低溫閥的使用和密封要求

1.概述隨著石油，化工和天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，特別是液化天然氣（LNG）作為新興能源的廣泛應(yīng)用，對(duì)LNG低溫閥的需求已大大增加。根據(jù)國(guó)家能源戰(zhàn)略，我國(guó)將積極參與世界石油和天然氣市場(chǎng)的發(fā)展。目前，國(guó)家發(fā)改委已計(jì)劃在廣東，福建，上海，山東，浙江，江蘇，天津和遼寧建設(shè)11個(gè)天然氣接收站，并通過(guò)LNG船從國(guó)外進(jìn)口大量天然氣。 LNG接收站，LNG運(yùn)輸船和通往用戶的傳輸管道需要大量的閥門(mén)。由于液化天然氣在常壓下的溫度為-162℃，易燃易爆，因此在設(shè)計(jì)液化天然氣低溫閥時(shí)，對(duì)密封性能提出了更高，更嚴(yán)格的要求。閥門(mén)的密封性能是評(píng)估閥門(mén)質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。它主要包括兩個(gè)方面，即內(nèi)部密封性能和外部密封性能。內(nèi)部密封是指閥座與關(guān)閉件之間對(duì)介質(zhì)的密封程度。如球和球閥座之間的密封，蝶板和蝶閥座之間的密封，閥瓣和截止閥座之間的密封，閘板和球閥之間的密封。這些密封類型主要包括平面密封，球形密封和圓錐形密封。密封材料可分為金屬對(duì)非金屬材料密封和金屬對(duì)金屬材料密封。外部密封是指閥桿填料部分的密封和中間法蘭墊圈的密封。在不允許將某些介質(zhì)排放到大氣中的特殊條件下，外密封比內(nèi)密封更重要。 2低溫對(duì)閥門(mén)內(nèi)部密封性能的影響2.1非金屬密封對(duì)在室溫下工作的球閥和蝶閥通常使用金屬對(duì)非金屬材料的密封對(duì)。由于非金屬材料的彈性大，獲得密封所需的比壓力小，因此密封性能良好。然而，在低溫狀態(tài)下，由于非金屬材料的膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬材料的膨脹系數(shù)，因此低溫下的收縮率與金屬密封件，閥體和其他配合部件的收縮率有很大差異，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的密封壓力。減少了產(chǎn)生無(wú)法密封的結(jié)果。大多數(shù)非金屬材料會(huì)在低溫下變硬并變脆，失去韌性，導(dǎo)致冷流和應(yīng)力松弛。例如，當(dāng)溫度低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，橡膠將完全失去其彈性，變成玻璃狀并失去其密封性。另外，橡膠在LNG介質(zhì)中具有膨脹特性，因此不能用于LNG閥門(mén)。因此，在設(shè)計(jì)低溫閥時(shí)，一般在溫度低于-70℃時(shí)不再使用非金屬密封二次材料，或者通過(guò)特殊工藝將非金屬材料加工成金屬和非金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)。根據(jù)國(guó)外記錄，還有一些非金屬材料可以在低溫條件下很好地使用。 1970年代，愛(ài)爾蘭合金有限公司生產(chǎn)的新型塑料“防滑”，是一種超高分子量聚乙烯，在-269℃仍具有良好的韌性，在受到一定沖擊時(shí)不會(huì)破裂應(yīng)力，并能保持相當(dāng)?shù)哪湍バ浴７▏?guó)開(kāi)發(fā)的Mylar型塑料在液態(tài)氫溫度（-253℃）下仍具有很高的彈性。前蘇聯(lián)H.T.的聚碳酸酯密封座在液氮（-196℃）下測(cè)試了羅曼寧克的密封性能。數(shù)據(jù)表明，聚碳酸酯在低溫下具有良好的密封效果。 2.2金屬密封對(duì)在低溫條件下，金屬材料的強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性下降，表現(xiàn)出不同程度的低溫冷脆性，嚴(yán)重影響閥門(mén)的性能和安全性。為了防止低應(yīng)力低溫下材料的脆性斷裂，在設(shè)計(jì)低溫閥時(shí)，通常將鐵素體不銹鋼材料用于高于-100°C的溫度，而當(dāng)溫度低于-100°C時(shí)，閥體，閥蓋，閥桿，大多數(shù)密封座是由奧氏體不銹鋼，銅和銅合金，面心立方晶格的鋁和鋁合金制成。然而，由于鋁和鋁合金的低硬度以及密封表面的差的耐磨性和耐刮擦性，它們很少用于低溫閥中。通常，大多數(shù)使用奧氏體不銹鋼材料。常用的材料有0Cr18Ni9、00Cr17Ni12Mo2（304、316L）等。這些材料沒(méi)有低溫冷脆性臨界溫度，并且在低溫條件下仍能保持高韌性。但是，奧氏體不銹鋼作為低溫閥的金屬密封輔助材料也有一些缺點(diǎn)。由于這些材料大多數(shù)在室溫下處于亞穩(wěn)態(tài)，因此當(dāng)溫度降至轉(zhuǎn)變點(diǎn)（MS）以下時(shí)，材料中的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。對(duì)于體心立方晶格，馬氏體的密度低于面心立方晶格的奧氏體，并且由于部分碳原子規(guī)則排列以占據(jù)體心立方晶格的位置，因此晶格沿因此，體積的變化會(huì)引起內(nèi)應(yīng)力的增加，從而導(dǎo)致密封表面的翹曲和變形，而該表面在磨削后最初滿足密封要求，從而導(dǎo)致密封失敗。除了由低溫相變引起的密封表面的變形和破壞之外，零件的溫度差異或不同材料的物理性質(zhì)的差異還會(huì)引起不均勻的收縮和溫度應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力低于材料的彈性極限時(shí)，密封表面將發(fā)生可逆的彈性變形。當(dāng)某個(gè)零件的溫度變化應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，該零件將發(fā)生不可逆的變形，這也將導(dǎo)致密封表面的失效并影響密封效果?？紤]到低溫對(duì)金屬密封對(duì)的影響，必須采取相應(yīng)的措施以最小化金屬密封表面的變形或密封表面的變形對(duì)密封性能的影響。首先，在材料方面，嘗試選擇具有較高金相穩(wěn)定性的材料（例如316L但成本較高）。其次，由奧氏體材料制成的零件，例如閥體，閥蓋，閥桿，密封件等，必須在低溫下進(jìn)行處理，以便在加工前充分進(jìn)行材料的馬氏體相變和變形。低溫處理的溫度應(yīng)低于材料的相變溫度（MS），并低于閥門(mén)的實(shí)際工作溫度。處理時(shí)間優(yōu)選為2至4小時(shí)。如果需要，可以進(jìn)行多次低溫處理或適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理。除上述措施外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以減少密封表面變形對(duì)密封性能的影響。例如，在設(shè)計(jì)閘閥，球閥和蝶閥時(shí)，可以考慮采用彈性密封結(jié)構(gòu)來(lái)部分補(bǔ)償?shù)蜏刈冃巍?duì)于截止閥，應(yīng)采用錐形表面密封結(jié)構(gòu)，以使低溫變形對(duì)密封表面的影響較小。 3低溫對(duì)閥外部密封性能的影響3.1閥桿填料由于低溫下橡膠材料的缺陷以及大多數(shù)非金屬材料的冷脆性和嚴(yán)重的冷流現(xiàn)象，閥之間的密封設(shè)計(jì)不能采用低溫閥的閥桿和閥體。密封圈的形式只能采用填料函密封結(jié)構(gòu)和波紋管密封結(jié)構(gòu)。通常，波紋管密封件通常用于介質(zhì)不允許微量泄漏且不適合包裝的場(chǎng)合。它的單層結(jié)構(gòu)壽命很短，而多層結(jié)構(gòu)成本高且難度大。lt處理，因此通常不使用。填料函密封結(jié)構(gòu)易于制造和加工，易于維修和更換，在實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)普遍。但是，填料的一般工作溫度不能低于-40℃。為了確保填料的密封性能，低溫閥的填料函裝置應(yīng)在接近環(huán)境溫度的條件下工作。在低溫狀態(tài)下，填料的彈性隨著溫度降低而逐漸消失，并且防漏性能降低。由于介質(zhì)泄漏而造成的填料和閥桿結(jié)冰會(huì)影響閥桿的正常運(yùn)行。同時(shí)，由于閥桿的運(yùn)動(dòng)，填料將被刮擦，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的泄漏。因此，通常情況下，要求低溫閥芯在0°C以上的溫度下工作。這就需要設(shè)計(jì)長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，以使填料函遠(yuǎn)離低溫介質(zhì)，同時(shí)選擇具有低溫特性的填料。常用的填料包括聚四氟乙烯，石棉，浸漬的聚四氟乙烯石棉繩和柔性石墨等。其中，石棉無(wú)法避免滲透性泄漏，聚四氟乙烯具有較大的線性膨脹系數(shù)和嚴(yán)重的冷流現(xiàn)象，因此通常不使用。柔性石墨是一種極好的密封材料，不透氣體和液體，壓縮率大于40％，回彈性大于15％，應(yīng)力松弛小于5％，并且可以在較低的緊固壓力下實(shí)現(xiàn)密封。它還具有自潤(rùn)滑性能。可用作閥門(mén)填料，有效防止填料和閥桿磨損。它的密封性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的石棉材料，因此，它是目前使用最多的密封材料之一。由于填料通常是非金屬材料，因此其線性膨脹系數(shù)比金屬填料函和閥桿大。因此，在常溫下組裝的填料下降到一定溫度時(shí)，其收縮率大于填料孔和閥桿的收縮率，這可能導(dǎo)致預(yù)緊壓力降低并引起泄漏。在設(shè)計(jì)中，填料壓蓋螺栓可以通過(guò)多套碟形彈簧墊圈進(jìn)行預(yù)緊，從而可以連續(xù)補(bǔ)償?shù)蜏叵绿盍系念A(yù)緊力，以確保填料的密封效果。美國(guó)Garlock生產(chǎn)的低排放組合閥桿填料，其端環(huán)由碳纖維編織填料制成，密封環(huán)由高純度菱形石墨帶模制而成。錐杯結(jié)構(gòu)和徑向膨脹特性可提供密封性能。大大提高。閥桿材料的低溫變形也將對(duì)填料的密封性能產(chǎn)生一定影響。因此，必須像閥體，閥蓋和密封子材料一樣對(duì)閥桿進(jìn)行低溫低溫處理，然后對(duì)其進(jìn)行精加工以最大程度地減少低溫變形。此外，由于不能對(duì)低溫閥桿材料中使用的奧氏體不銹鋼進(jìn)行熱處理以提高表面硬度，因此閥桿和填料之間的接頭更容易相互刮擦，從而導(dǎo)致閥桿處的泄漏。填料。因此，必須在閥桿表面進(jìn)行硬鉻鍍層或氮化處理，以提高表面硬度。 3.2中間法蘭墊片無(wú)論是閥的中間法蘭密封還是法蘭閥的外部連接，通常采用墊片形式。由于墊片材料會(huì)在低溫下硬化并降低可塑性，因此對(duì)低溫閥墊片的要求更高。它們必須在室溫，低溫和溫度變化下具有可靠的密封性和可恢復(fù)性，并且應(yīng)綜合考慮低溫耐受性。墊片密封性能的影響。根據(jù)常用的墊片密封形式，隨著溫度降低，螺栓的長(zhǎng)度，墊片和法蘭的厚度將縮小并變小。為了確保墊圈的可靠密封在低溫下，必須滿足公式ΔH1中的ΔHT3ΔHT-ΔHT1-ΔH11 ————螺栓組件的拉伸變形，mmΔH1=σ1/ E1H HT1 ————螺栓在ΔT溫度范圍內(nèi)的收縮率， mmΔHT1=Hα1ΔTΔHT————墊片在ΔT溫度范圍內(nèi)的收縮量，mmΔHT=hα2ΔTHT3——在ΔT溫度范圍內(nèi)上下法蘭的收縮，mmΔHT3=（Hh）α3ΔT1σ1— -螺栓預(yù)緊力，N / mm E1 ————螺栓彈性模量，N / mmα1，α2，α3——分別是螺栓，墊圈和法蘭材料的線性膨脹系數(shù)，mm / m H，h ——mm當(dāng)墊片密封件從常溫達(dá)到設(shè)計(jì)工作低溫時(shí)，上下法蘭的收縮率與墊片的收縮率之和必須小于螺栓的收縮率與拉伸變形之和。以確保墊圈在工作溫度下仍具有部分預(yù)緊力保持密封ng能力。據(jù)此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮四個(gè)方面。 ①螺栓由線膨脹系數(shù)大的材料制成，在低溫下收縮率大。 ②法蘭采用線膨脹系數(shù)小的材料來(lái)降低ΔHT3。 ③減小墊片的厚度，并使用線性膨脹系數(shù)小的材料作為墊片。 ④增加螺栓的拉伸變形。對(duì)于低于-100°C的低溫閥，閥體材料和螺栓材料通常使用奧氏體不銹鋼，并且其線性膨脹系數(shù)是一致的。因此，選擇合適的墊片材料并增加螺栓的拉伸變形更為重要。理想的低溫墊片材料在常溫下具有低硬度，在低溫下具有良好的回彈性，線性膨脹系數(shù)小并且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中，通常使用由填充有石棉或PTFE或柔性石墨的不銹鋼帶制成的螺旋纏繞墊片。其中，由柔性石墨和不銹鋼制成的螺旋纏繞墊片具有最理想的密封效果。為了增加螺栓的拉伸變形