低温阀的使用和密封要求
* 来源: * 作者: * 发表时间: 2019-12-05 6:41:34 * 浏览: 93
1.概述随着石油，化学和天然气工业的飞速发展，特别是液化天然气（LNG）作为新兴能源的广泛应用，对LNG低温阀的需求已大大增加。根据国家能源战略，中国将积极参与世界油气市场的发展。目前，国家发改委已计划在广东，福建，上海，山东，浙江，江苏，天津和辽宁建设11个天然气接收站，并通过LNG船从国外进口大量天然气。 LNG接收站，LNG运载工具和通往用户的传输线需要大量的阀门。由于液化天然气在常压下的温度为-162°C，并且易燃易爆，因此对液化天然气潜水阀的密封性能提出了更高，更严格的要求。阀门的密封性能是评估阀门质量的主要指标之一。它主要包括两个方面，即内部密封性能和外部密封性能。内部密封是指阀座和关闭件之间对介质的密封程度。例如球阀的球与阀座之间的密封，蝶阀与阀座之间的密封，阀盘与阀座之间的密封，闸阀与阀座之间的密封。这些类型的密封件主要是平面密封件，球形密封件和锥形密封件。密封材料可分为金属对非金属密封和金属对金属密封。外部密封是指阀杆填料部分的密封和中间法兰垫圈部分的密封。在某些不允许介质排放到大气中的特殊条件下，外密封比内密封更重要。 2低温对阀门密封性能的影响2.1非金属密封对在常温下工作的球阀和蝶阀通常是金属对非金属密封对。由于非金属材料具有高弹性，因此获得密封所需的比压力小，因此密封性能良好。但是，在低温下，非金属材料的膨胀系数远大于金属材料的膨胀系数，这导致低温下的收缩率与配对零件（例如金属密封件和阀体）的收缩率明显不同，从而导致密封比压严重。降低效果，无法密封。大多数非金属材料会在低温下变硬并变脆，失去韧性，从而导致冷流和应力松弛。例如，当橡胶的温度低于其玻璃化转变温度时，它将完全失去其弹性，变成玻璃状，并失去其密封性。另外，橡胶在LNG介质中具有膨胀性，因此不能在LNG阀门中使用。因此，在设计低温阀时，通常在温度低于-70℃时，不再使用非金属密封辅助材料，或者通过非金属材料将非金属材料加工成金属和非金属复合结构。特殊过程。根据国外的数据记录，还有一些非金属材料可以在低温状态下很好地使用。 1970年代，爱尔兰合金有限公司（Irish Alloy Co.，Ltd.）生产的一种新型塑料“滑靴”是超高分子量聚乙烯。它在-269°C时仍具有良好的韧性，在受到一定的冲击应力时不会断裂，并且可以保持相当的耐磨性。法国开发的Mylar型塑料在液氢（-253°C）温度下仍具有相当大的弹性。前苏联HT Lomanenko的聚碳酸酯密封座是在液氮（-196°C）温度下测试的。数据表明，聚碳酸酯在低温下具有良好的密封效果。 2.2金属密封对在低温条件下，金属材料的强度和硬度增加，塑性和韧性降低，在低温下表现出不同程度的冷脆性，严重影响了阀门的性能和安全性。为了防止低温下材料的低应力脆性断裂，在设计低温阀时，铁素体不锈钢steel通常在高于-100°C的温度下使用，而当温度低于-100°C时，阀体，阀盖，阀杆，密封座等大多使用具有面心立方晶格的奥氏体不锈钢，铜和铜合金，铝和铝合金。但是由于铝和铝合金的硬度不高，密封表面的耐磨性和耐磨性差，因此很少用于低温阀门。通常，大多数使用奥氏体不锈钢材料，并且通常使用0Cr18Ni9、00Cr17Ni12Mo2（304、316L）。这些材料没有低温冷脆性临界温度，并且在低温条件下仍可以保持高韧性。然而，奥氏体不锈钢作为低温阀的金属密封辅助材料具有一些缺点。由于这些材料中的大多数在室温下都是亚稳态的，因此当温度降至转变点（MS）以下时，材料中的奥氏体将转变为马氏体。对于体心立方晶格，马氏体密度低于面心立方晶格，并且由于一些碳原子的规则排列占据了体心立方晶格的位置，因此晶格沿C方向生长。因此，体积的变化会引起内应力的增加，从而导致密封表面的翘曲变形，该表面在磨削后最初满足密封要求，从而导致密封失效。除了由于低温相变而引起的密封面变形失败之外，由于零件各部分之间的温度差异或由于不同材料之间的物理特性差异，还会出现不均匀的收缩以及温度变化应力也会生成。当应力低于材料的弹性极限时，密封表面将发生可逆的弹性变形。当某一零件的温度变化应力超过材料的屈服极限时，该零件将发生不可逆的变形，这也将导致密封表面的失效并影响密封效果。为了使低温对金属密封对产生影响，必须采取相应的措施以使金属密封表面的变形或密封表面的变形最小化，从而对密封性能的影响最小。首先，尽可能选择具有较高金相组织稳定性的材料（例如316L但成本较高）。其次，由奥氏体材料制成的零件（例如阀体，阀盖，阀杆和密封件）必须经过低温处理，以便在加工前可以充分进行材料的马氏体相变和变形。低温处理温度应低于材料的相变温度（MS），也应低于阀门的实际工作温度。处理时间优选为2至4小时。如果需要，可以进行多次低温处理或适当的时效处理。除上述措施外，还必须考虑结构设计以减少密封表面变形对密封性能的影响。例如，在闸阀，球阀和蝶阀的设计中，可以考虑采用弹性密封结构来部分补偿低温变形。对于截止阀，应采用锥形表面密封结构，以使低温变形对密封表面的影响较小。 3低温对阀外部密封性能的影响3.1阀杆填料由于低温下橡胶材料的缺陷以及大多数非金属材料的冷脆性和严重的冷流性，低温之间的密封设计不能使用阀杆和阀体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。通常，波纹管密封件主要用于介质不允许痕量泄漏和不合适的填料的地方。单层结构寿命短，多层结构成本高且难以加工，因此通常不使用。填料函密封结构易于制造，易于维修和更换，非常实用。在实际应用中。但是，填料的一般工作温度不能低于-40°C。为确保填料的密封性能，低温阀的填料函装置应在接近环境温度的条件下工作。在低温下，随着温度降低，填料的弹性逐渐消失，并且防漏性能降低。由于介质的泄漏，阀杆上的填料和结冰会影响阀杆的正常运行。同时，由于阀杆的运动，填料将被刮擦，从而导致严重的泄漏。因此，通常，低温阀填料需要在高于0°C的温度下工作。这需要长颈阀盖结构，以使填料函远离低温介质，同时，填料填料应与选择低温特性。常用的填料是聚四氟乙烯，石棉，浸渍的聚四氟乙烯石棉绳和柔性石墨。其中，石棉无法避免泄漏，聚四氟乙烯的线膨胀系数大且冷流严重，因此一般不使用。 。柔性石墨是一种极好的密封材料。它对气体和液体不渗透。压缩率大于40％，回弹性大于15％，应力松弛小于5％。较低的拧紧压力可以实现密封。它还具有自润滑性能，可用作阀门密封垫，可有效防止密封垫和阀杆的磨损。它的密封性能明显优于传统的石棉材料，因此它是最新的密封材料之一。由于填料通常是非金属材料，因此线性膨胀系数比金属填料函和阀杆大。因此，在常温下组装填料时，其收缩率大于填料孔和阀杆的收缩率，这可能导致预紧压力降低并引起泄漏。设计时，填料压盖螺栓可以用多套碟形弹簧垫圈预紧，从而可以连续补偿低温下填料的预紧力，以确保填料的密封效果。美国Garlock公司生产的低排放组合式阀杆填料。其端环由碳纤维编织盘根制成。密封环由高纯度菱形石墨条模制而成。它的密封性能是通过杯形圆锥结构和径向膨胀特性实现的。大大改善。阀杆材料的低温变形也会在一定程度上影响填料的密封性能。因此，像阀体，阀盖和密封子材料一样，阀杆还必须在精加工之前进行低温低温处理，以最大程度地减少低温变形。另外，由于用于低温阀杆材料的奥氏体不锈钢不能通过热处理来提高表面硬度，因此阀杆和填料之间的接合处相对容易彼此刮擦，从而导致填料泄漏。因此，阀杆表面必须镀硬铬或氮化，以提高表面硬度。 3.2中间法兰垫圈无论是阀门的中间法兰密封还是法兰连接的阀门的外部连接，通常采用垫圈形式。由于垫片材料会在低温下硬化并降低可塑性，因此对用于低温阀的垫片的相应要求更高。它们在常温，低温和温度变化下必须具有可靠的密封和回弹性。低温综合考虑垫片密封性能的影响。根据常用的垫片密封形式，随着温度降低，螺栓长度，垫片和法兰的厚度会缩小。为了确保垫片在低温下的可靠密封，它必须满足ΔHT3ΔHT-ΔHT1-ΔH1———螺栓组装时的拉伸变形量，mmΔH1=σ1/ E1HΔHT1———螺栓的收缩ΔT的温度范围，mmΔHT1=Hα1ΔTΔHT———垫片在ΔT温度范围内的收缩量，mmΔHT=hα2ΔTΔHT3————在ΔT温度范围内，上下法兰的收缩量，mmΔHT3=（Hh）α3ΔT1σ1————螺栓预紧力力，N / mm E1 ————瓶的弹性模量，N / mmα1，α2，α3——螺栓，垫圈和法兰材料的线性膨胀系数，mm / m H，h ——— mm当垫圈密封件从正常温度达到设计的工作低温上下法兰的收缩量和垫圈的收缩量之和必须小于螺栓的收缩量和组装螺栓时的拉伸变形量之和，以便可以在工作温度下保证垫圈。还有一些预紧力保持密封能力。据此，在设计中应考虑四个方面。 ①螺栓使用线膨胀系数大的材料，在低温下收缩量大。 ②法兰使用线膨胀系数小的材料来降低ΔHT3。 ③减小垫片的厚度，并使用线性膨胀系数小的材料作为垫片。 ④增加螺栓的拉伸变形量。对于低于-100°C的低温阀，通常使用奥氏体不锈钢作为阀体材料和螺栓材料，并且线膨胀系数相同。因此，选择合适的垫片材料并增加螺栓变形更为重要。理想的低温垫片材料在常温下具有较低的硬度，在低温下具有良好的回弹性，线膨胀系数小且具有一定的机械强度。在实际应用中，通常使用由填充有石棉，聚四氟乙烯或柔性石墨的不锈钢带制成的螺旋缠绕垫片。其中，缠绕有柔性石墨和不锈钢的螺旋石墨具有最佳的密封效果。用于增加螺栓的拉伸变形
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