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  • 进口超低温球阀的密封圈结构与试验-德国莱克LIK品牌
    发布日期:2017-4-20


    超低温球阀的密封圈结构与试验

    前言

    众所周知,低温阀用于各种液化天然气及化工装装置系统中,已越来越广泛,特别是液化天然气(LNG)储运系统,占低温阀门总量的80%以上。而我国在低温阀的开发研宄和使用比欧美国家晚20多年。随着LNG用量不断增大和提高经济效益及安全性,储运系统的参数(压力、管道尺寸等)也不断提高,所以对于低温阀的参数也越来越高。

    目前,各国在低温阀的研宄开发上,投入大量的费用研宄低温阀的材料和结构。我国在近5年来,各生产阀门的公司也进行了大量的研宄开发,并取得了一定的成效。主要表现在阀门的结构改进和材料的选用以及深冷处理和深冷试验等,但和国外同类型的阀门相比,国内阀门仍有一定的差距。主要是对低温阀的材料、结构等,由于投入较大、时间长,还没有一个完善的测试方案和系统。良精集团有限公司自2008年开始,对各类低温阀门进行研究和开发。到2012年月成功开发出多种类型的闸阀、截止阀、蝶阀等低温阀门,并在相关用户中大量的使用。

    自2012年以来,良精集团有限公司研发中心开始对低温固定式球阀,进行了研宄。在开发过程首先对国内外类似的阀门的结构及低温材料等信息资料,进行了大量的收集和研究。并对国外、国内相同的结构的低温球阀进行深冷对比试验,同时对相关用户现场,进行了低温阀门的使用情况调查。取得了第一手技术参考数据。

    现国内常用的低温球阀的阀座(密封圈)结构

    阀座密封结构造

    国内、外阀座密封圈的结构形状,有多种多样,主要有如下图的几种:

    图1 1号浮动球阀刚性阀座

    图2 2号浮动球阀唇式阀结构

    图3 3号固定式球阀蝶型弹簧阀座安装

    1-导向套筒 2-支承环 3-蝶形弹簧 4-套筒 5-密封座 6-中间环

    图4 4号固定式球阀螺旋压缩弹簧阀座安装

    1-圆柱螺旋弹簧 2-活套 3-密封圈

    图5 5号固定球阀带弹性胀圈的组合型阀座

    1-弹性胀圈 2-聚四氟乙烯唇式密封座

    图6 6号浮动球阀完全弹性密封圈

    2、试验情况

    对以上6种不同密封圈结构的阀门,分别通过常温试验合格后,分别再在-100(TC和160°C及196°C下,按BS6464的试验要求(在达到相应温度条件下,做20次启闭后对阀门进行检漏)和方法,进行了对比试验(0.6MPa的氦气质谱仪检漏),通过按BS6364的规定的泄漏量进行相应的换算,得出如下试验结果:

    通过对所记录的数据对比,在以上结果中,3号和4号密封圈结构的阀门相对较好,但也不符合标准要求,而6号阀门基本是在低温条件下是失效的。后通过解体检查,1号阀门的密封圈的密封面有划伤现象(有明显的划痕),4号阀门的密封圈有一只出现裂纹。脆裂的情况如图7。

    图7 4号阀门一只密封圈开裂图

    在检测的过程中,主要泄漏处为球体和密封圈的密封面处为主要泄漏点。

    5号阀门的一端,阀体和支撑处有泄漏现象,后通过尺寸等重新检测核查,是阀体内孔尺寸超差,并且粗糙度比另一端大一个等级。

    3、现场调研情况

    公司于2013年8、9月份,组织相关人员对6家,有低温球阀的使用的用户,进行了现场走访,了解相关不同类型的主要低温阀门现场使用情况。

    根据现场调查了解,用户使用的低温阀,国产、和进口的球阀,均不同程度的存在内漏现象,尤其是国产球阀,使用性能比进口阀门差距较大。按原因分析可能主要有如下几点:

    主要是对低温阀使用的材料,在热处理和深冷处理工艺上有一定的差异。

    阀座(密封圈)结构尺寸上存在一定的差异。

    阀座(密封圈)等材料性能上存在较大的差异。

    密封件孔、槽等表面精度和检测方法上等存在差异。

    固定球阀用弹簧材料及尺寸的选用和试验上存在差异(在各种不同低温下的刚度等)。

    用户提供的低温参数等不全或不准,有的无相关参数。

    改进设计及试验结果

    1.材料

    由于没有相关不锈钢材料在低温条件的线胀系数,为此研发中心在研发过程中,对密封圈的结构作改型设计,针PTFE和F304材料在低温条件存在的变硬和变形的现象展开研究,同时对球体等不锈钢材料,在低温条件下的变形量等,采用实验方法测量。

    1)对一种纯PTFE管状进口材料加工成近似与密封圈尺寸(Æ246246XÆ222X22)计12件,在-196°C的液氮中进行浸泡一定时间(2小时以上),然件取出迅速测量尺寸和进行硬度检测,并进行与常温下的尺寸和硬度整理后进行对比分析,从而找出变形量和变形规律,以确定设计和尺寸和精度等(收缩率=26°C尺寸-深冷处理后尺寸/26°C尺寸X100%)

    从以上数据分析可以看出,外径的变化(缩小)存在一定的规律性,密封圈无论怎么镶进去,外径在-196°C条件下,由于温度变化梯度较大,减去支撑材料的收缩量,还是存在一定间隙。

    2)而内径和长度方向上,则由于材料分子结构的关系规律性不明显,只是有所减少。在深冷条件下减去支撑圈的收缩,仍是卡紧在支撑圈上。但由于外径存在间隙,加长PTFE壁厚不是很厚,虽然低温硬度增加很大,强度也有所加强,但总的强度不高,并且在球体的转动作用下,由于间隙的存在,会出现一定程度的松动,不足以建立可靠的密封比压,所以密封圈在深冷条件下只能在弹簧力的作用下,以平面建立密封比压而密封。而长度方向收缩率又比较大,所以与常温情况不同,在弹簧的设计上加强的同时,还必须有所加长,以补充PTFE的收缩产生的缩小量。

    对PTFE管状材料做深冷尺寸检测的同时,对同型号的材料也做了3只块状试样,在-196°C液氮中浸泡1小时,在5秒钟之内对硬度进行了相应的检测,其结果如下表(HBS):

    从上表可以得出,既是纯的PTFE在低温-196°C温度下,可以认为比调质处理后的13Cr硬度还要硬,所以密封圈的密封比压应按金属材料的适当的密封比压系数,进行相应的计算,才能有可靠的密封性能(在此不再赘述)。

    1.大部分Cr-Ni奥氏体不锈钢在常温下处于亚稳定状态,而在超低温范围内会因晶格畸变而发生马氏体转变。马氏体开始转变时的温度即为马氏体转变点(亦称相变点),用符号Ms来表示。Ms点的温度主要取决于固溶在奥氏体内合金元素的量。当奥氏体不锈钢的工作温度等于或低于其马氏体转变点Ms时就会发生马氏体转变。因马氏体的比容比奥氏体的大,由此而引起的体积膨胀和组织应力会使零件尺寸发生变化,最终导致阀门泄漏。为防止材料在使用过程中发生马氏体转变,需对其进行深冷处理。深冷处理是将奥氏体不锈钢材料浸在冷却剂中进行冷却、保冷,使之发生马氏体转变的一种工艺方法。深冷处理可使材料预先进行马氏体转变,以保证在使用中的组织稳定性。

    2.但各种不镑钢材料的冷缩性还存在一定的差异,从大连理工大学等有关研宄文献及美国有关记录的有关304材料在低温下的线胀系数等如下表:

    美国公布的数据(304材料)

    大连理工大学检测表(304试样尺寸Æ10X220)

    从以上两个表中可以分析得出,美国给出的参数,并没有说明他的试样尺寸和形状,估计应是采用正方型试样。而大连理工大学的测试数据是Æ10X220园棒。而从数据上计算和分析,两者的差异较大,没有可比性,也有可能是测度的方式的原因。低温材料的收缩率还与材料的结构尺寸有很大的关系(体积状态不同),用一种或两种不同的试样,会出现很大的不同。这与体积型状有很大的关系。

    而低温球阀的球体、支撑圈是空心结构,在体积结构及应力的不同上是变化的,为此从理论上分析,球体各不同角度的直径方向上的尺寸应是不相等的。为了验证这一假设,针对NPS8的304球体(Se310X<Z201X250)球面直径,在液氮中反复浸泡4次,每次为4小时,对第4次浸泡后的球体,进行低温变化的情况用三座标测量仪检测,根据三座测量的数据表转换并绘制出如下的图形(不园度放大,为了看清楚):

    图8

    图9

    测量仪给出的数据显示:不园度最大直径和最小直径误差为0.11mm,平均误差为0.07mm,从图8和图9中可以看出,直径方向的尺寸变化呈有规律的变化,但也并不是完全一样,这说明和材料的结构形状(内部否是实心,及空心大小)和应力有关,这也可以从金属材料的晶格型状得到合理解的解释。所以低温下球体的不园度的多少,特别是大尺寸(NPS>8)的球体误差会更大,同时密封圈变硬,这就为低温球阀的密封性能带来很大泄漏的风险。在一定程度上,密封圈(密封面为面密封)结构设计的合理与不合理,是导致泄漏的关键点之一。

    通过以上分析和检测,对固定式球阀密封圈的设计,要针对PTFE在低温条件下的强度加大与钢基本相同,而球面的不园度变化大的特点,同时也要能保证阀门在常温和低温条件下的都能密封的性能,以及PTFE在常温和低温下的许用比压力,这就为密封圈结构形状和弹簧的作用力的设计和加工带来一定的难度。

    通过多次计算和试验,对密封圈的结构状弹簧材料的性能等,进行了多次改进,以NPS8-600Lb球阀为例,具体改型设计和结果如下图(图10-图13)(由于时间关系,不展开弹簧及唇式密封圈的设计情况)。主要是对PTFE在常温和低温下不同的密封性能情况,常温下由于球体的不园度相对恢复的较好,PTFE塑性大,密封比压较低,密封副近于球面密封,而对于低温条件下PTFE刚度增强,并有一定量的收缩,需要的密封比压较大,密封副为窄球面密封,同时也能补偿由于球面不园度的増加,超成大量泄漏的情况。密封比压的计算主要为图11中的T、M1、M2。另外就是弹簧在不同温度下的刚度和压缩量的变化的设计和校验验证。

    对改进后的密封圈及弹簧的设计,进行了在-196°C条件下,先进行对唇式密封圈和密封圈,按球阀的实际情况采用专用夹具(如图14-图17),进行低温下试验,在通过验证后再加工阀座并装配成品球阀,并按BS6364标准规定的启闭次数的3倍,并分3次(计60次启闭)常温、低温试验,球阀的密封性能全部满足标准要求。

    图14

    图15

    图16

    图17

    自2014年11月到12月,先后出厂了89台NPS8-12CL150、CL300、CL600的低温固定式球阀,在三个用户单位,分别用液氮输送和LNG输送系统中使用,公司每个月进行一次现场使用情况调查和记录。最长使用时间为9个月,到目前为止,用户阀门的密封性能和启闭性能良好,没有出现任何内漏等情况。对于此类球阀的具体使用性能和寿命情况,还要进一步跟踪检查,以获得更为确切的相关数据。

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