低温阀用聚三氟氯乙烯密封垫片的低温性能研究①

张希恒 周璟莹

(兰州理工大学石油化工学院)

低温阀用聚三氟氯乙烯密封垫片的低温性能研究①

张希恒 周璟莹

(兰州理工大学石油化工学院)

为探索聚三氟氯乙烯(PCTFE)垫片在超低温阀中的使用效果，试验研究它在低温下的材料特性。根据超低温阀的工作情况，选择25、-29、-50、-110、-162、-180℃6个试验温度，在试验机上分别测量PCTFE样品的压缩率、回弹率及硬度等材料特性。结果表明：随着温度的降低，样品的硬度最大升高了31.7%，压缩率最大减小了50%，而回弹率在不超过8%的范围内小幅度上升；由低温下PCTFE的材料特性可知它在低温下具有较好的密封特性，且在-110℃时性能最佳。

超低温阀 PCTFE 密封特性 压缩性 回弹性

阀门作为现代工业生产中不可或缺的部分，常用于石油化工、空气分离及航空航天等行业[1,2]。阀门的密封性能在实际应用中至关重要，尤其当阀内流通介质为超低温流体时，一旦发生密封失效，将会导致阀体和与它相连的管道开裂泄漏，造成严重的经济损失并危及人员生命安全[3～7]。对阀门泄漏的控制方法的研究主要集中在对密封面和密封件的合理选型、优化设计上，扈小丹和王永初通过在原有填料密封基础上设计通有高压惰性气体的空腔办法，有效降低了阀杆处的泄漏量[8]；郭爱民等研究了安全阀关闭件表面粗糙度与泄漏速率之间的关系并提供了设计指导[9]；对于阀门法兰连接的地方，合理选用适应工况的密封圈结构和材料是保证阀门密封性能的基础[10～13]，尤其是对于工作条件较为苛刻的低温阀[14]，对密封圈材料性能的要求更高。近年来，耐超低温密封材料成为研究热点[15,16]，PCTFE作为常用的密封材料之一，表现出了优良的力学特性和密封特性[17～20]，其低温特性也逐渐被人重视。刘昭等研究得出了PCTFE制品结晶度与常温、低温力学性能对应关系紧密的结论[21]；Brown E N等通过试验研究了温度、应力应变对PCTFE的拉伸强度、伸长率和失效响应的影响[22]；张宁等研究对比了在77K条件下PCTFE、PEEK和PTFE用作密封材料时阀座的泄漏率与密封稳定性，并针对不同使用温度给出了选用建议[23]。

现有的研究多是针对PCTFE的拉伸特性或压缩强度和蠕变特性，关于PCTFE低温压缩回弹性能的测试和低温密封性能的研究较少。笔者结合超低温阀门的使用条件，在25、-29、-50、-110、-162、-180℃6个温度下测试分析PCTFE材料的邵氏硬度、压缩率和回弹率，研究PCTFE在不同温度下力学性能的差异，分析它作为垫片材料的低温密封性能，为低温设备垫片材料的选用提供一定的参考和依据。

1 试验设备与试验方法

1.1试验设备与试样加工

本研究采用WGDN-18300L型高低温试验箱调节试验温度，并利用UTM5205X型电子万能试验机与HBRVD-187.5D1型硬度计分别对不同温度下PCTFE样品的压缩、回弹性能和硬度进行测试。

压缩率、回弹率试验的试样尺寸参考GB/T 20671.2-2006《垫片材料压缩率回弹率试验方法》要求的L型垫片材料尺寸，结合实际的加工条件，确定为62mm×23mm×2mm。邵氏硬度测试的试样尺寸参考GB/T 2411-2008《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度(邵氏硬度)》中的试样要求，并考虑到低温硬度测试时温度变化对测试结果的影响，确定试样尺寸为φ29mm×27mm。试样利用APW3020BA龙门式数控水切割机加工，并用M-2型双盘合金式金相预磨机进行表面抛光打磨。

1.2试验方法

本研究参考超低温阀门的实际工作条件，选取25、-29、-50、-110、-162、-180℃6个温度进行压缩回弹试验与硬度测试。按照标准要求的试验方法，首先对试样进行温度调节，然后分别在万能试验机和硬度计上测试试样的压缩率、回弹率和硬度，读取并记录试验参数。

根据试样的结构尺寸，按标准规定采用等压强法对试验载荷值进行换算，压缩回弹试验所施加的载荷为初载荷982.22N，主载荷24 598.50N，总载荷25 580.72N。

在压缩回弹试验中，测得的初始数据为载荷与位移(变形量)之间的关系，按如下公式计算得到PCTFE在不同温度下的压缩率C和回弹率Q：

式中M——总载荷下的试样厚度，mm；

P——初载荷下的试样厚度，mm；

R——试样的回弹厚度，mm。

2 试验结果分析

2.1密封特性分析

依照上述试验方法进行试验后，对试验数据记录整理。考虑到试验机的精度、样品个体的性能差异和人工操作所造成的误差，进行3次重复试验，其中邵氏硬度结果取均值，而压缩回弹试验由于需要分析压缩-回弹曲线的动态变化过程，因此选择压缩率与回弹率最接近平均值的一组数据进行分析。表1为压缩回弹试验结果，表2为邵氏硬度试验结果。

表1 压缩回弹试验结果

表2 邵氏硬度试验结果

图1所示为PCTFE的压缩率随温度的变化曲线，可以看出，随着温度的降低，PCTFE的压缩率呈减小趋势，在温度由25℃下降到-180℃的过程中，PCTFE的压缩率从45.00%减少至26.75%，且随着试验温度的逐步降低，压缩率下降的幅度也逐步减小。通过线性、非晶态聚合物的模量-温度曲线可知，随着温度的降低，聚合物材料的模量增大，刚性变大，材料抵抗变形的能力增强，故在压缩载荷不变的前提下，PCTFE的可压缩性随温度的下降而降低，压缩率减小，并且由于模量随温度降低的变化在不同区间斜率各不相同，因而压缩率随温度的降低先快速减小，后趋于 稳定。从微观角度分析，低温下，PCTFE的分子链处在冻结状态，且温度越低，分子链的运动能力越差，材料的可压缩性也就越差，如图1所示，当试验温度为-180℃时，PCTFE的压缩率最低。

图1 PCTFE压缩率随温度的变化曲线

PCTFE的回弹率随温度的变化曲线如图2所示。在25～-180℃的温度范围内，PCTFE的回弹率随温度降低整体呈现增长趋势，但增长的幅度较小，说明温度对PCTFE的回弹率变化影响不大；其中，常温时的回弹率为82.3%，低温下测量的最大回弹率为88.8%，且低温回弹率整体高于常温回弹率，说明PCTFE在低温下回弹性能较好。这是因为相比于低温，较高的温度下PCTFE分子链形变较大，造成的分子链滑移较大，这导致分子链间距增大，使分子间作用力减弱，当压缩回复时，部分分子链无法恢复原状，导致回弹性变差；而随着温度的降低，分子链的运动能力变差，产生的滑移减小，分子间作用力减弱的程度也降低，故当温度降低时回弹性有所升高。而曲线在-110℃左右存在极大值，可作为PCTFE垫片最优工作温度区间选择的参考条件之一。

图2 PCTFE回弹率随温度的变化曲线

PCTFE的邵氏硬度随温度的变化曲线如图3所示，可以看出，当温度由25℃下降到-180℃时，PCTFE的邵氏硬度从63HD增加到83HD，且在初期邵氏硬度增加的趋势较快，后来逐渐减缓。这是由于随着温度的降低，聚合物的分子运动减缓，材料刚度增大，硬度也增大，但是随着温度降低至一定范围时，分子运动的速率接近极限值，温度降低对分子运动的影响减弱，故硬度的增加趋势减缓。

图3 PCTFE邵氏硬度随温度的变化曲线

垫片在工作时，密封作用力使它产生弹性形变，并与密封面紧密贴合，从而实现密封作用。良好的密封材料在具有适当的机械强度和硬度的同时，又需要具有一定的压缩性和较好的回弹性。PCTFE的可压缩率性随温度的下降而降低，且随温度的降低先快速减小后最终趋于稳定，保持有一定的压缩性；回弹率随温度降低整体呈增长趋势，但增长的幅度较小，温度对PCTFE的回弹率变化影响不大；随着温度的降低，PCTFE的邵氏硬度开始增加，低温时增加逐渐减缓。由此可得，PCTFE在低温下具有较好的回弹性和硬度，并且保持了一定的压缩性，故它在低温下表现出的材料特性满足密封垫片的要求，可用作低温密封材料使用。

2.2不同温度PCTFE压缩-回弹曲线的分析

回弹曲线下的面积表示垫片卸载时释放出的弹性应变能，即卸载部分回复曲线的斜率越小，垫片的弹性补偿能力越大，应力损失越小，越容易适应载荷的循环作用或密封稳定性更好。图4所示为不同温度下PCTFE的压缩-回弹曲线，比较图4a～f可得：在整体的变化趋势上，随着温度的降低，卸载部分对应的回复曲线斜率逐渐变小，随着温度的降低，PCTFE垫片的弹性补偿能力减小，但在-110℃之后斜率变化不大，即垫片的弹性补偿能力趋于稳定。因此结合PCTFE的硬度、压缩率、回弹率对温度的曲线分析，可推测PCTFE垫片在-110℃的密封性能较为可靠，低于-110℃则密封性能受温度的影响增大。

图4 不同温度下PCTFE的压缩-回弹曲线

3 结论

3.1在25～-180℃的温度范围内，随着温度的降低，PCTFE的邵氏硬度变大，压缩率降低，回弹率增大。

3.2在-110℃时，PCTFE还具有良好的压缩率和较大的回弹率，且有较佳的压缩-回弹曲线，故PCTFE在-110℃及以上具有较好的密封性能。

3.3PCTFE在低温下表现出的材料特性满足密封垫片的使用要求，可以用作低温密封材料使用，但不同的工况和工作环境下的密封性能需进一步进行试验验证。

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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

张希恒(1966-)，副教授，从事阀门与密封技术的研究。

联系人周璟莹(1992-)，硕士研究生，从事低温阀传热分析及优化设计方向的研究，echo-fish-123@163.com。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)05-0497-05