液化天然氣用固定球閥閥座密封性能研究進(jìn)展

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(1.凱喜姆閥門有限公司， 浙江 溫州 325024；2.蘭州理工大學(xué) 溫州泵閥工程研究院， 浙江 溫州 325102)

近年來，液化天然氣(LNG)清潔產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，LNG工程項(xiàng)目中對(duì)超低溫設(shè)備的需求不斷增加[1-2]。LNG的分子量小、黏度低、滲透性強(qiáng)，具有易燃、易爆特性，易于泄漏和擴(kuò)散，在其生產(chǎn)、接收、運(yùn)輸和氣化等裝置中，低溫閥門對(duì)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起到重要作用[3-6]。LNG關(guān)鍵設(shè)備用的閥門多為超低溫固定球閥、截止閥、止回閥及蝶閥等，目前超低溫閥門基本依賴于進(jìn)口[7-9]。

低溫固定球閥具有密封性能好、啟閉扭矩小、流體阻力小、操作方便、開關(guān)迅速及維修方便等特點(diǎn)，是LNG用閥門的優(yōu)選對(duì)象[10-12]。采用閥體一體式結(jié)構(gòu)，能有效減少低溫固定球閥閥體-閥蓋間密封受管道應(yīng)力的影響[13-14]。然而對(duì)于低溫固定球閥關(guān)鍵部位——閥座的密封性能，行業(yè)中有不同的看法。筆者對(duì)LNG用低溫固定球閥閥座密封性能研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，為使閥座能更好地滿足使用和密封要求提出了一些個(gè)人見解。

1 LNG用低溫固定球閥閥座密封性能研究

1.1 閥座與閥體之間密封

管道應(yīng)力和溫度交變會(huì)對(duì)傳統(tǒng)超低溫球閥的密封結(jié)構(gòu)造成影響[15]。為解決此問題，通常在現(xiàn)有球閥內(nèi)部的閥座與閥體之間安裝多種密封圈實(shí)現(xiàn)密封[16]。雖然這些密封圈在一定程度上能起到密封作用，但其實(shí)際承受能力差，在壓縮動(dòng)密封、起動(dòng)摩擦阻力較大時(shí)，很難達(dá)到不泄漏[17-18]，只能控制其滲漏量不超過規(guī)定的許可值。在某些場合使用時(shí)，往往需要加裝各種保護(hù)裝置來提高密封效果，會(huì)增加生產(chǎn)成本，安裝過程也較繁瑣。LNG是易燃、易爆且易汽化的介質(zhì)[19-20]，對(duì)LNG用球閥的密封結(jié)構(gòu)有非常特殊的要求[21]。而按常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的球閥，在低溫狀態(tài)下密封圈易收縮而產(chǎn)生閥門泄漏。

曾軍林等[22]設(shè)計(jì)了一種具有補(bǔ)償功能的密封結(jié)構(gòu)(圖1)，產(chǎn)品由密封環(huán)、工字槽和彈簧組成。密封環(huán)為U型結(jié)構(gòu)，彈簧處于工字槽和U型殼體之間，工字槽內(nèi)鑲U型密封件，能夠防止彈簧脫離U型殼體。密封原理是U型殼體密封主體采用了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過雙彈簧提供密封所需要的預(yù)緊力，使密封件在超低溫下與閥體實(shí)現(xiàn)良好貼合，防止密封唇口與閥體之間產(chǎn)生間隙，同時(shí)工字槽能起到防壓、減壓的作用，從而獲得良好的密封效果。

圖1 一種具有補(bǔ)償功能的密封結(jié)構(gòu)

常規(guī)結(jié)構(gòu)球閥的閥體和閥座之間采用唇式密封圈[23]，該密封圈配合的表面粗糙度要求高，在超低溫工況下不確定因素較多，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)漏。張清雙等[24]采用波紋管作為閥體和閥座之間的密封件(圖2)，解決了閥座內(nèi)漏問題。其實(shí)施方案為，波紋管一端和閥座焊接，另一端和閥座螺紋導(dǎo)向套焊接。導(dǎo)向套的端面設(shè)有螺紋孔，閥座凸臺(tái)上設(shè)有光孔，采用2～3個(gè)內(nèi)六角螺釘來調(diào)整閥座的位置，從而使得球體能夠裝入閥體。

圖2 波紋管密封式閥座

李福強(qiáng)等[25]設(shè)計(jì)了一種新型的LNG用超低溫固定球閥，其主要技術(shù)方案為，與球體相接觸的閥座與側(cè)閥體之間安裝了雙層唇形密封圈，側(cè)閥體上安裝有二級(jí)閥座，側(cè)閥體內(nèi)開有內(nèi)裝彈簧的內(nèi)置槽。這種閥座和閥蓋的錐形配合結(jié)構(gòu)使兩者緊密貼合，閥座紋絲不動(dòng)，解決了超低溫下閥座擺動(dòng)引起唇形密封圈密封失效的問題。同時(shí)，在閥蓋錐形部位中心放置二級(jí)閥座形成了二級(jí)密封，使得閥門整體密封效果良好。

1.2 球體與非金屬閥座之間密封

聚三氟氯乙烯(PCTFE)作為閥座密封圈材料的使用溫度為-196～150 ℃。PCTFE具有優(yōu)異的低溫性能、低氣體滲透性、不吸水性能、高拉伸強(qiáng)度及低冷流特性，廣泛用于液態(tài)乙烯、甲烷、CO2及液氧等的密封[26-29]。PCTFE是非常優(yōu)異的低溫密封材料，完全滿足-196 ℃低溫介質(zhì)工況使用要求[30-31]。LNG用固定球閥的密封圈材料通常采用PCTFE，但PCTFE在低溫下易收縮變硬，因此該部位存在密封泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)這一問題，王寅[32]提出在PCTFE密封圈和閥座之間采用柔性石墨墊進(jìn)行密封。柔性石墨在低溫下具有滲透系數(shù)小、熱膨脹率低的特點(diǎn)，低溫下仍能保持良好的彈性，可確保閥座和密封圈的密封性能。

林碧騰[33]對(duì)整體式剛性閥座、帶彈性脹圈的組合閥座及嵌入式剛性閥座分別進(jìn)行低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示嵌入式剛性閥座內(nèi)、外泄漏均符合要求。實(shí)驗(yàn)用嵌入式剛性閥座是將聚四氟乙烯(PTFE)密封件過盈配合嵌入金屬閥座溝槽內(nèi)，金屬溝槽有5°的斜角，使密封件壓入單邊局部有0.5 mm的間隙作為密封的收縮空間。通過試驗(yàn)研究得到：①設(shè)計(jì)低溫固定球閥閥座結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)限制PTFE密封圈的徑向收縮，以防球體和閥座的摩擦力過大，同時(shí)還應(yīng)釋放低溫工況下產(chǎn)生的應(yīng)力。②在滿足使用的條件下，閥座PTFE密封圈的徑向尺寸應(yīng)減小且密封面形狀不宜復(fù)雜，閥座壁厚應(yīng)均勻。在結(jié)構(gòu)允許的條件下，密封圈的厚度應(yīng)盡可能大，以增強(qiáng)抗拉應(yīng)力的能力。③在限制PTFE密封圈徑向收縮的同時(shí)應(yīng)考慮釋放溫度驟變時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。

謝和建等[34]設(shè)計(jì)了一種新型超低溫固定球閥軟密封閥座(圖3)，主要零件包括閥座體、閥座密封圈、碟形彈簧和彈簧蓄能密封圈。彈簧蓄能密封圈由夾套和安裝在該夾套內(nèi)的彈簧形成。閥座密封圈鑲嵌于閥座體的凹槽內(nèi)，碟形彈簧和彈簧蓄能密封圈分別安裝于閥門的側(cè)閥體和閥座體配合形成的不同位置的凹槽內(nèi)。閥座密封圈采用過盈配合方式安裝在閥座體的溝槽中，閥座體的溝槽中設(shè)有防止閥座密封圈被吹出的倒鉤。閥座體與球體表面呈45°斜面設(shè)計(jì)。這種超低溫軟密封固定球閥在-196～100 ℃工況下工作良好，可靠性高。

圖3 一種新型軟密封閥座結(jié)構(gòu)

1.3 球體與金屬閥座之間密封

相對(duì)非金屬而言，金屬材料中的奧氏體不銹鋼在低溫狀態(tài)下變形量較小，穩(wěn)定性較高，能達(dá)到更好的密封效果，但也存在些許問題[35-37]。奧氏體不銹鋼在低溫環(huán)境中會(huì)變得更為堅(jiān)硬，自身的韌性會(huì)相對(duì)減弱，一定程度上影響閥門的密封性能[38-39]。

成清校等[40]對(duì)現(xiàn)有的低溫球體表面硬化工藝，如表面鍍硬鉻、表面堆焊硬質(zhì)合金、等離子氮化和超音速噴涂進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為這些球體表面硬化工藝都存在不同的缺陷，同時(shí)提出了一種新的低溫球體表面硬化技術(shù)——滾壓硬化工藝。通過分析球體旋轉(zhuǎn)滾壓，初步確定了滾壓速度，并對(duì)滾壓力進(jìn)行了計(jì)算，為低溫硬密封球閥、球體表面硬化提供了一種新的參考方案。

吳鏜榮等[41]從微觀和宏觀角度對(duì)低溫固定球閥的金屬密封副進(jìn)行了研究分析，認(rèn)為需采取措施使金屬密封面的變形較小或密封面的變形對(duì)密封性能的影響最小。提出應(yīng)盡量選用金相組織穩(wěn)定性較高的材料，對(duì)采用奧氏體材料制作的閥體、閥蓋、閥桿及密封件等零件必須進(jìn)行低溫處理，以使材料的馬氏體轉(zhuǎn)變和變形充分，然后再進(jìn)行精加工。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮降低密封面變形對(duì)密封性能的影響。

吳業(yè)飛等[42]設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的低溫固定球閥(圖4)，其主要設(shè)計(jì)方案為，第二閥座支撐圈安裝軟密封閥座圈處設(shè)置一密封凸臺(tái)，密封凸臺(tái)與球體配磨并形成密封。第二閥座支撐圈的密封凸臺(tái)與球體均噴涂1層硬質(zhì)合金并配磨形成密封。這種結(jié)構(gòu)使閥座具有閥座圈與球體密封、閥座支撐球的密封凸臺(tái)與球體密封的軟硬雙重密封，能達(dá)到良好的密封性能。

圖4 一種新型低溫固定球閥閥座結(jié)構(gòu)

2 結(jié)語

由于大多數(shù)非金屬材料低溫下存在著冷脆和嚴(yán)重冷流現(xiàn)象，因此低溫閥閥桿與閥體的密封基本均采用加長閥蓋的填料函密封結(jié)構(gòu)[43-46]。目前低溫閥用填料主要有PTFE、柔性石墨、PCTFE等，其中PTFE線性膨脹系數(shù)大、冷流現(xiàn)象嚴(yán)重，因而很少采用[47]。PCTFE在低溫下不發(fā)生脆裂、蠕變，并不滲透任何氣體和助燃，性能良好，是目前低溫閥中主要采用的密封材料[48]。

LNG具有易燃、易爆特性，因此LNG閥門的結(jié)構(gòu)需保證在深冷工況下易燃、易爆介質(zhì)的安全。為防止LNG外漏，在外漏點(diǎn)引入唇式密封的密封方式，可以有效控制閥門的外漏[49]。低溫球閥的內(nèi)漏問題是目前需要攻克的難題，可引入唇式密封、采用特殊結(jié)構(gòu)的閥座及復(fù)合密封等方式予以解決。

為使低溫固定球閥閥座達(dá)到良好的密封性能，筆者認(rèn)為可采取如下方法：①對(duì)閥體與閥座之間的密封，可采取特殊措施(如采用具有補(bǔ)償功能的密封結(jié)構(gòu)，采用多級(jí)密封架構(gòu)、波紋管閥座等)，確保其不因溫度變低使密封件產(chǎn)生收縮而出現(xiàn)泄漏。②采用PCTFE、改性PTFE作為閥座密封圈材料時(shí)應(yīng)對(duì)其在低溫下的收縮加以限制，或用其他密封件補(bǔ)償其收縮。③研制新型的低溫密封材料，解決低溫下非金屬件的收縮問題。④為避免非金屬密封件在低溫工況下收縮而導(dǎo)致泄漏，球體和閥座間的密封可采用金屬密封件[50]。