低温阀门密封设计研究摘 要：分析了低温对阀门非金属密封副、金属密封副、填料和垫片密封性能的影响，从材料选用和结构设计等方面提出了应对措施和注意事项。
1 之前介绍JIS日标不锈钢截止阀标准，现在介绍低温阀门密封设计研究概述
随着石油、化工和燃气行业的迅速发展，尤其是液化天然气(LNG)作为一种新兴能源的广泛应用，导致LNG用深冷阀门的需求量大增。根据国家能源战略，我国将积极参与世界油气市场的开发。目前，国家发改委已经规划在广东、福建、上海、山东、浙江、江苏、天津及辽宁等地建设11座天然气接收站，并通过LNG船从国外大量进口天然气。LNG接收站、LNG运输船以及到用户端的输送管路上，都需要用到大量的阀门。由于LNG常压下的温度为-162℃，且易燃易爆，因此在设计LNG深冷阀门时，对其密封性能提出了更高和更严格的要求。
阀门的密封性能是考核阀门质量优劣的主要指标之一，其主要包括在两个方面，即内密封性能和外密封性能。内密封是指阀座与关闭件之间对介质所达到的密封程度。如球阀的球体与阀座之间的密封，蝶阀的蝶板与阀座之间的密封，截止阀的阀瓣与阀座之间的密封，闸阀的闸板与阀座之间的密封等。这些密封型式主要有平面密封、球面密封及锥面密封等。密封材料可以分为金属对非金属材料密封和金属对金属材料密封。外密封是指阀杆填料部位的密封和中法兰垫片部位的密封。在某些介质不允许排入大气的特殊工况下，外密封比内密封更为重要。 
2 低温阀门密封设计研究低温对阀门内密封性能的影响
2.1 非金属密封副
在常温下工作的球阀和蝶阀等一般均采用金属对非金属材料密封副。由于非金属材料的弹性大，获得密封所需的比压小，因此密封性好。但是在低温状态下，由于非金属材料的膨胀系数较金属材料大得多，使得其低温时的收缩量与金属密封件、阀体等配合件的收缩量相差较大，从而导致密封比压严重降低而产生无法密封的结果。大多数非金属材料在深冷温度下会变硬和变脆，失去韧性，从而导致冷流和应力松弛。如橡胶在温度低于其玻璃化温度时，会*失去弹性，变成玻璃态，失去其密封性。另外橡胶在LNG介质中存在泡胀性，也无法用于LNG阀门。因此目前在设计低温阀门时，一般温度低于-70℃时不再采用非金属密封副材料，或将非金属材料通过特殊工艺加工成金属与非金属复合结构型式。
据国外资料记载，也有部分非金属材料可以在深冷状态下很好的应用。在70年代，爱尔兰合金有限公司的一种新型塑料“slip shod”，是一种超高分子量的聚乙烯，在-269℃温度仍具有很好的韧性，承受一定冲击应力时不断裂，而且能保持相当的抗磨性。法国研制的Mylar型塑料在液氢(-253℃)温度下仍具有相当的弹性。前苏联H.T.洛马宁柯的聚碳酸脂密封座在液氮(-196℃)温度下进行密封性试验，数据表明聚碳酸脂在低温下具有良好的密封效果。
2.2 金属密封副
在低温条件下，金属材料的强度和硬度提高，塑性和韧性降低，呈现出不同程度的低温冷脆现象，严重影响到阀门的性能和安全。为了防止材料在低温下的低应力脆断，在设计低温阀门时，一般温度高于 -100℃采用铁素体不锈钢材料，而温度低于 -100℃时，阀体、阀盖、阀杆、密封座等大多采用具有面心立方晶格的奥氏体不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金等。但因铝及铝合金的硬度不高，密封面的耐磨、耐擦伤性能较差，所以在低温阀门中应用极少。一般使用奥氏体不锈钢材料居多，常用的有0Cr18Ni9、00Cr17Ni12Mo2(304、316L)等，这些材料没有低温冷脆临界温度，在低温条件下，仍能保持较高的韧性。
但是，奥氏体不锈钢作为低温阀门的金属密封副材料也存在着某些不足。因为这类材料的大部分在常温下处于亚稳定状态，当温度降低到相变点(MS)以下时，材料中的奥氏体会转变成马氏体。对于体心立方晶格的马氏体致密度低于面心立方晶格的奥氏体，且由于部分碳原子规则化排列占据体心立方点阵位置，使晶格沿C轴方向增长，从而体积发生变化引起内部应力的增加，使原本经研磨后达到密封要求的密封面产生翘曲变形，造成密封失效。
除了低温相变引起密封面变形失效外，由于零件各部分的温度差或由于不同材料间物理性能的差异，引起收缩不均，也会产生温变应力。当应力低于材料的弹性极*，就会在密封面产生可逆性的弹性扭曲。当某一部分的温变应力超过了材料的屈服极*，零件将发生不可逆转的扭曲变形，同样会造成密封面的失效，影响密封效果。
针对低温对金属密封副的影响，必须采取相应的措施，以使金属密封面的变形zui小或密封面的变形对密封性能的影响zui小。首先在材料方面尽量选用金相组织稳定性较高的材料(如316L但成本较高)。其次对于阀体、阀盖、阀杆、密封件等奥氏体材料制作的零件必须进行低温处理，以使材料的马氏体转变和变形得到充分进行后再进行精加工。低温处理的温度应低于材料相变温度(MS)且低于阀门实际工作温度，处理时间以2～4h为宜，如需要可以进行多次低温处理或进行适当的时效处理。除了以上措施，在结构设计时也要进行考虑，以降低密封面变形对密封性能的影响，如在进行闸阀、球阀和蝶阀设计时可以考虑采用弹性密封结构，以使低温变形得到部分补偿。对于截止阀应采用锥面密封结构，使低温变形对密封面的影响较小。
3 低温对阀门外密封性能的影响
3.1 阀杆填料
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀由于低温下橡胶材料的缺陷和大多数非金属材料存在的冷脆及严重冷流现象，因此低温阀阀杆与阀体间的密封设计无法采用密封圈的形式，只能采用填料函密封结构和波纹管密封结构。一般波纹管密封多应用于介质不允许微量泄漏和不适宜填料的场合，其单层结构的寿命很短，多层结构的成本高，加工困难，所以一般不采用。
填料函密封结构制造加工简单，维修更换方便，在实际应用中相当普遍。但是填料一般工作温度不能低于-40℃，为了保证填料的密封性能，低温阀门的填料函装置应在接近环境温度的条件下工作。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，将会影响阀杆的正常操作，同时也会因阀杆运动而将填料划伤，引起严重泄漏。所以在一般情况下要求低温阀填料在0℃以上温度工作，这就要求设计时通过长颈阀盖结构，使填料函远离低温介质，同时选用具有低温特性的填料。常用填料有聚四氟乙烯、石棉、浸渍聚四氟乙烯石棉绳和柔性石墨等，其中由于石棉无法避免渗透性泄漏，聚四氟乙烯线膨胀系数很大、冷流现象严重，所以一般不采用。柔性石墨是一种优良的密封材料，对气体、液体均不渗透，压缩率大于40%，回弹性大于15%，应力松弛小于5%，较低的紧固压力就可达到密封。它还有自润滑性，用作阀门填料可以有效防止填料与阀杆的磨损，其密封性能明显优于传统的石棉材料，因此是目前秀的密封材料之一。
由于填料一般都是非金属材料，其线膨胀系数比金属填料函和阀杆大得多。因此在常温下装配的填料，降到一定温度后，其收缩量大于填料孔和阀杆的收缩量，可能造成预紧压力减小引起泄漏。在设计时可以对填料压盖螺栓采用多组碟形弹簧垫片进行预紧，使填料在低温时的预紧力能得到连续补偿，以保证填料密封效果。
美国Garlock公司生产的低逸散组合式阀杆填料(图1)，其端环采用碳纤维编织盘根，密封环采用高纯度菱形纹理石墨带模压成型，通过杯锥状结构和径向扩张特性，使其密封性能大大提高。
图1 Garlock 垫片压缩前后密封效果
图1 Garlock 垫片压缩前后密封效果
阀杆材料的低温变形，对填料的密封性能也会造成一定的影响。因此同阀体、阀盖、密封副材料一样，阀杆也必须进行低温深冷处理后再精加工，以使低温变形zui小。另外，由于低温阀杆材料采用的奥氏体不锈钢无法通过热处理来提高表面硬度，使得阀杆与填料接合处比较容易相互擦伤，致使在填料处泄漏。因此对于阀杆表面必须进行镀硬铬或氮化处理，以提高表面硬度。
3.2 中法兰垫片
无论是阀门的中法兰密封还是法兰连接式阀门的外部连接，一般均采用垫片的形式。由于垫片材料在低温下会硬化和降低塑性，因此对应用于低温阀门的垫片要求更高，其必须在常温、低温及温度变化下具有可靠的密封性和复原性，应综合考虑低温对垫片密封性能的影响。
图2 垫片密封结构1.螺栓 2.密封垫片 3.法兰图2 垫片密封结构
根据常用垫片密封形式(图2)可知，随着温度的降低，螺栓长度、密封垫片和法兰的厚度都会收缩变小，为了保证低温下垫片的可靠密封，必须满足
ΔHT3 ΔHT-ΔHT1-ΔH1<0
式中
ΔH1———螺栓装配时的拉伸变形量，mm
ΔH1=σ1/E1H
ΔHT1———在ΔT的温区间螺栓的收缩量，mm
ΔHT1=Hα1ΔT
ΔHT———密封垫片在ΔT温区内的收缩量，mm
ΔHT=hα2ΔT
ΔHT3———上、下法兰在ΔT温区内的收缩量，mm
ΔHT3=(H-h)α3ΔT1
σ1———螺栓预紧力，N/mm
E1———螺栓的弹性模量，N/mm
α1、α2、α3———分别为螺栓、垫片和法兰材料的线膨胀系数，mm/m
H、h———如图2所示，mm
垫片密封从常温到达设计的工作低温时，上下法兰的收缩量与密封垫片的收缩量之和必须小于螺栓的收缩量与螺栓装配时的拉伸变形量之和，这样才能保证密封垫片在工作温度时仍有部分预紧力存在，保持密封能力。
据此，在设计时应从4个方面考虑。①螺栓采用线膨胀系数较大的材料，在低温下有较大的收缩量。②法兰采用线膨胀系数较小的材料，减小ΔHT3。③减小密封垫片的厚度，用线膨胀系数小的材料作密封垫。④增加螺栓的拉伸变形量。
对于低于 -100℃的低温阀门，阀体材料和螺栓材料一般都采用奥氏体不锈钢，其线膨胀系数一致，因此选用合适的垫片材料和增加螺栓拉伸变形量更为重要。理想的低温密封垫材料，在常温下其硬度较低，在低温下的回弹性能好，线膨胀系数小并具有一定的机械强度。在实际应用中一般采用不锈钢带填充石棉或聚四氟乙烯或柔性石墨缠制而成的缠绕式垫片，其中以柔性石墨与不锈钢绕制而成的缠绕式垫片的密封效果zui为理想。对于增加螺栓的拉伸变形量，由于受螺栓安装预紧力的限制，增加的余量不多，可考虑通过设置碟形弹簧垫片来进行补偿。
4 结语
低温阀门与通用阀门在设计、制造和检验方面有很大的差别，尤其是低温阀门密封材料选用和密封结构的设计更为复杂。因此在设计低温阀门时，除了遵守阀门的一般设计规则外，还必须根据介质特性和zui低工作温度选用合适的密封材料，并尽可能采用柔性密封结构，使低温所造成的不利影响得到有效补偿。在精加工前，对所有低温金属材料必须进行深冷处理，使材料低温变形zui小。对新设计的低温阀门必须经过常温试验和低温试验的验证。与本文相关的产品有不锈钢波纹管密封安全阀
参考文献
[1] 杨源泉.阀门设计手册〔M〕.北京：机械工业出版社，1992.
[2] H.T.洛马宁柯等.低温阀〔M〕.北京：机械工业出版社，1986.
[3] 徐烈等.低温容器设计、制造与使用〔M〕.北京：机械工业出版社，1987.
[4] 王立兴，等.低温半静密封技术〔J〕.低温工程，2003(1)，29-35.
[5] BS6364：1984，低温阀门〔S〕.
[6] JB/T7749-1995，低温阀门技术条件〔S〕.
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