路各加长了0.3m，建立的三维模型如图3所示。
图3 密封性能模型有限元建模仿真通过定义阀门的材料性能参数、边界条件、载荷条件等内容，进行仿真计算，密封面比压分布如图4所示。
由仿真结果得到，超低温截止阀在低温工况下，其密封面的密封比压介于必须比压和许用比压范围之内，阀门的密封结构可以实现有效密封。
3 超低温截止阀外密封结构设计
图4 密封性能模型
超低温截止阀的外密封包括中法兰处的密封和长颈阀盖顶端的密封（即上密封）。外密封结构见图5与图6。3低温阀门的特殊结构
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀,气动截止阀,电动蝶阀,气动蝶阀 低温阀门主要有闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、止回阀等型式，其主要结构与一般阀门大致相同。 3.1阀体
阀体应能充分承受温度变化而引起的膨胀、收缩。而且阀座部位的结构不会因温度变化而产生*变形。
3.2阀盖
采用长颈阀盖结构。其目的在于能起保护填料函的功能。因为填料函的密封性是低温阀的关键之一。该处如有泄漏。将降低保冷效果，导致液化气体气化。这是因为在低温状态下随着温度的降低，填料弹性逐渐消失，防漏性能随之下降，由于介质渗漏造成填料与阀杆处结冰，影响阀杆正常操作，同时也会因阀杆上下移动而将填料划伤，引起严重泄漏。所以低温阀门必须采用长颈阀盖结构形式。此外，长颈结构还便于缠绕保冷材料，防止冷能损失。 3.3阀瓣
闸阀采用挠性闸板或开式闸板；截止阀的平阀座及针形阀，采用塞子形的阀瓣。这些结构形式不论温度如何变化，均能保持可靠的密封。3.4阀杆
阀杆需镀铬、镀镍磷或经氮化处理，以提高阀杆表面硬度，防止阀杆与填料、填料压套（压盖）相互咬死，损坏密封填料，造成填料函泄漏。 3.5垫片
垫片选用要考虑垫片材料的低温性能，如压缩回弹性、预紧力、紧固压力分布以及应力松弛特性等。
3.6填料函及填料
填料函不能与低温段直接接触，而设在长颈阀盖顶端，使填料函处于离低温较远的位置，在0℃以上的温度环境下工作。这样，提高了填料函的密封效果。在泄漏时，或当低温流体直接接触填料造成密封效果下降时，可以从填料函中间加入润滑脂形成油封层，降低填料函的压差，作为辅助密封措施。填料函多采用带有中间金属隔离环的二段填料结构。但也有的采用一般阀门填料函结构和阀杆能自紧的二重填料函结构等其他型式。
3.7上密封
低温阀都设上密封座结构，上密封面要堆焊钴铬钨硬质合金，精加工后研磨。
3.8阀座、阀瓣（闸板）密封面
低温阀的关闭件采用钴铬钨硬质合金堆焊结构。软密封结构由于聚四氟乙烯膨胀系数大，低温变脆，所以仅适用于温度高于-70℃的低温阀，但聚三氟乙烯可用于-162℃的低温阀。
3.9中法兰螺栓
3.9.1螺栓应有足够的强度，这是因为螺栓在反复载荷下工作，常会因疲劳而产生断裂。
3.9.2因螺栓在螺纹根部易引起应力集中，所以采用全螺纹结构的螺栓。
3.10预防异常升压的措施
阀门关闭后，阀腔内会残留一些液体。随着时间的增加，这些残留在阀腔里的液体会渐渐吸收大气中的热量，回升到常温并重新气化。气化后，其体积激剧膨胀，约增加600倍之多，因而产生*的压力，并作用于阀体内部。这种情况称为异常升压，这是低温阀门*的现象。发生异常升压现象时，会使闸板紧压在阀座上，导致闸板不能开启。这时，高压会将中法兰垫片冲出或冲坏填料；也可能引起阀体、阀盖变形，使阀座密封性显著下降；甚至阀盖破裂，造成严重事故。为防止异常升压现象发生，一般低温阀门在结构上采用以下措施：
3.10.1设置泄压孔，又称压力平衡孔或排气孔，即在弹性闸板或双闸板进口侧钻一小孔，作为阀超低温截止阀中法兰处采用不锈钢缠绕式垫片实现密封。按照其密封所必须的比压计算出施加于法兰螺栓的力矩，通过预紧力达到可靠的密封。螺栓处加装碟型弹簧，对预紧力和位移进行补偿。
螺纹连接的拧紧力矩计算用力矩扳手正规测定拧紧力矩时，所需力矩为［3］：
T=K•F0•d（Nm） （1）
式中，F0为单个螺栓的拉应力（N）；K为拧紧力矩系数，取0.2；d为螺纹公称直径。以螺纹规格为M16，数量为6个为例计算，可得力矩T=47Nm。由理论计算，可在阀门装配过程中，使用力矩扳手对中法兰处的螺栓施加47Nm的力矩。
经过试验，阀门在常温与低温时，中法兰处密封良好。但是，超低温截止阀经过拆检，缠绕式垫片可能会因多次受到法兰的挤压而变形，失去密封效果。中法兰垫片为易损件，应备有备件用于拆检安装时的更换。超低温截止阀阀杆上部采用填料密封+阀杆锥面密封的双重密封结构。该结构可实现在阀门*开启的状态下，金属硬密封与填料软密封的双重效果。阀门启闭过程中及关闭状态时，此处密封由填料单独实现。
阀杆密封处设计为锥面（此处设计为45°，亦可根据实际情况设计为其他角度），研磨后，通过外部的驱动力使阀杆的锥面压紧在长颈阀盖内部的同角度锥面上，实现密封效果。
超低温截止阀上密封由填料单独实现时，通过计算得出填料压盖施加于填料的预紧力，并在螺栓上加装碟型弹簧，提供预紧力和位移的补偿，克服由于高低温变化填料产生的微观胀缩及密封预紧力的改变。
填料压盖螺栓连接的拧紧力矩可参照公式1计算。以此处两个M12的螺栓计算为例，得力矩T=28Nm。在装配时，可使用力矩扳手对此处的螺栓施加28Nm的力矩。
4 结语
综上所述，超低温截止阀的密封技术在设计上是可行的，加工工艺可以实现.目前，704研究所已研制出超低温截止阀样机一台，并对样机进行了常温和超低温的试验。在现有成果的基础上，继续进行系列化超低温阀门的技术研究，对低温工业及超低温领域的开发与探索都具有深远的意义。低温阀门，特别是超低温阀门，其工作温度极低。在设计这类阀门时，除了应遵循一般阀门的设计原则外，还有一些特殊的要求。与本文相关的产品有美标钛截止阀
