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超低溫截止閥的密封要求
上海申弘閥門有限公司
之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹超低溫截止閥的密封技術(shù)超低溫截止閥是應(yīng)用于低溫工況下的截止設(shè)備，一般工況溫度在-100℃以下.低溫工業(yè)在工業(yè)領(lǐng)域中占有重要的地位，以天然氣為例，為了使天然氣更加方便運輸，工業(yè)上一般用降溫和壓縮的方法將氣化天然氣轉(zhuǎn)化為液化天然氣（LNG），在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點是-162℃，氣化后體積為液態(tài)時的600倍［1］。超低溫截止閥作為低溫工業(yè)用的一種主要閥門與重要截止設(shè)備，對其密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究具有重大的意義.704研究所通過大量的研究試驗，針對-196℃超低溫工況，研制出了可在此溫度環(huán)境中工作的超低溫閥門樣機（見圖1）。
1 超低溫截止閥對材料的要求
圖1 超低溫截止閥樣機
在常溫工況下應(yīng)用的閥門，材料選擇的范圍比較廣泛。超低溫截止閥的使用工況在-100℃以下，對材料的要求較為嚴(yán)格。在工作溫度下，材料不應(yīng)產(chǎn)生低溫脆性破壞，材料的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)穩(wěn)定，以防止材料相變而引起體積變化；采用焊接結(jié)構(gòu)時，材料的焊接性能要好，在低溫下焊縫具有較高的可靠性；閥門在低溫工況下頻繁啟閉，其閥瓣、閥桿、閥座等零部件應(yīng)避免卡阻、咬合與擦傷等現(xiàn)象?；谏鲜鲆?，低溫截止閥主要零件推薦選用的材料如表1［2］。
1超低溫截止閥的密封要求低溫閥門的設(shè)計要求
根據(jù)使用條件，低溫閥的設(shè)計有下列要求：
1.1閥門不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個顯著熱源。這是因為熱量的流入除降低熱效率外，如流入過多，還會使內(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險。
1.2低溫介質(zhì)不應(yīng)對手輪操作及填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。
1.3直接與低溫介質(zhì)接觸的閥門組合件應(yīng)具有防爆和防火結(jié)構(gòu)。
1.4在低溫下工作的閥門組合件無法潤滑，所以需要采取結(jié)構(gòu)措施，以防止摩擦件擦傷。
2 超低溫截止閥主密封結(jié)構(gòu)設(shè)計
超低溫截止閥采用閥瓣與閥座接觸的錐面密封結(jié)構(gòu)，密封副設(shè)計成金屬對金屬的硬密封形式，閥座設(shè)計在閥體上，和閥體組成一體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。為保證閥門的可靠密封，在閥瓣和閥體密封面上噴焊硬質(zhì)合金。經(jīng)過低溫試驗及涂層力學(xué)性能試驗，證明噴涂后硬度增加，低溫環(huán)境耐磨性能良好，促進(jìn)閥門在低溫環(huán)境的可靠密封。經(jīng)過查閱資料和實驗應(yīng)用，我們采用等離子噴焊技術(shù)對閥體密封面噴焊SliteNo6合金，對閥瓣密封面噴焊SliteNo12合金，厚度≥1mm。經(jīng)過噴焊工藝處理，附著SliteNo12合金的閥瓣密封面的硬度較附著SliteNo6合金的閥體密封面的硬度大，有利于截止閥的密封效果。
2低溫閥的材料選用
2.1低溫閥主體材料
2.1.1主體材料選用應(yīng)考慮的因素
從金相考慮，金屬材料中除了具有面心立方晶格的奧氏體鋼、銅、鋁等以外，一般的鋼材在低溫狀態(tài)下會出現(xiàn)低溫脆性，從而降低閥門的強度和使用壽命。選擇主體材料時首先要選用適合于低溫下工作的材料。
鋁在低溫下不會出現(xiàn)低溫脆性，但因鋁及鋁合金的硬度不高，鋁密封面的耐磨、耐擦傷性能差，所以在低溫閥門中的使用有一定的限制，僅在低壓和小口徑閥中選用。除此以外，低溫閥門的材料選用還應(yīng)考慮以下一些因素：
1）閥門的zui低使用溫度；
2）金屬材料在低溫下保持工作條件所需要的力學(xué)性能，特別是沖擊韌性、相對延伸率及組織穩(wěn)定性；
3）在低溫及無油潤滑的情況下，具有良好的耐磨性；
4）具有良好的耐蝕性；
5）采用焊接連接時還需考慮材料的焊接性能。
2.1.2閥體、閥蓋、閥座、閥瓣（閘板）材料的選用
這些主體零部件材料的選用原則大致是：溫度高于-100℃時選用鐵素體鋼；溫度低于-100℃時選用奧氏體鋼；低壓及小口徑閥門可選用銅和鋁等材料。設(shè)計時根據(jù)zui低使用溫度選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀? 
2.1.3閥桿及緊固件的材料選用
溫度高于-100℃時，閥桿和螺栓材料采用Ni、，Cr-Mo等合金鋼，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，以提高抗拉強度和防止螺紋咬傷等。溫度低于-100℃時，采用奧氏體不銹耐酸鋼制造。但18-8耐酸鋼硬度低，會造成閥桿與填料相互擦傷，致使填料處泄漏。所以，閥桿表面必須鍍硬鉻（鍍層厚0.04-0.06mm），或進(jìn)行氮化和鍍鎳磷處理，以提高表面硬度。
為防止螺母與螺栓咬死，螺母一般采用Mo鋼或Ni鋼，同時在螺紋表面涂二硫化鉬。
2.2低溫閥墊片、填料材料的選用
在低溫閥門設(shè)計中，一方面由結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證使填料處于接近環(huán)境溫度下工作，例如，采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函離低溫介質(zhì)盡量遠(yuǎn)些，另一方面在選擇填料時要考慮填料的低溫特性。低溫閥中一般采用浸漬聚四氟乙烯的石棉填料。柔性石墨是新近發(fā)展起來的一種優(yōu)良的密封材料。低溫閥門也可采用無填料的波紋管密封結(jié)構(gòu)，通常情況下使用多層波紋管。低溫閥門用墊片必須在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復(fù)原性。由于墊片材料在低溫下會硬化和降低塑性，所以應(yīng)選擇性能變化小的墊片材料。使用溫度為-200℃，低溫zui高使用壓力3MPa時，采用長纖維白石棉的石棉橡膠板。使用溫度為-200℃，zui高使用壓力5MPa時，采用耐酸鋼帶夾石棉纏制而成的纏繞式墊片，或聚四氟乙烯和耐酸鋼帶繞制而成的纏繞式墊片。柔性石墨與耐酸鋼繞制而成的纏繞式墊片用于-200℃的低溫閥門上比較理想。
超低溫截止閥的密封要求圖2 主密封結(jié)構(gòu)圖
由于超低溫截止閥的使用工況在-100℃以下，閥瓣和閥體在噴焊硬質(zhì)合金后，要進(jìn)行深冷處理.本文設(shè)計的超低溫截止閥樣機的閥體與閥瓣粗加工后，浸在-196℃的液氮中保冷2h，然后取出自然處理。另外，閥桿、長頸閥蓋、螺紋緊固件等主要部件在精加工前均進(jìn)行深冷處理。
超低溫截止閥的閥桿帶動閥瓣通過上下的直線運動實現(xiàn)閥門的啟閉。在設(shè)計閥體時增加了閥瓣的運動導(dǎo)向功能，在閥體中設(shè)計圓柱形導(dǎo)向壁，使閥瓣運動平穩(wěn)，閥門啟閉可靠。同時，在閥門生產(chǎn)加工過程中，由于閥瓣密封面與閥體密封面均噴焊了Slite合金，硬度大大提高，密封面的加工及研磨有一定的難度，而主密封面必須要的研磨配合，才能有效密封。導(dǎo)向壁的設(shè)計使閥瓣與閥體密封面的接觸配合更加均勻，有利于實現(xiàn)截止閥的可靠密封與加工工藝。
根據(jù)超低溫截止閥主密封結(jié)構(gòu)，使用ANSYS軟件對其密封性能進(jìn)行模擬。超低溫截止閥在低溫狀態(tài)下，通過有限元分析得到的密封比壓，來判斷該閥門的密封性能。
幾何建模為了使建立的模型便于有限元分析，實際模型對一些不影響結(jié)構(gòu)與性能分析的部分進(jìn)行了一定的簡化，如螺孔、螺栓、墊片等。同時為防止管路兩端的約束影響到閥體本身，將進(jìn)出口外接管路各加長了0.3m，建立的三維模型如圖3所示。
圖3 密封性能模型有限元建模仿真通過定義閥門的材料性能參數(shù)、邊界條件、載荷條件等內(nèi)容，進(jìn)行仿真計算，密封面比壓分布如圖4所示。
由仿真結(jié)果得到，超低溫截止閥在低溫工況下，其密封面的密封比壓介于必須比壓和許用比壓范圍之內(nèi)，閥門的密封結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)有效密封。
3 超低溫截止閥外密封結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖4 密封性能模型
超低溫截止閥的外密封包括中法蘭處的密封和長頸閥蓋頂端的密封（即上密封）。外密封結(jié)構(gòu)見圖5與圖6。3低溫閥門的特殊結(jié)構(gòu)
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥 低溫閥門主要有閘閥、截止閥、球閥、蝶閥、止回閥等型式，其主要結(jié)構(gòu)與一般閥門大致相同。 3.1閥體
閥體應(yīng)能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮。而且閥座部位的結(jié)構(gòu)不會因溫度變化而產(chǎn)生*變形。
3.2閥蓋
采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)。其目的在于能起保護填料函的功能。因為填料函的密封性是低溫閥的關(guān)鍵之一。該處如有泄漏。將降低保冷效果，導(dǎo)致液化氣體氣化。這是因為在低溫狀態(tài)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(zhì)滲漏造成填料與閥桿處結(jié)冰，影響閥桿正常操作，同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引起嚴(yán)重泄漏。所以低溫閥門必須采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)形式。此外，長頸結(jié)構(gòu)還便于纏繞保冷材料，防止冷能損失。 3.3閥瓣
閘閥采用撓性閘板或開式閘板；截止閥的平閥座及針形閥，采用塞子形的閥瓣。這些結(jié)構(gòu)形式不論溫度如何變化，均能保持可靠的密封。3.4閥桿
閥桿需鍍鉻、鍍鎳磷或經(jīng)氮化處理，以提高閥桿表面硬度，防止閥桿與填料、填料壓套（壓蓋）相互咬死，損壞密封填料，造成填料函泄漏。 3.5墊片
墊片選用要考慮墊片材料的低溫性能，如壓縮回彈性、預(yù)緊力、緊固壓力分布以及應(yīng)力松弛特性等。
3.6填料函及填料
填料函不能與低溫段直接接觸，而設(shè)在長頸閥蓋頂端，使填料函處于離低溫較遠(yuǎn)的位置，在0℃以上的溫度環(huán)境下工作。這樣，提高了填料函的密封效果。在泄漏時，或當(dāng)?shù)蜏亓黧w直接接觸填料造成密封效果下降時，可以從填料函中間加入潤滑脂形成油封層，降低填料函的壓差，作為輔助密封措施。填料函多采用帶有中間金屬隔離環(huán)的二段填料結(jié)構(gòu)。但也有的采用一般閥門填料函結(jié)構(gòu)和閥桿能自緊的二重填料函結(jié)構(gòu)等其他型式。
3.7上密封
低溫閥都設(shè)上密封座結(jié)構(gòu)，上密封面要堆焊鈷鉻鎢硬質(zhì)合金，精加工后研磨。
3.8閥座、閥瓣（閘板）密封面
低溫閥的關(guān)閉件采用鈷鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊結(jié)構(gòu)。軟密封結(jié)構(gòu)由于聚四氟乙烯膨脹系數(shù)大，低溫變脆，所以僅適用于溫度高于-70℃的低溫閥，但聚三氟乙烯可用于-162℃的低溫閥。
3.9中法蘭螺栓
3.9.1螺栓應(yīng)有足夠的強度，這是因為螺栓在反復(fù)載荷下工作，常會因疲勞而產(chǎn)生斷裂。
3.9.2因螺栓在螺紋根部易引起應(yīng)力集中，所以采用全螺紋結(jié)構(gòu)的螺栓。
3.10預(yù)防異常升壓的措施
閥門關(guān)閉后，閥腔內(nèi)會殘留一些液體。隨著時間的增加，這些殘留在閥腔里的液體會漸漸吸收大氣中的熱量，回升到常溫并重新氣化。氣化后，其體積激劇膨脹，約增加600倍之多，因而產(chǎn)生*的壓力，并作用于閥體內(nèi)部。這種情況稱為異常升壓，這是低溫閥門*的現(xiàn)象。發(fā)生異常升壓現(xiàn)象時，會使閘板緊壓在閥座上，導(dǎo)致閘板不能開啟。這時，高壓會將中法蘭墊片沖出或沖壞填料；也可能引起閥體、閥蓋變形，使閥座密封性顯著下降；甚至閥蓋破裂，造成嚴(yán)重事故。為防止異常升壓現(xiàn)象發(fā)生，一般低溫閥門在結(jié)構(gòu)上采用以下措施：
3.10.1設(shè)置泄壓孔，又稱壓力平衡孔或排氣孔，即在彈性閘板或雙閘板進(jìn)口側(cè)鉆一小孔，作為閥超低溫截止閥中法蘭處采用不銹鋼纏繞式墊片實現(xiàn)密封。按照其密封所必須的比壓計算出施加于法蘭螺栓的力矩，通過預(yù)緊力達(dá)到可靠的密封。螺栓處加裝碟型彈簧，對預(yù)緊力和位移進(jìn)行補償。
螺紋連接的擰緊力矩計算用力矩扳手正規(guī)測定擰緊力矩時，所需力矩為［3］：
T=K•F0•d（Nm） （1）
式中，F(xiàn)0為單個螺栓的拉應(yīng)力（N）；K為擰緊力矩系數(shù)，取0.2；d為螺紋公稱直徑。以螺紋規(guī)格為M16，數(shù)量為6個為例計算，可得力矩T=47Nm。由理論計算，可在閥門裝配過程中，使用力矩扳手對中法蘭處的螺栓施加47Nm的力矩。
經(jīng)過試驗，閥門在常溫與低溫時，中法蘭處密封良好。但是，超低溫截止閥經(jīng)過拆檢，纏繞式墊片可能會因多次受到法蘭的擠壓而變形，失去密封效果。中法蘭墊片為易損件，應(yīng)備有備件用于拆檢安裝時的更換。超低溫截止閥閥桿上部采用填料密封+閥桿錐面密封的雙重密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)在閥門*開啟的狀態(tài)下，金屬硬密封與填料軟密封的雙重效果。閥門啟閉過程中及關(guān)閉狀態(tài)時，此處密封由填料單獨實現(xiàn)。
閥桿密封處設(shè)計為錐面（此處設(shè)計為45°，亦可根據(jù)實際情況設(shè)計為其他角度），研磨后，通過外部的驅(qū)動力使閥桿的錐面壓緊在長頸閥蓋內(nèi)部的同角度錐面上，實現(xiàn)密封效果。
超低溫截止閥上密封由填料單獨實現(xiàn)時，通過計算得出填料壓蓋施加于填料的預(yù)緊力，并在螺栓上加裝碟型彈簧，提供預(yù)緊力和位移的補償，克服由于高低溫變化填料產(chǎn)生的微觀脹縮及密封預(yù)緊力的改變。
填料壓蓋螺栓連接的擰緊力矩可參照公式1計算。以此處兩個M12的螺栓計算為例，得力矩T=28Nm。在裝配時，可使用力矩扳手對此處的螺栓施加28Nm的力矩。
4 結(jié)語
綜上所述，超低溫截止閥的密封技術(shù)在設(shè)計上是可行的，加工工藝可以實現(xiàn).目前，704研究所已研制出超低溫截止閥樣機一臺，并對樣機進(jìn)行了常溫和超低溫的試驗。在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行系列化超低溫閥門的技術(shù)研究，對低溫工業(yè)及超低溫領(lǐng)域的開發(fā)與探索都具有深遠(yuǎn)的意義。低溫閥門，特別是超低溫閥門，其工作溫度極低。在設(shè)計這類閥門時，除了應(yīng)遵循一般閥門的設(shè)計原則外，還有一些特殊的要求。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有美標(biāo)鈦截止閥
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