低温对阀门内密封性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中船重工第七○四研究所 作者:吴堂荣

        随着石油、化工和燃气行业的迅速发展,尤其是液化天然气(LNG)作为一种新兴能源的广泛应用,导致LNG用深冷阀门的需求量大增。根据国家能源战略,我国将积极参与世界油气市场的开发。目前,国家发改委已经规划在广东、福建、上海、山东、浙江、江苏、天津及辽宁等地建设11座天然气接收站,并通过LNG船从国外大量进口天然气。LNG接收站、LNG运输船以及到用户端的输送管路上,都需要用到大量的阀门。由于LNG常压下的温度为- 162℃,且易燃易爆,因此在设计LNG深冷阀门时,对其密封性能提出了更高和更严格的要求。

         阀门的密封性能是考核阀门质量优劣的主要指标之一,其主要包括在两个方面,即内密封性能和外密封性能。内密封是指阀座与关闭件之间对介质所达到的密封程度。如球阀的球体与阀座之间的密封,蝶阀的蝶板与阀座之间的密封,截止阀的阀瓣与阀座之间的密封,闸阀的闸板与阀座之间的密封等。这些密封型式主要有平面密封、球面密封及锥面密封等。密封材料可以分为金属对非金属材料密封和金属对金属材料密封。

非金属密封副

        在常温下工作的球阀和蝶阀等一般均采用金属对非金属材料密封副。由于非金属材料的弹性大,获得密封所需的比压小,因此密封性好。但是在低温状态下,由于非金属材料的膨胀系数较金属材料大得多,使得其低温时的收缩量与金属密封件、阀体等配合件的收缩量相差较大,从而导致密封比压严重降低而产生无法密封的结果。大多数非金属材料在深冷温度下会变硬和变脆,失去韧性,从而导致冷流和应力松弛。如橡胶在温度低于其玻璃化温度时,会完全失去弹性,变成玻璃态,失去其密封性。

        另外橡胶在LNG介质中存在泡胀性,也无法用于LNG阀门。因此目前在设计低温阀门时,一般温度低于- 70℃时不再采用非金属密封副材料,或将非金属材料通过特殊工艺加工成金属与非金属复合结构型式。

        据国外资料记载,也有部分非金属材料可以在深冷状态下很好的应用。在70年代,爱尔兰合金有限公司的一种新型塑料“slip shod”,是一种超高分子量的聚乙烯,在- 269℃温度仍具有很好的韧性,承受一定冲击应力时不断裂,而且能保持相当的抗磨性。法国研制的Mylar型塑料在液氢(-253℃)温度下仍具有相当的弹性。前苏联H. T. 洛马宁柯的聚碳酸脂密封座在液氮(-196℃)温度下进行密封性试验,数据表明聚碳酸脂在低温下具有良好的密封效果。

金属密封副

        在低温条件下,金属材料的强度和硬度提高,塑性和韧性降低,呈现出不同程度的低温冷脆现象,严重影响到阀门的性能和安全。为了防止材料在低温下的低应力脆断,在设计低温阀门时,一般温度高于- 100℃采用铁素体不锈钢材料, 而温度低于-100℃时,阀体、阀盖、阀杆、密封座等大多采用具有面心立方晶格的奥氏体不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金等。但因铝及铝合金的硬度不高,密封面的耐磨、耐擦伤性能较差,所以在低温阀门中应用极少。

        一般使用奥氏体不锈钢材料居多, 常用的有0Cr18Ni9、00Cr17Ni12Mo2 (304、316L)等,这些材料没有低温冷脆临界温度,在低温条件下,仍能保持较高的韧性。

        但是,奥氏体不锈钢作为低温阀门的金属密封副材料也存在着某些不足。因为这类材料的大部分在常温下处于亚稳定状态,当温度降低到相变点(MS )以下时,材料中的奥氏体会转变成马氏体。对于体心立方晶格的马氏体致密度低于面心立方晶格的奥氏体,且由于部分碳原子规则化排列占据体心立方点阵位置,使晶格沿C轴方向增长,从而体积发生变化引起内部应力的增加,使原本经研磨后达到密封要求的密封面产生翘曲变形,造成密封失效。

        除了低温相变引起密封面变形失效外,由于零件各部分的温度差或由于不同材料间物理性能的差异,引起收缩不均,也会产生温变应力。当应力低于材料的弹性极限时,就会在密封面产生可逆性的弹性扭曲。当某一部分的温变应力超过了材料的屈服极限时,零件将发生不可逆转的扭曲变形,同样会造成密封面的失效,影响密封效果。

        针对低温对金属密封副的影响,必须采取相应的措施,以使金属密封面的变形最小或密封面的变形对密封性能的影响最小。首先在材料方面尽量选用金相组织稳定性较高的材料(如316L 但成本较高) 。其次对于阀体、阀盖、阀杆、密封件等奥氏体材料制作的零件必须进行低温处理,以使材料的马氏体转变和变形得到充分进行后再进行精加工。低温处理的温度应低于材料相变温度(MS )且低于阀门实际工作温度,处理时间以2~4h为宜,如需要可以进行多次低温处理或进行适当的时效处理。除了以上措施,在结构设计时也要进行考虑,以降低密封面变形对密封性能的影响,如在进行闸阀、球阀和蝶阀设计时可以考虑采用弹性密封结构,以使低温变形得到部分补偿。对于截止阀应采用锥面密封结构,使低温变形对密封面的影响较小。

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