LNG用超低溫球閥密封失效原因分析及其選材、結(jié)構(gòu)設計研究

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目前國內(nèi)LNG管線球閥元件依舊處于進口產(chǎn)品主導地位,國內(nèi)也有幾家球閥企業(yè)開始了這類球閥的研發(fā)與生產(chǎn),但是總體質(zhì)量依舊無法滿足此行業(yè)苛刻的要求,其無法滿足行業(yè)要求的也正是我們所需要研究的目標。

一、超低溫球閥填料部位的密封失效原因分析及其選材、結(jié)構(gòu)設計研究

填料部位的密封失效主要原因,就是填料的工作溫度過低,從而導致填料函不密封,則低溫氣體開始通過填料函,并使填料深度冷凍,填料函本身冷凍又會使?jié)B漏量增大,在這種情況下閥桿表面上的潮濕氣體由于冷卻開始凍結(jié),會在表面覆蓋一層冰,如果轉(zhuǎn)動閥桿,冰層會進一步破壞填料函的密封,如果,當深度冷凍的填料函材料是PTFE或PCTFE時,有可能劃傷未提高表面硬度的閥桿表面。

填料選材:當工作溫度＞101℃時,填料材料選用PTFE、PCTFE或石墨;當工作溫度≤101℃時,填料材料選用石墨。

結(jié)構(gòu)設計:如“圖2”所示,可以在填料壓蓋螺母下面添加雙碟型彈簧等彈簧結(jié)構(gòu)防松,保證填料函的初始密封;可以使用中間帶金屬隔環(huán)的雙填料結(jié)構(gòu);應提高閥桿的表面硬度(如鍍Cr等),防止閥桿劃傷或咬死;提高閥桿與填料接觸面的光潔度;應保證填料的工作溫度保持在其允許操作的溫度區(qū)間內(nèi),通過相關資料和實際生產(chǎn)的經(jīng)驗證明,影響填料函工作溫度的主要因素為閥桿的加長長度和加長閥蓋的壁厚,閥桿加長的長度請參考標準BS6364、MSSSP-134或通過計算,加長閥蓋的壁厚應在滿足設計強度和剛度的情況下,取較小值。

二、結(jié)合部(包括加長蓋、中法蘭、底蓋等結(jié)合部)部位的密封失效分析及其選材、結(jié)構(gòu)設計

密封失效分析:由于非金屬密封墊片在低溫下的物理性能發(fā)生變化,如墊片體積變小或回彈性變小等,導致墊片與體之間的密封比壓下降,甚至出現(xiàn)間隙,導致密封失效;常溫裝配時作用在密封墊片上的初始密封比壓較小,且從結(jié)構(gòu)設計上沒有考慮補償或保持在低溫下密封墊片足夠的密封比壓;結(jié)合部墊片的寬度選擇過窄,事實上墊片的寬度越窄,就需要更大的密封比壓才能達到密封。

選材:當工作溫度＞101℃時,密封墊片材料選用純銅、純鋁316SS+PTFE或316ss+石墨;當工作溫度≤101℃時,純銅、純鋁或316ss+石墨。

結(jié)構(gòu)設計:如“圖3”所示,在螺母下增加一對防松碟簧,可以補償由于各種原因引起的變形;螺母的旋緊力矩應該控制在其許可力矩范圍的中偏上;可以用如圖3所示的法蘭結(jié)構(gòu),通過中法蘭的結(jié)構(gòu)變形,進一步增大墊片的密封比壓。

三、內(nèi)部(及閥座部位)密封的失效分析及其選材、結(jié)構(gòu)設計

密封失效分析:閥座密封主要是指軟密封閥座,因為低溫金屬密封球閥的閥座零部件在常溫和在超低溫下的變形非常小(當然前提是金屬閥座及其零部件要多次低溫處理并加上失效處理),所以從結(jié)構(gòu)上講沒有什么特殊的結(jié)構(gòu)來提高其密封性能,從選材上應注意按相關標準推薦的材料選取即可。

閥座與閥體接觸部位的密封失效,如“圖4”所示,此部位的密封失效主要原因有:閥座、閥體接觸面的粗糙度超差;閥座在低溫下發(fā)生變形,導致閥座和閥體接觸面不能保持完好接觸;閥座和閥體接觸面上的密封比壓設計取值較小。選材:當閥門的使用溫度不低于-196℃時,閥座材質(zhì)可選用PTFEPCTFE;當閥門的使用溫度低于-196℃時,閥座材質(zhì)可選用PCTFE。結(jié)構(gòu)設計:所有密封要求的面的粗糙度均要求在普通閥門要求的基礎上再提高2到3個等級,所采取的方式有,提高加工精度、拋光、研磨等;如圖5所示,此為浮動球閥的常用帶防火唇結(jié)構(gòu),但在超低溫工況下,塑料閥座的直徑會有較大收縮變小,但由于防火唇的存在導致閥座不規(guī)則變形(如圖5所示),所以低溫球閥的C值應根據(jù)閥座材料和直徑大小作較大變大(在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)PCTFE閥座的C值,應保持＞1.25mm);關于低溫狀態(tài)下閥座密封面的寬度與球體圓度之間的關系(固定球式球閥也適用),從實際生產(chǎn)經(jīng)驗和的實驗分析,結(jié)果如下表:

(泄漏測試的溫度-196℃,實驗的介質(zhì)為氦氣)

實驗表明,在球體的圓度足夠高時(一般要求＜5μm),密封面的寬度對泄漏量的影響并不大;但是當球體的圓度不好時,則應當適當?shù)臏p小密封面的寬度(及適當?shù)脑黾用芊饷娴拿芊獗葔?,可以減小從密封面的泄漏量。不過,在實際生產(chǎn)中,過分減小密封面的效果并不適用,反而會導致閥座在低溫下易拉傷球體表面(球面為硬面除外)或閥座自身拉傷。

四、軟密封閥座固定球式球閥的內(nèi)部密封失效分析及其選材、結(jié)構(gòu)設計

固定球式超低溫球閥的密封根據(jù)需要可以設計成雙向或單向密封,由于固定球式球閥的閥座部件是由閥座與金屬支撐環(huán)組成,閥座支撐環(huán)通過U型圈與閥體之間產(chǎn)生密封,所以密封失效點比浮動的球閥要多一個部位。

軟密封閥座固定球式球閥密封的失效主要分為:如圖6所示,是固定球式球閥的閥座部位常見結(jié)構(gòu),在閥座與球體之間以及閥座與支撐環(huán)之間的密封失效大致同浮動球閥;但是在U型圈部位的密封失效大致有:1)由于U型圈的初始壓縮量不夠,也即彈簧的彈力過小,在低溫下由于U型圈的PTFE的收縮,使的彈簧被壓縮,并壓死在支撐環(huán)上,從而導致U型圈與閥體接觸密封面上的密封比壓不足,并且在低溫條件下介質(zhì)的壓力不足以推動(張開)冷凍的U型圈上的PTFE,導致密封失效;2)U型圈與閥體和U型圈與支撐環(huán)接觸面的光潔度不夠高,導致密封失效;3)U型圈裝入導向設計不合理,導致U型圈在裝入過程中劃傷甚至損壞,從而導致密封失效。

選材:當閥門的使用溫度不低于-196℃時,閥座材質(zhì)可選用PTFE和PCTFE;當閥門的使用溫度低于-196℃時,閥座材質(zhì)可選用PCTFE;結(jié)構(gòu)設計:浮動球閥的結(jié)構(gòu)設計就是要讓塑料閥座在低溫下有規(guī)則的自由變形,但是固定球式球閥的閥座結(jié)構(gòu)就是要防止塑料閥座在超低溫環(huán)境下發(fā)生自由變形圖6所示)。

閥座部位結(jié)構(gòu)設計:閥座密封面的寬度在保證相互接觸部件不受損的前提條件下,可以減窄,以提高密封面的密封比壓,減少泄漏量,但密封面的寬度盡量不小于1mm;為了盡可能降低閥座在低溫環(huán)境下的變形,閥座設計應該盡可能的被嵌在金屬支撐圈內(nèi),凸出部分及密封面應盡可能降低且與支撐圈以弧面或斜面進行過渡;圖6-1和圖6-2是低溫球閥常用的結(jié)構(gòu),圖6-1的閥座裝配需要過贏配合,但圖6-2的閥座裝配則不需要過贏配合,閥座與支撐圈的密封主要靠閥座背面密封唇來密封,閥座背面密封唇可以在支撐圈上車環(huán)形水線(或車環(huán)形凹凸弧形槽并與閥座相配)并用壓圈壓緊(壓緊結(jié)構(gòu)必須要有放松能力)來保證密封。

五、結(jié)語

LNG作為21世紀被提出的一項新的能源應用方式,未來將會有一個長遠的發(fā)展空間。LNG的應用涉及到液化工廠、接收站、運輸船、運輸車、儲存站、撬裝站、、加注站、使用終端等,這一系列的產(chǎn)業(yè)鏈的鋪設均離不開超低溫球閥的配套。超低溫球閥的開發(fā)有利于加速國內(nèi)LNG行業(yè)的進程,降低基礎設施的配套成本、對于此行業(yè)國內(nèi)的全面展開有著不可忽視的經(jīng)濟及社會效應。