低溫閥門密封性能的研究與分析

摘 要：文章闡述了低溫對于閥門的一些零件的干擾，以材料使用和結構設計等層次的內容來論述了應對方法和要關注的具體內容。

關鍵詞：閥門；低溫閥門；密封性能

1 低溫對于密封性的干擾

1.1 非金屬密封副

在常溫下工作的球閥和蝶閥等一般均采用金屬對非金屬材料密封副。因為此類材料本身的彈性非常的高，其獲取密封需要的比壓不是很大，所以它的密封性較好。不過在低溫的背景之中，因為它比金屬材質的膨脹性要高，此時就導致它在低溫的時候收縮性和金屬等材質的有著較高的差異，進而使得密封比變弱，不能夠實現密封的意義。很多的非金屬的物質在較低的氣溫之中會失去其自身的韌性，進而導致冷流等特征。比如橡膠，當其氣溫比玻璃化的氣溫要低的話，其就不具有彈性了，此時就會變成玻璃態的，不具有密封特征了。另外橡膠在LNG介質中存在泡脹性，也無法用于LNG閥門。因此目前在設計低溫閥門時，一般溫度低于-70℃時不再采用非金屬密封副材料，或將非金屬材料通過特殊工藝加工成金屬與非金屬復合結構型式。

1.2 金屬密封副

當處在低溫模式之中的時候，金屬物質的強度以及硬度等增高了，它的塑性以及韌性等變弱，此時就會發生一定的冷脆問題，進而干擾到閥門的安全性。為了避免這種問題發生，在設計的時候，如果其氣溫超過了-100℃采用鐵素體不銹鋼材料，而溫度低于-100℃時，閥體、閥蓋、閥桿、密封座等大多采用具有面心立方晶格的奧氏體不銹鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金等。不過因為鋁等的硬度太低，密封面不具有抗摩擦性，因此很少使用。通常使用奧氏體材料，它們不具有上述的冷脆溫度，就算是在低溫的狀態之中還可以維持非常好的韌性。

不過，此類材料在使用的時候也面對著很多的不利現象。由于此類物質一般在常溫之中時處在一種不是很穩定的模式之中的，如果氣溫下降到一定的數值之下的話，材料中的奧氏體會轉變成馬氏體。對于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體，且由于部分碳原子規則化排列占據體心立方點陣位置，使晶格沿C軸方向增長，從而體積發生變化引起內部應力的增加，使原本經研磨后達到密封要求的密封面產生翹曲變形，造成密封失效。

對于低溫導致的一些不利現象，要使用有序的應對方法。只有這樣才可以確保密封面的變形是最小的，而且要保證變形對于該性能的干擾是最低的。第一在使用材料的時候，最好是用那種金相組織穩定性優秀的物質。其次對于閥體、閥蓋、閥桿、密封件等奧氏體材料制作的零件必須進行低溫處理，以使材料的馬氏體轉變和變形得到充分進行后再進行精加工。低溫處理的溫度應低于材料相變溫度（MS）且低于閥門實際工作溫度，一般要處理大約三個小時，如果需要的話還要開展多次的處理。除了上面講到的這些方法之外，在設計的時候也應該積極的分析，以降低密封面變形對密封性能的影響，如在進行閘閥、球閥和蝶閥設計時可以考慮采用彈性密封結構，以使低溫變形得到部分補償。對于截止閥應采用錐面密封結構，使低溫變形對密封面的影響較小。

2 低溫對于外密封性的干擾

2.1 閥桿填料

因為低溫狀態中的橡膠物質存在一定的不利現象，同時很多的非金屬的材料都具有冷脆反應，所以，低溫閥閥桿與閥體間的密封設計無法采用密封圈的形式，只能采用填料函密封結構和波紋管密封結構。一般波紋管密封多應用于介質不允許微量泄漏和不適宜填料的場合，其單層結構的壽命很短，多層結構的成本高，加工困難，所以一般不采用。

對于填料函的密封結構來講，它的制作非常的簡便，而且維護也很便捷，在具體的活動中有著非常廣泛的應用。不過填料的氣溫要超過-40℃，為了確保其密封性優秀，該裝置在接近環境氣溫的狀態之中活動。在低溫的時候，由于氣溫的降低，其彈性也開始變弱，因而失去了防漏性。因為介質滲漏而導致的填料和閥桿地方發生結冰問題，此時會干擾到閥桿的活動，還會因為閥桿的活動而把填料弄壞，導致滲漏問題發生。因此通常來講，規定填料的活動氣溫要超過零度，這就要求設計時通過長頸閥蓋結構，使填料函遠離低溫介質，同時選用具有低溫特性的填料。常用填料有聚四氟乙烯、石棉、浸漬聚四氟乙烯石棉繩和柔性石墨等，其中由于石棉無法避免滲透性泄漏，聚四氟乙烯線膨脹系數很大、冷流現象嚴重，所以一般不采用。柔性石墨是一種優良的密封材料，對氣體、液體均不滲透，壓縮率大于40%，回彈性大于15%，應力松弛小于5%，較低的緊固壓力就可達到密封。其還擁有潤滑性特征，將其當成是閥門的物質的話，能夠避免填料和閥桿之間發生磨損問題。它的密封性很顯然的要超過常見的石棉物質，是當前使用最多的密封物質。

因為填料通常均是非金屬材質的，它的膨脹指數要較之于金屬的高很多。所以在常溫之中設置的填料，當氣溫下降到特定的數值之后，它的收縮數會超過閥桿的收縮數，進而導致滲漏問題發生。在設計時可以對填料壓蓋螺栓采用多組碟形彈簧墊片進行預緊，使填料在低溫時的預緊力能得到連續補償，以保證填料密封效果。美國Garlock公司生產的低逸散組合式閥桿填料，其端環采用碳纖維編織盤根，密封環采用高純度菱形紋理石墨帶模壓成型，通過杯錐狀結構和徑向擴張特性，此時密封性變高了。閥桿物質的變形，也會干擾到材料的密封性。所以，要對其開展深冷設置之后再制作。

2.2 中法蘭墊片

根據常用墊片密封形式（圖1）可知，隨著溫度的降低，螺栓長度、密封墊片和法蘭的厚度都會收縮變小，所以墊片密封從常溫到達設計的工作低溫時，上下法蘭的收縮量與密封墊片的收縮量之和必須小于螺栓的收縮量與螺栓裝配時的拉伸變形量之和，此時才可確保密封性好。

對于低于-100℃的低溫閥門，其閥體以及螺栓等都是使用奧氏體材料。它的膨脹指數是一樣的。所以要使用合理的墊片物質，同時要提升螺栓的變形總數。最為優秀的密封墊物質，在平時的溫度之中的應對不是很高，在低溫的時候有著非常好的回彈性，而且它的膨脹指數低，同時強度也是不錯的。在實際應用中一般采用不銹鋼帶填充石棉或聚四氟乙烯或柔性石墨纏制而成的纏繞式墊片，其中以柔性石墨與不銹鋼繞制而成的纏繞式墊片的密封效果最為理想。對于增加螺栓的拉伸變形量，由于受螺栓安裝預緊力的限制，增加的余量不多，可考慮通過設置碟形彈簧墊片來進行補償。

3 結束語

低溫閥和通用閥在設計以及檢測等的時候有非常顯著的差異，特別是低溫閥的物質選用以及設計等都是非常的繁瑣的。所以在設計時候，除了要按照常見的規定之外，還應該集合介質特征以及最低的氣溫來選取最為優秀的密封物質，而且要使用柔性的密封物質，確保低溫導致的不合理現象最低、在精確制作之前的時候，要對全部的低溫物質開展深冷設置，確保材料的變形最低。對于新的閥門要對其開展常溫以及低溫狀態中的測試活動。

參考文獻

[1]楊源泉.閥門設計手冊[M].北京： 機械工業出版社，1992.