O形橡胶密封圈在安全阀中的应用研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航天动力研究所 作者:唐旭丽

  介绍了O 形橡胶密封圈在安全阀中的主要应用场合、密封形式和设计要点,分析了实际工程中O 形橡胶密封圈常见的失效形式,提出了安全阀O 形橡胶密封圈的使用建议。

1、概述

  安全阀是各类锅炉、压力容器和压力管道等设备不可缺少的安全附件,广泛应用于石油、化工、电站、冶金、核电、国防等各个领域。安全阀的各部位密封按照接触类型分为金属密封和非金属密封,O形橡胶密封圈( 以下简称O 形圈) 属于非金属密封的典型结构。橡胶是具有弹性的高分子材料,给予较小的应力就能产生较大的变形,这种变形可以提供接触压力,补偿泄漏间隙,达到密封的目的,因此橡胶密封相对其他形式的密封更容易实现,且密封性能优良,无论是用于静密封还是动密封,泄漏率都可保持在较小程度。特别对于动密封,O 形圈的运动摩擦阻力很小,可适应于压力交变场合。

2、适用工况

  安全阀是一种根据系统的工作压力自动启闭的安全保护用阀,按作用原理可分为直接作用式和非直接作用式,弹簧载荷式安全阀( 如图1) 和先导式安全阀( 如图2) 分别是这两种形式的代表。以这两种常用安全阀为例说明O 形圈的主要应用场合。

弹簧载荷式安全阀

图1 弹簧载荷式安全阀

先导式安全阀

图2 先导式安全阀

  (1) 低压工况

  安全阀是一种自动阀门,不依靠外部驱动力作用而密封( 带辅助装置的安全阀除外) ,其阀座处密封载荷主要由弹簧预紧力( 弹簧直接载荷式安全阀) 或者工作介质的压力( 先导式安全阀) 提供,密封载荷相比其他类型的阀门要小,密封更困难。当整定压力较低时,弹簧预紧力或工作介质的压力相应的较小,阀座密封载荷较小,其他类型的密封形式很难密封。由于O 形圈具有高弹性,其密封机理能保证在较小负载荷下实现密封,低压工况下,阀座处密封( 图3) 选用O 形圈比较合理。

 阀座密封

(a) O 形圈安装在环槽中(b) O 形圈安装在燕尾槽中

图3 阀座密封

  (2) 动密封工况

  先导式安全阀由主阀和导阀组成,依靠导阀感应系统压力控制主阀的启闭。导阀内部结构紧凑,流道狭小,空间位置有限,相对运动零件很多,密封部位紧密。主阀阀瓣与导套之间为活塞式结构,为保证阀瓣与导套形成的腔室内介质不外泄,同时又要保持阀瓣在安全阀开启时具有良好的运动特性,其轴向的动密封多数情况下采用O 形圈( 图4) 。

轴向动密封

图4 轴向动密封

  (3) 泄漏率要求严格的工况

  相对于非金属密封结构,金属密封结构泄漏率较高。按照API 527的规定,金属密封的安全阀阀座的最大允许泄漏率依流道面积和整定压力的不同,其气泡数为20 ~ 100 个/min。而非金属密封结构的安全阀其泄漏的气泡可低至0 个/min。显然非金属密封结构更适用于泄漏率要求严格的场合。例如,氢气属于小分子气体,容易逸散,易燃易爆,十分危险,因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对泄漏率的控制要十分严格。在非金属密封中,O 形圈的密封结构相对简单,安装、维护和更换简便,因此含氢工况阀座处密封大量使用O 形圈。

3、主要密封形式及结构设计

  O 形圈属于挤压型密封,挤压型密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形,在密封接触面上造成接触压力,接触压力大于被密封介质的内压,则不发生泄漏,反之则发生泄漏。为了保证形成有效的密封,材料的性能和密封结构的设计至关重要,对于不同类型的密封结构,O 形圈的压缩量和沟槽设计各不相同。安全阀中O 形圈的密封形式主要有端面静密封、往复动密封和阀座密封。

  (1) 端面静密封

  先导式安全阀的阀座与阀体之间、阀体与盖板之间等端面( 图5) 的密封均属于端面静密封,其结构较为简单。静密封工况下,O 形圈在轴向受到挤压,在压力作用下,会产生径向蠕动,因此设计O 形圈沟槽时需要考虑压力的方向。O 形圈在沟槽内必须有一定的空间,O 形圈体积占沟槽容积的75% 左右比较合适。内径拉伸装入沟槽时,为防止过度拉伸使材料产生过大的内部应力,拉伸量控制在丝径的1% ~ 3%为宜,不要超过5%。端面密封的压缩率要控制在20% ~ 30%。为防止应力集中,沟槽底部需要倒圆角,半径取0. 2 ~ 0. 5mm,槽内的粗糙度Ra取1. 6μm 为宜。

端面静密封

图5 端面静密封

  (2) 往复动密封

  先导式安全阀的主阀阀瓣与导套之间密封为往复动密封。由于安全阀属于常闭式阀门,动作频率一般很低,运动周期短。正常工作状态时,阀瓣与导套之间为轴向静密封状态,只在安全阀开启和关闭过程中才有往复运动。安全阀开启时,主阀阀瓣向上运动。安全阀关闭时,主阀阀瓣向下运动,与一般机械的往复动密封情况不同,O 形圈在径向受到挤压。为保证初始密封效果,又不影响阀门动作性能,O 形圈的沟槽设计需考虑控制径向变形量。径向压缩率应控制在10% ~ 15% 内,沟槽的粗糙度应控制在Ra0. 8μm 以下。在高压情况往复运动时,O 形圈很容易被挤出,建议安装挡圈。

  (3) 阀座密封

  安全阀的阀座与阀瓣及O 形圈形成的密封面为阀座密封。当系统压力小于安全阀整定压力时,安全阀处于关闭状态,此时阀座与阀瓣接触形成端面静密封。当系统压力大于安全阀整定压力时,阀瓣与阀座密封面脱离,安全阀开启泄放系统压力。当系统压力降低到一定值后,安全阀恢复关闭状态,阀座与阀瓣重新接触,形成端面静密封。在安全阀开启和关闭的过程中,压力的急剧变化会对密封面产生一定的影响,O 形圈很容易被沟槽内部积聚的压力吹出或者损坏。因此阀座密封的O 形圈沟槽设计不仅要考虑密封性,还要考虑阀座与阀瓣密封面脱离后O 形圈的可靠性。阀座密封常见的一种形式为燕尾槽式,不同的结构在设计时有不同的方案。对于阀座密封最重要的是既要保证沟槽的容积率,又要防止沟槽开口过大,导致O 形圈被吹出。

4、材料选用

  安全阀中常用的O 形圈材质一般有氟橡胶( FKM) 、丁腈橡胶( NBR) 、乙丙橡胶( EPDM) 、氟硅橡胶( FVMQ) 和全氟醚橡胶( FFKM) 等。对于温度超出O 形圈使用限制,或者介质对O 形圈性能有影响,通常不建议选择使用O 形圈为密封件的安全阀。在安全阀中O 形圈的选用与温度、介质、压力都有关系,此外还需要考虑各项因素的综合影响。

  (1) 温度

  温度是影响O 形圈使用范围的关键因素之一,其使用温度一般为- 60 ~ 327℃,高温或低温工况都需要选择特殊的材料,才能实现有效的密封。在常用的橡胶材质中,全氟醚橡胶具有优异的耐高温性能,普通全氟醚橡胶工作温度范围在- 25~ 240℃,特殊牌号的全氟醚橡胶可承受316℃的恒温或343℃的间歇高温而不发生硬化和脆化失效,因此对于其他橡胶不适用的高温工况下,可选用全氟醚橡胶。

  橡胶在低温下会脆化而失去密封作用,一般不推荐用于低温环境中。橡胶材料中耐低温能力最佳的是硅橡胶,低温级牌号可使用到- 100℃,但是它的拉伸强度低、抗磨损能力弱,一般不能用于动密封,不适用于作为安全阀密封件。耐低温能力仅次于硅橡胶的氟硅橡胶使用温度范围为- 60 ~ 177℃,它在保持了硅橡胶的耐低温性基础上,强化了耐化学性能和力学性能。在低温工况中,优先选择氟硅橡胶。

  (2) 介质

  安全阀广泛应用于石化、能源和电力等行业。针对不同的介质,需要选择适当的材料。氟橡胶具有阻燃性、优异的气密性、耐臭氧、耐候性、良好的抗老化性以及广泛的耐腐化性,适用于无机酸、燃油、纯氧、四氯化硅等,在安全阀中应用广泛。乙丙橡胶具有优异的耐水、水蒸汽和过热水特性,适用于电力行业的高温水蒸汽工况的安全阀。全氟醚橡胶适用于含有芳香烃化合物的有机溶剂,者含有湿硫化氢介质。

  (3) 压力

  常用O 形圈的硬度为邵氏50 ~ 90。根据O 形圈的密封原理,当系统压力较低时,建议选用硬度较低的O 形圈。当系统压力较高时,选用硬度较高的O 形圈。当工作压力超过10MPa 时,最好选择挡圈配合使用,防止高压时,O 形圈被挤入密封间隙变形。另外,压力较高时,O 形圈易产生“内爆”,即O形圈在高压下经过较长时间,高压气体分子渗入O形圈内部,当O 形圈外部压力瞬间降低时,内部高压气体分子就容易因为急剧扩散而撑破O 形圈。特别是阀座密封处的O 形圈,安全阀开启时,压力的瞬时泄放很容易使此处的O 形圈产生“内爆”,因此在高压工况下,建议此处的O 形圈最好选用致密性高的O 形圈或者防内爆型O 形圈。

5、失效分析及处理

  (1) 介质不相容失效

  在实际工程中,选用的O 形圈与介质不相容,将出现腐蚀、溶胀变形( 图6) 和断裂等问题,造成安全阀密封失效。

  (2) 疲劳失效某天然气加氢装置上,安全阀整定压力为26MPa,工作压力为24. 7MPa,上线运行一段时间后,出现泄漏现象。安全阀拆卸检查显示阀座密封处O 形圈出现断裂( 图7) 。经分析,由于实际工作压力波动范围超出系统的预期范围,而系统工作压力与整定压力很接近,致使安全阀频繁起跳,达到了O 形圈的寿命极限,导致O 形圈疲劳断裂失效。解决方案是通过工艺改进控制系统压力的波动,并且定期更换阀座处O 形圈,上线后安全阀正常运行。

O 形圈材料与介质不相容失效

图6 O 形圈材料与介质不相容失效

O 形圈疲劳失效

图7 O 形圈疲劳失效

  (3) 永久变形失效

  橡胶相对于塑料和石墨等其他类型的非金属密封材料而言,硬度较低,并且具有较好的回弹性,但是在高温、高压或二者兼有的工况下,容易产生永久变形,造成密封失效。某天然气管线,安全阀整定压力21MPa,选用75 邵氏硬度的O 形圈。阀门运行一年后表面光滑,但阀座密封处O形圈断面已永久变形为矩形沟槽的形状( 图8) ,失去回弹性,造成密封失效。当更换为90 邵氏硬度的O 形圈后,密封圈工作性能良好。

产生永久变形的O 形圈

图8 产生永久变形的O 形圈

6、结语

  在选择和设计O 形圈时,应综合考虑温度、介质和压力等工况条件对O 形圈的影响,沟槽结构、安装和维护情况等各项因素的影响,以延长O 形圈的使用寿命,保证安全阀在线的正常运行。

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