張希恒 周璟瑩

(蘭州理工大學石油化工學院)

低溫閥用聚三氟氯乙烯密封墊片的低溫性能研究①

張希恒 周璟瑩

(蘭州理工大學石油化工學院)

為探索聚三氟氯乙烯(PCTFE)墊片在超低溫閥中的使用效果，試驗研究它在低溫下的材料特性。根據(jù)超低溫閥的工作情況，選擇25、-29、-50、-110、-162、-180℃6個試驗溫度，在試驗機上分別測量PCTFE樣品的壓縮率、回彈率及硬度等材料特性。結(jié)果表明：隨著溫度的降低，樣品的硬度最大升高了31.7%，壓縮率最大減小了50%，而回彈率在不超過8%的范圍內(nèi)小幅度上升；由低溫下PCTFE的材料特性可知它在低溫下具有較好的密封特性，且在-110℃時性能最佳。

超低溫閥 PCTFE 密封特性 壓縮性 回彈性

閥門作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的部分，常用于石油化工、空氣分離及航空航天等行業(yè)[1,2]。閥門的密封性能在實際應用中至關(guān)重要，尤其當閥內(nèi)流通介質(zhì)為超低溫流體時，一旦發(fā)生密封失效，將會導致閥體和與它相連的管道開裂泄漏，造成嚴重的經(jīng)濟損失并危及人員生命安全[3～7]。對閥門泄漏的控制方法的研究主要集中在對密封面和密封件的合理選型、優(yōu)化設計上，扈小丹和王永初通過在原有填料密封基礎上設計通有高壓惰性氣體的空腔辦法，有效降低了閥桿處的泄漏量[8]；郭愛民等研究了安全閥關(guān)閉件表面粗糙度與泄漏速率之間的關(guān)系并提供了設計指導[9]；對于閥門法蘭連接的地方，合理選用適應工況的密封圈結(jié)構(gòu)和材料是保證閥門密封性能的基礎[10～13]，尤其是對于工作條件較為苛刻的低溫閥[14]，對密封圈材料性能的要求更高。近年來，耐超低溫密封材料成為研究熱點[15,16]，PCTFE作為常用的密封材料之一，表現(xiàn)出了優(yōu)良的力學特性和密封特性[17～20]，其低溫特性也逐漸被人重視。劉昭等研究得出了PCTFE制品結(jié)晶度與常溫、低溫力學性能對應關(guān)系緊密的結(jié)論[21]；Brown E N等通過試驗研究了溫度、應力應變對PCTFE的拉伸強度、伸長率和失效響應的影響[22]；張寧等研究對比了在77K條件下PCTFE、PEEK和PTFE用作密封材料時閥座的泄漏率與密封穩(wěn)定性，并針對不同使用溫度給出了選用建議[23]。

現(xiàn)有的研究多是針對PCTFE的拉伸特性或壓縮強度和蠕變特性，關(guān)于PCTFE低溫壓縮回彈性能的測試和低溫密封性能的研究較少。筆者結(jié)合超低溫閥門的使用條件，在25、-29、-50、-110、-162、-180℃6個溫度下測試分析PCTFE材料的邵氏硬度、壓縮率和回彈率，研究PCTFE在不同溫度下力學性能的差異，分析它作為墊片材料的低溫密封性能，為低溫設備墊片材料的選用提供一定的參考和依據(jù)。

1 試驗設備與試驗方法

1.1試驗設備與試樣加工

本研究采用WGDN-18300L型高低溫試驗箱調(diào)節(jié)試驗溫度，并利用UTM5205X型電子萬能試驗機與HBRVD-187.5D1型硬度計分別對不同溫度下PCTFE樣品的壓縮、回彈性能和硬度進行測試。

壓縮率、回彈率試驗的試樣尺寸參考GB/T 20671.2-2006《墊片材料壓縮率回彈率試驗方法》要求的L型墊片材料尺寸，結(jié)合實際的加工條件，確定為62mm×23mm×2mm。邵氏硬度測試的試樣尺寸參考GB/T 2411-2008《塑料和硬橡膠 使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》中的試樣要求，并考慮到低溫硬度測試時溫度變化對測試結(jié)果的影響，確定試樣尺寸為φ29mm×27mm。試樣利用APW3020BA龍門式數(shù)控水切割機加工，并用M-2型雙盤合金式金相預磨機進行表面拋光打磨。

1.2試驗方法

本研究參考超低溫閥門的實際工作條件，選取25、-29、-50、-110、-162、-180℃6個溫度進行壓縮回彈試驗與硬度測試。按照標準要求的試驗方法，首先對試樣進行溫度調(diào)節(jié)，然后分別在萬能試驗機和硬度計上測試試樣的壓縮率、回彈率和硬度，讀取并記錄試驗參數(shù)。

根據(jù)試樣的結(jié)構(gòu)尺寸，按標準規(guī)定采用等壓強法對試驗載荷值進行換算，壓縮回彈試驗所施加的載荷為初載荷982.22N，主載荷24 598.50N，總載荷25 580.72N。

在壓縮回彈試驗中，測得的初始數(shù)據(jù)為載荷與位移(變形量)之間的關(guān)系，按如下公式計算得到PCTFE在不同溫度下的壓縮率C和回彈率Q：

式中M——總載荷下的試樣厚度，mm；

P——初載荷下的試樣厚度，mm；

R——試樣的回彈厚度，mm。

2 試驗結(jié)果分析

2.1密封特性分析

依照上述試驗方法進行試驗后，對試驗數(shù)據(jù)記錄整理?？紤]到試驗機的精度、樣品個體的性能差異和人工操作所造成的誤差，進行3次重復試驗，其中邵氏硬度結(jié)果取均值，而壓縮回彈試驗由于需要分析壓縮-回彈曲線的動態(tài)變化過程，因此選擇壓縮率與回彈率最接近平均值的一組數(shù)據(jù)進行分析。表1為壓縮回彈試驗結(jié)果，表2為邵氏硬度試驗結(jié)果。

表1 壓縮回彈試驗結(jié)果

表2 邵氏硬度試驗結(jié)果

圖1所示為PCTFE的壓縮率隨溫度的變化曲線，可以看出，隨著溫度的降低，PCTFE的壓縮率呈減小趨勢，在溫度由25℃下降到-180℃的過程中，PCTFE的壓縮率從45.00%減少至26.75%，且隨著試驗溫度的逐步降低，壓縮率下降的幅度也逐步減小。通過線性、非晶態(tài)聚合物的模量-溫度曲線可知，隨著溫度的降低，聚合物材料的模量增大，剛性變大，材料抵抗變形的能力增強，故在壓縮載荷不變的前提下，PCTFE的可壓縮性隨溫度的下降而降低，壓縮率減小，并且由于模量隨溫度降低的變化在不同區(qū)間斜率各不相同，因而壓縮率隨溫度的降低先快速減小，后趨于 穩(wěn)定。從微觀角度分析，低溫下，PCTFE的分子鏈處在凍結(jié)狀態(tài)，且溫度越低，分子鏈的運動能力越差，材料的可壓縮性也就越差，如圖1所示，當試驗溫度為-180℃時，PCTFE的壓縮率最低。

圖1 PCTFE壓縮率隨溫度的變化曲線

PCTFE的回彈率隨溫度的變化曲線如圖2所示。在25～-180℃的溫度范圍內(nèi)，PCTFE的回彈率隨溫度降低整體呈現(xiàn)增長趨勢，但增長的幅度較小，說明溫度對PCTFE的回彈率變化影響不大；其中，常溫時的回彈率為82.3%，低溫下測量的最大回彈率為88.8%，且低溫回彈率整體高于常溫回彈率，說明PCTFE在低溫下回彈性能較好。這是因為相比于低溫，較高的溫度下PCTFE分子鏈形變較大，造成的分子鏈滑移較大，這導致分子鏈間距增大，使分子間作用力減弱，當壓縮回復時，部分分子鏈無法恢復原狀，導致回彈性變差；而隨著溫度的降低，分子鏈的運動能力變差，產(chǎn)生的滑移減小，分子間作用力減弱的程度也降低，故當溫度降低時回彈性有所升高。而曲線在-110℃左右存在極大值，可作為PCTFE墊片最優(yōu)工作溫度區(qū)間選擇的參考條件之一。

圖2 PCTFE回彈率隨溫度的變化曲線

PCTFE的邵氏硬度隨溫度的變化曲線如圖3所示，可以看出，當溫度由25℃下降到-180℃時，PCTFE的邵氏硬度從63HD增加到83HD，且在初期邵氏硬度增加的趨勢較快，后來逐漸減緩。這是由于隨著溫度的降低，聚合物的分子運動減緩，材料剛度增大，硬度也增大，但是隨著溫度降低至一定范圍時，分子運動的速率接近極限值，溫度降低對分子運動的影響減弱，故硬度的增加趨勢減緩。

圖3 PCTFE邵氏硬度隨溫度的變化曲線

墊片在工作時，密封作用力使它產(chǎn)生彈性形變，并與密封面緊密貼合，從而實現(xiàn)密封作用。良好的密封材料在具有適當?shù)臋C械強度和硬度的同時，又需要具有一定的壓縮性和較好的回彈性。PCTFE的可壓縮率性隨溫度的下降而降低，且隨溫度的降低先快速減小后最終趨于穩(wěn)定，保持有一定的壓縮性；回彈率隨溫度降低整體呈增長趨勢，但增長的幅度較小，溫度對PCTFE的回彈率變化影響不大；隨著溫度的降低，PCTFE的邵氏硬度開始增加，低溫時增加逐漸減緩。由此可得，PCTFE在低溫下具有較好的回彈性和硬度，并且保持了一定的壓縮性，故它在低溫下表現(xiàn)出的材料特性滿足密封墊片的要求，可用作低溫密封材料使用。

2.2不同溫度PCTFE壓縮-回彈曲線的分析

回彈曲線下的面積表示墊片卸載時釋放出的彈性應變能，即卸載部分回復曲線的斜率越小，墊片的彈性補償能力越大，應力損失越小，越容易適應載荷的循環(huán)作用或密封穩(wěn)定性更好。圖4所示為不同溫度下PCTFE的壓縮-回彈曲線，比較圖4a～f可得：在整體的變化趨勢上，隨著溫度的降低，卸載部分對應的回復曲線斜率逐漸變小，隨著溫度的降低，PCTFE墊片的彈性補償能力減小，但在-110℃之后斜率變化不大，即墊片的彈性補償能力趨于穩(wěn)定。因此結(jié)合PCTFE的硬度、壓縮率、回彈率對溫度的曲線分析，可推測PCTFE墊片在-110℃的密封性能較為可靠，低于-110℃則密封性能受溫度的影響增大。

圖4 不同溫度下PCTFE的壓縮-回彈曲線

3 結(jié)論

3.1在25～-180℃的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，PCTFE的邵氏硬度變大，壓縮率降低，回彈率增大。

3.2在-110℃時，PCTFE還具有良好的壓縮率和較大的回彈率，且有較佳的壓縮-回彈曲線，故PCTFE在-110℃及以上具有較好的密封性能。

3.3PCTFE在低溫下表現(xiàn)出的材料特性滿足密封墊片的使用要求，可以用作低溫密封材料使用，但不同的工況和工作環(huán)境下的密封性能需進一步進行試驗驗證。

[1] 孟波，劉隆，王啟.LNG低溫閥門安全服役性能研究[J].化工機械，2015，42(5)：701～705.

[2] 楊利平.運行裝置閥門泄漏的原因分析及應對措施[J].化學工程與裝備，2012，(2)：110～112.

[3] 方學峰，梁華，夏志敏，等.基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門泄漏在線檢測方法[J].化工機械，2007，34(1)：52～54.

[4] 張月蓉，王勇.大流量混合煤氣控制閥泄漏故障的診斷方法[J].化工自動化及儀表，2011，38(3)：342～347.

[5] 陳慶，甘樹坤.閥門填料密封中控制易揮發(fā)性有機物逸出的有效途徑[J].化工機械，2012，39(5)：662～663.

[6] Sozaev A S，F(xiàn)omchenko O F，Lygin Y A，et al.Installation of Molten-metal Seals in Steam-turbine Valves[J].Power Technology and Engineering，2007， 41(2)：102～104.

[7] Ardeev A Y，Kuz’min A V，Smogunov V V.Experimental Investigation of the Influence of Wear Particles on the Process of Lapping of the Sealing Surfaces of Valves[J].Chemical and Petroleum Engineering，2014，49(11/12)： 825～830.

[8] 扈小丹，王永初.控制閥閥桿的新型密封方法[J].化工自動化及儀表，2004，31(6)：83～84.

[9] 郭愛民，張學輝，朱海清.安全閥關(guān)閉件表面粗糙度對密封性能影響研究[J].化工機械，2015，42(5)：716～719.

[10] 張雨果，謝蘇江，胡宏玖.膨體聚四氟乙烯墊片的厚度對力學行為和密封性能的影響[J].流體機械，2015，43(10)：11～15.

[11] 楊恒喜，施志祥.襯聚四氟乙烯截止閥的開發(fā)[J].化工機械，2000，27(6)：339～340.

[12] Meland E，Thornhill N F，Lunde E，et al. Quantification of Valve Leakage Rates[J].Aiche Journal，2012，58(4)：1181～1193.

[13] Ning Z，Qiang L，Qing L，et al.Seat Tightness of Pneumatic Cryogenic Control Valve[J].Science China Technological Sciences，2013，56(8)：2066～2069.

[14] 李河，張周衛(wèi)，汪雅紅，等.超低溫閥門的縮頸技術(shù)[J].化工機械，2016，43(4)：530，558.

[15] 馬振彥，李文雙.聚三氟氯乙烯的性能與應用[J].有機氟工業(yè)，2005，(4)：11～12，18.

[16] 張永明，李虹，張恒.含氟功能材料[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008：182～190.

[17] Jeremy C F，Michael R L，Gareth A T，et al.The Mechanical and Optical Response of Polychlorotrifluoroethylene to One-Dimensional Shock Loading[J].Metallurgical and Materials Transactions A，2016，47(2)：697～705

[18] Ichimaru T，Matsuzaki A，Ezure T，et al.Mechanical Properties and Technical Manipulation of PCTFE Composite Resins for Clinical Use[J].Journal of the Japanese Society for Dental Materials and Devices，1987，6：382～390.

[19] 孫奇.LNG超低溫閥門的設計及材料低溫物性的研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[20] 張文博.閥門密封材料低溫特性實驗研究[D].成都：西南石油大學，2012.

[21] 劉昭，胡武利，王蘇民.聚三氟氯乙烯制品力學性能初步研究[J].火箭推進，2010，36(4)：42～48.

[22] Brown E N，Rae P J，Orler E B.The Influence of Temperature and Strain Rate on the Constitutive and Damage Responses of Polychlorotrifluoroethylene(PCTFE，Kel-F 81)[J].Pediatrics，1985，75(5)：877～882.

[23] 張寧，李強，胡康，等.低溫調(diào)節(jié)閥閥座軟密封特性研究(Ⅱ)：低溫密封性能及綜合對比分析[J].北京理工大學學報，2015，35(5)：445～449.

2016-12-26，

2017-09-19)

(Continued from Page 491)

AbstractThe initial pressure drop and separation property of the unit combined gravity settling and cyclone separator were investigated to show that, the pressure drop becomes increased quickly when the inlet velocity rises at the initial state; under the filtration condition, the influence of inlet concentration on the pressure drop can be negligible generally and the pressure drop can rise quickly with increased inlet velocity; when the inlet velocity is lower (v=5m/s), the separated efficiency gets increased with the increase of inlet concentration; as for the high inlet velocity (v≥10m/s), the separation efficiency becomes decreased with increasing of the inlet concentration. In addition, a mathematical model for the pressure drop and separated efficiency was established.

Keywordscyclone separator, gravity settling, combined unit, pressure drop, separation efficiency

StudyonLowTemperaturePerformanceofUltra-lowTemperatureValveswithPCTFEGasket

ZHANG Xi-heng, ZHOU Jing-ying

(LanzhouUniversityofTechnology)

The experimental study on application effect of polytrifluorochloroethylene (PCTFE) gaskets in ultra-low temperature valves was carried out to analyze its material characteristics at low temperatures. According to the working conditions of ultra-low temperature valves, having 25℃,-29℃,-50℃,-110℃, -162℃ and -180℃selected as the test temperature to measure PCTFE gasket’s compression rate,resilience rate, hardness and other properties on the test machine shows that, with the decrease of temperatures, the hardness of the sample can be increased by 31.7% at most and the compression rate can be decreased by 50% at most and the rebound rate is slightly increased within the range of not more than 8%; and according to the PCTFE material’s characteristics at low temperatures, it has good sealing performance and its best performance stays around -110℃.

ultra-low temperature valve, PCTFE,seal, compressibility, resilience

張希恒(1966-)，副教授，從事閥門與密封技術(shù)的研究。

聯(lián)系人周璟瑩(1992-)，碩士研究生，從事低溫閥傳熱分析及優(yōu)化設計方向的研究，echo-fish-123@163.com。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)05-0497-05