LNG用超低温球阀密封失效原因分析及其选材、结构设计研究

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目前国内LNG管线球阀元件依旧处于进口产品主导地位,国内也有几家球阀企业开始了这类球阀的研发与生产,但是总体质量依旧无法满足此行业苛刻的要求,其无法满足行业要求的也正是我们所需要研究的目标。

一、超低温球阀填料部位的密封失效原因分析及其选材、结构设计研究

填料部位的密封失效主要原因,就是填料的工作温度过低,从而导致填料函不密封,则低温气体开始通过填料函,并使填料深度冷冻,填料函本身冷冻又会使渗漏量增大,在这种情况下阀杆表面上的潮湿气体由于冷却开始冻结,会在表面覆盖一层冰,如果转动阀杆,冰层会进一步破坏填料函的密封,如果,当深度冷冻的填料函材料是PTFE或PCTFE时,有可能划伤未提高表面硬度的阀杆表面。

填料选材:当工作温度＞101℃时,填料材料选用PTFE、PCTFE或石墨;当工作温度≤101℃时,填料材料选用石墨。

结构设计:如“图2”所示,可以在填料压盖螺母下面添加双碟型弹簧等弹簧结构防松,保证填料函的初始密封;可以使用中间带金属隔环的双填料结构;应提高阀杆的表面硬度(如镀Cr等),防止阀杆划伤或咬死;提高阀杆与填料接触面的光洁度;应保证填料的工作温度保持在其允许操作的温度区间内,通过相关资料和实际生产的经验证明,影响填料函工作温度的主要因素为阀杆的加长长度和加长阀盖的壁厚,阀杆加长的长度请参考标准BS6364、MSSSP-134或通过计算,加长阀盖的壁厚应在满足设计强度和刚度的情况下,取较小值。

二、结合部(包括加长盖、中法兰、底盖等结合部)部位的密封失效分析及其选材、结构设计

密封失效分析:由于非金属密封垫片在低温下的物理性能发生变化,如垫片体积变小或回弹性变小等,导致垫片与体之间的密封比压下降,甚至出现间隙,导致密封失效;常温装配时作用在密封垫片上的初始密封比压较小,且从结构设计上没有考虑补偿或保持在低温下密封垫片足够的密封比压;结合部垫片的宽度选择过窄,事实上垫片的宽度越窄,就需要更大的密封比压才能达到密封。

选材:当工作温度＞101℃时,密封垫片材料选用纯铜、纯铝316SS+PTFE或316ss+石墨;当工作温度≤101℃时,纯铜、纯铝或316ss+石墨。

结构设计:如“图3”所示,在螺母下增加一对防松碟簧,可以补偿由于各种原因引起的变形;螺母的旋紧力矩应该控制在其许可力矩范围的中偏上;可以用如图3所示的法兰结构,通过中法兰的结构变形,进一步增大垫片的密封比压。

三、内部(及阀座部位)密封的失效分析及其选材、结构设计

密封失效分析:阀座密封主要是指软密封阀座,因为低温金属密封球阀的阀座零部件在常温和在超低温下的变形非常小(当然前提是金属阀座及其零部件要多次低温处理并加上失效处理),所以从结构上讲没有什么特殊的结构来提高其密封性能,从选材上应注意按相关标准推荐的材料选取即可。

阀座与阀体接触部位的密封失效,如“图4”所示,此部位的密封失效主要原因有:阀座、阀体接触面的粗糙度超差;阀座在低温下发生变形,导致阀座和阀体接触面不能保持完好接触;阀座和阀体接触面上的密封比压设计取值较小。选材:当阀门的使用温度不低于-196℃时,阀座材质可选用PTFEPCTFE;当阀门的使用温度低于-196℃时,阀座材质可选用PCTFE。结构设计:所有密封要求的面的粗糙度均要求在普通阀门要求的基础上再提高2到3个等级,所采取的方式有,提高加工精度、抛光、研磨等;如图5所示,此为浮动球阀的常用带防火唇结构,但在超低温工况下,塑料阀座的直径会有较大收缩变小,但由于防火唇的存在导致阀座不规则变形(如图5所示),所以低温球阀的C值应根据阀座材料和直径大小作较大变大(在实际生产中发现PCTFE阀座的C值,应保持＞1.25mm);关于低温状态下阀座密封面的宽度与球体圆度之间的关系(固定球式球阀也适用),从实际生产经验和的实验分析,结果如下表:

(泄漏测试的温度-196℃,实验的介质为氦气)

实验表明,在球体的圆度足够高时(一般要求＜5μm),密封面的宽度对泄漏量的影响并不大;但是当球体的圆度不好时,则应当适当的减小密封面的宽度(及适当的增加密封面的密封比压),可以减小从密封面的泄漏量。不过,在实际生产中,过分减小密封面的效果并不适用,反而会导致阀座在低温下易拉伤球体表面(球面为硬面除外)或阀座自身拉伤。

四、软密封阀座固定球式球阀的内部密封失效分析及其选材、结构设计

固定球式超低温球阀的密封根据需要可以设计成双向或单向密封,由于固定球式球阀的阀座部件是由阀座与金属支撑环组成,阀座支撑环通过U型圈与阀体之间产生密封,所以密封失效点比浮动的球阀要多一个部位。

软密封阀座固定球式球阀密封的失效主要分为:如图6所示,是固定球式球阀的阀座部位常见结构,在阀座与球体之间以及阀座与支撑环之间的密封失效大致同浮动球阀;但是在U型圈部位的密封失效大致有:1)由于U型圈的初始压缩量不够,也即弹簧的弹力过小,在低温下由于U型圈的PTFE的收缩,使的弹簧被压缩,并压死在支撑环上,从而导致U型圈与阀体接触密封面上的密封比压不足,并且在低温条件下介质的压力不足以推动(张开)冷冻的U型圈上的PTFE,导致密封失效;2)U型圈与阀体和U型圈与支撑环接触面的光洁度不够高,导致密封失效;3)U型圈装入导向设计不合理,导致U型圈在装入过程中划伤甚至损坏,从而导致密封失效。

选材:当阀门的使用温度不低于-196℃时,阀座材质可选用PTFE和PCTFE;当阀门的使用温度低于-196℃时,阀座材质可选用PCTFE;结构设计:浮动球阀的结构设计就是要让塑料阀座在低温下有规则的自由变形,但是固定球式球阀的阀座结构就是要防止塑料阀座在超低温环境下发生自由变形图6所示)。

阀座部位结构设计:阀座密封面的宽度在保证相互接触部件不受损的前提条件下,可以减窄,以提高密封面的密封比压,减少泄漏量,但密封面的宽度尽量不小于1mm;为了尽可能降低阀座在低温环境下的变形,阀座设计应该尽可能的被嵌在金属支撑圈内,凸出部分及密封面应尽可能降低且与支撑圈以弧面或斜面进行过渡;图6-1和图6-2是低温球阀常用的结构,图6-1的阀座装配需要过赢配合,但图6-2的阀座装配则不需要过赢配合,阀座与支撑圈的密封主要靠阀座背面密封唇来密封,阀座背面密封唇可以在支撑圈上车环形水线(或车环形凹凸弧形槽并与阀座相配)并用压圈压紧(压紧结构必须要有放松能力)来保证密封。

五、结语

LNG作为21世纪被提出的一项新的能源应用方式,未来将会有一个长远的发展空间。LNG的应用涉及到液化工厂、接收站、运输船、运输车、储存站、撬装站、、加注站、使用终端等,这一系列的产业链的铺设均离不开超低温球阀的配套。超低温球阀的开发有利于加速国内LNG行业的进程,降低基础设施的配套成本、对于此行业国内的全面展开有着不可忽视的经济及社会效应。