低温安全阀密封设计研究

于京平，赵益春，代立民

（北京航天动力研究所，北京100176）

0 引言

低温安全阀是航天、石油化工、煤化工、空分及多晶硅等行业的重要设备之一，其可靠性直接影响到大型成套设备的安全和经济运行。低温安全阀通常用于易燃、易爆及渗透性强等低温介质场合，工作温度为-200°C左右，工作压力为10 MPa左右，在空分装置液氧、液氮冷箱中使用的低温安全阀长期工作温度低于-200°C。设计低温安全阀时，需要注意以下3个问题：即阀门启闭过程中残留在中腔的低温介质急速汽化引起的异常升压问题；非金属材料低温环境下的变形失效问题；金属材料低温环境下的脆化和低温冲击问题。

1 低温安全阀设计要求与密封结构方案

低温安全阀是一种自动阀门，正常工作时，低温安全阀应能在长期超低温环境下利用自身的弹簧力形成良好的密封。当介质超压时，低温安全阀将自动开启并排出额定数量的流体；当介质压力恢复正常后，低温安全阀将自行关闭并阻止介质泄漏。低温安全阀设计要求见表1。

表1 低温安全阀设计要求Tab.1 Design requirements of cryogenic safety valve

低温安全阀密封分为外密封和内密封。外密封和中法兰垫片密封材料一般选择热膨胀系数低的密封材料，如增强型聚四氟乙烯。外密封设计时，适当增加垫片密封处的密封比压，即可实现低温密封效果。内密封选择弹性密封型式，密封块材质选用耐低温改性聚四氟乙烯。图1为低温安全阀典型结构示意图。图2为低温安全阀密封结构示意图。

图1 低温安全阀典型结构示意图Fig.1 Typical structure of cryogenic safety valve

图2 低温安全阀密封结构示意图Fig.2 Sealing structure of cryogenic safety valve

2 锥面密封结构的数值仿真

ANSYS软件是融结构、热、流体、电、磁及声学于一体的大型通用有限元软件。该软件功能强大、兼容性好、使用方便、计算速度快，广泛应用于一般工业及科学研究领域。在机械结构系统中,主要在于分析机械结构系统受到负载后产生的反应,如位移、应力及变形等,根据该反应判断是否符合设计要求。本文利用ANSYS有限元分析方法计算锥面结构强度和密封比压，ANSYS有限元分析的建模及分析流程框图见图3。

图3 ANSYS有限元分析流程框图Fig.3 Flow chart for finite element analysis of ANSYS

2.1 物理模型和有限元模型

仿真计算中的物理模型见图2，其中C为安全阀密封中径；A为阀座密封面处的锥角；B为密封面处阀座密封面和密封块密封面的夹角；P为介质压力，根据API527的要求在做密封试验时P为整定压力的90%；F1为作用在反冲盘上的弹簧力，此弹簧力为整定压力与安全阀密封面积的乘积。密封块和阀座材料见表2。

表2 密封块与阀座材料Tab.2 Material of sealing block and valve seat

将改性聚四氟乙烯密封块材料模型作为与时间无关的各向同性的弹塑性材料来处理。考虑到密封结构是轴对称的，且反冲盘的流道结构对密封面的受力没有影响，在仿真计算中，对反冲盘的结构适当简化，采用二维轴对称计算模型，建立的锥面密封轴对称有限元模型见图4。

图4 锥面密封的有限元模型Fig.4 Finite element model of cone sealing structure

模型中在密封块和阀座之间建立了1个接触对，采用面面接触单元TARGE169和CONTA172模拟阀座与密封块之间的接触。模型中阀座刚度远远大于密封块刚度，阀座被视为刚性材料，可以不考虑其变形。模型中的实体单元均采用PLANE42。

当量Von Mises应力为:

式中:σ1，σ2及σ3为构件受力条件下任意一点的3个主应力；σm为按第四强度理论计算得到的构件受力条件下任一点的当量应力。

根据ANSYS仿真流程，建立物理模型，划分网格，创建接触对，设置边界条件和载荷后，方可计算密封块的应力和密封面的接触应力。仿真结果见图5。

图5 最大接触应力、密封面最大相对比压和密封块最大Mises应力随整定压力的变化曲线Fig.5 Variation of maximum contact stress,maximum specific pressure on sealing surface and maximum Mises stress with set pressure

2.2 密封面夹角B

国内外安全阀以锥面密封作为密封型式的结构中，有些在密封面上设置有夹角B，见图2；有些没有夹角B，阀座和密封块的密封面是平行的。夹角B是否有利于密封目前是学者们正在研究的问题。锥面密封结构的密封性能受截面应力分布、接触面应力分布和改性聚四氟乙烯材料等因素影响，只有改性聚四氟乙烯材料不失效且密封结构不泄漏，锥面密封结构才是有效和可靠的。锥形密封块Mises应力分布确定了塑料材料的应力状态，过大的应力分布会导致改性聚四氟乙烯材料塑性变形，这种塑性变形对密封不利，通常会引起阀门泄漏。接触面应力分布确定了最大密封压应力、平均密封应力和密封面有效宽度，其中密封面有效宽度为密封面实际接触的宽度，理论上是0但会随着整定压力的增加而增加。当最大密封压应力低于最小比压值时，锥面密封结构会发生泄漏而失效。最小比压值与材料弹性模量、密封表面光洁度、密封面压差等因素有关。

定义：

式中：σ相对比压为密封面最大相对比压；σ最大为密封面最大接触应力值；Δp为密封面内外压差。

在密封面结构不变和材料不失效的前提下，密封面最大相对比压越大，密封面越易密封。整定压力为1 MPa，密封压力取该值的90%，图5(a)为设有夹角B和未设有夹角B的2种密封结构中，密封面接触应力的最大值与整定压力之间的关系曲线。由图5(a)可知，设有夹角B的密封结构，在整定压力较低时，密封面最大接触压力随整定压力的增加而快速增加，但随着整定压力继续增加这种变化趋势却逐渐缓慢。设有夹角B和未设有夹角B两种结构的密封中，密封面最大相对比压随着整定压力的变化规律见图5(b)。由图5(b)可知，设有夹角B的密封结构的最大相对比压明显比未设有夹角B的密封结构大，这样有利于阀门在中低压时获得良好的密封效果。对于塑料密封的安全阀来说，塑料材质比氟橡胶O形圈材质硬，低压工况时，塑料密封结构密封效果是很差的。通过有限元强度分析可知，采用带有夹角B的锥面密封结构可以有效弥补塑料块材质硬的问题，而且可以取得有效密封结果。

图5(c)为2种结构密封块最大Mises应力随整定压力的变化曲线。由图5(c)可知，整定压力较低时Mises应力增加较明显，整定压力较高时Mises应力增加较缓慢。这样的变化规律既能确保低压时阀门的密封性，又能确保在高压时材料不会失效。

2.3 密封面锥角A

有限元模型仿真时边界条件为：整定压力1 MPa，密封压力0.9 MPa，通过有限元仿真计算，计算结果见表3。

表3 不同锥角的密封面最大接触应力Tab.3 Maximum contact stress on sealing surfaces with different taper angel

改性聚四氟乙烯 (PTFE)的最大许用应力为22.7 MPa，密封块最大应力不能大于该值，密封面最大接触应力值决定着密封面的密封比压，密封比压越大密封效果越好。由表3可知，锥角A越小，密封块最大密封比压越大。

2.4 密封中径C

有限元模型仿真时的边界条件为：整定压力1 MPa，密封压力0.9 MPa。通过有限元仿真计算，计算结果见表4。

表4 不同密封中径的计算结果Tab.4 Calculated results of different seal pitch diameter

由表4可知，密封中径越大，密封块最大接触应力亦越大。为了提高密封性能，在小口径低压力阀门设计中，密封面的密封中径应尽可能取较大设计值。

3 低温安全阀密封设计规范

3.1 材料选择

低温安全阀不仅要求在常温条件下能正常工作，而且要求在低温条件下也能正常工作，所以低温安全阀使用的材料不仅要满足常温机械性能，同时也要求满足低温所需要的机械性能，为防止低温安全阀使用的材料在低温条件下发生低应力脆断，一般选用奥氏体材料。此外，低温安全阀使用的材料还要求与低温介质相容，即低温安全阀使用的材料不能与低温介质发生任何物理化学反应，不能被低温介质腐蚀，与低温介质接触不会发生爆炸等，如在液氧介质中工作的阀门，某些材料可能会与氧接触发生燃烧和爆炸，此时不允许使用碳钢材料；在低温介质压力超过2 MPa时，低温安全阀使用奥氏体不锈钢，低温介质流速不能太高。

目前低温安全阀使用较多的金属材料有：不锈钢、铜合金、铝合金及镍合金等；非金属材料有：改性聚四氟乙烯和增强聚四氟乙烯等。

3.2 密封结构设计规范

根据低温安全阀工作机理，推导出的低温安全阀密封面上的作用力计算公式如下：

式中：F弹为密封面上的弹簧力；ps为安全阀整定压力；C为安全阀密封中径；F介为介质在密封面上的作用力；F密为密封面上的作用力合力。

由公式（5）可知，低温安全阀密封面上的作用力仅与整定压力和密封中径有关，通常低温安全阀的密封比压是较小的，当密封面泄漏时不能像通用阀门那样通过施加外力来提高密封，而只能通过调整密封结构提高密封面的接触应力和相对密封比压σ相对比压的途径来实现有效密封。本文采用带有夹角B的弹性锥面密封结构，见图2，由有限元分析可知，该密封结构可以提高阀门密封面接触应力和相对密封比压σ相对比压。根据有限元仿真结果和工程实际经验，应通过优化密封面夹角B、密封面锥角A及密封中径C的取值，使σ相对比压满足公式（6），同时密封块最大Mises应力应小于密封块材料的许用应力，由此，方可取得良好的密封效果:

4 低温安全阀密封试验

按照上述密封结构和密封设计规范，设计出了一台入口通径为DN40、出口通径为DN50的低温安全阀密，并进行常温和低温密封试验。

4.1 低温试验

低温试验满足TSG ZF001，BS EN 13648和GB/T 29026中的规定。将低温安全阀安装在低温介质的试验容器的接管上，观察低温安全阀整定压力，及其开启后和压力释放后能否回座及阀门的低温密封性能。低温试验介质为液氮，低温安全阀工作温度为-196℃，整定压力为1 MPa，密封压力为0.9 MPa，试验结果见表5。

表5 研制样阀的低温试验结果Tab.5 Cryogenic test results of prototype valve

由表5可知，低温安全阀常温密封性能满足表1低温安全阀设计要求。

4.2 常温试验

低温安全阀常温密封性能试验结果见表6。

表6 低温安全阀常温密封试验结果Tab.6 Sealing test results of cryogenic safety valve at normal temperature

由表6可知，低温安全阀常温密封性能满足表1低温安全阀设计要求。

5 结论

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