低溫對閥門(mén)內密封性能的影響

        隨著(zhù)石油、化工和燃氣行業(yè)的迅速發(fā)展,尤其是液化天然氣(LNG)作為一種新興能源的廣泛應用,導致LNG用深冷閥門(mén)的需求量大增。根據國家能源戰略,我國將積極參與世界油氣市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)。目前,國家發(fā)改委已經(jīng)規劃在廣東、福建、上海、山東、浙江、江蘇、天津及遼寧等地建設11座天然氣接收站,并通過(guò)LNG船從國外大量進(jìn)口天然氣。LNG接收站、LNG運輸船以及到用戶(hù)端的輸送管路上,都需要用到大量的閥門(mén)。由于LNG常壓下的溫度為- 162℃,且易燃易爆,因此在設計LNG深冷閥門(mén)時(shí),對其密封性能提出了更高和更嚴格的要求。

         閥門(mén)的密封性能是考核閥門(mén)質(zhì)量?jì)?yōu)劣的主要指標之一,其主要包括在兩個(gè)方面,即內密封性能和外密封性能。內密封是指閥座與關(guān)閉件之間對介質(zhì)所達到的密封程度。如球閥的球體與閥座之間的密封,蝶閥的蝶板與閥座之間的密封,截止閥的閥瓣與閥座之間的密封,閘閥的閘板與閥座之間的密封等。這些密封型式主要有平面密封、球面密封及錐面密封等。密封材料可以分為金屬對非金屬材料密封和金屬對金屬材料密封。

非金屬密封副

        在常溫下工作的球閥和蝶閥等一般均采用金屬對非金屬材料密封副。由于非金屬材料的彈性大,獲得密封所需的比壓小,因此密封性好。但是在低溫狀態(tài)下,由于非金屬材料的膨脹系數較金屬材料大得多,使得其低溫時(shí)的收縮量與金屬密封件、閥體等配合件的收縮量相差較大,從而導致密封比壓嚴重降低而產(chǎn)生無(wú)法密封的結果。大多數非金屬材料在深冷溫度下會(huì )變硬和變脆,失去韌性,從而導致冷流和應力松弛。如橡膠在溫度低于其玻璃化溫度時(shí),會(huì )完全失去彈性,變成玻璃態(tài),失去其密封性。

        另外橡膠在LNG介質(zhì)中存在泡脹性,也無(wú)法用于LNG閥門(mén)。因此目前在設計低溫閥門(mén)時(shí),一般溫度低于- 70℃時(shí)不再采用非金屬密封副材料,或將非金屬材料通過(guò)特殊工藝加工成金屬與非金屬復合結構型式。

        據國外資料記載,也有部分非金屬材料可以在深冷狀態(tài)下很好的應用。在70年代,愛(ài)爾蘭合金有限公司的一種新型塑料“slip shod”,是一種超高分子量的聚乙烯,在- 269℃溫度仍具有很好的韌性,承受一定沖擊應力時(shí)不斷裂,而且能保持相當的抗磨性。法國研制的Mylar型塑料在液氫(-253℃)溫度下仍具有相當的彈性。前蘇聯(lián)H. T. 洛馬寧柯的聚碳酸脂密封座在液氮(-196℃)溫度下進(jìn)行密封性試驗,數據表明聚碳酸脂在低溫下具有良好的密封效果。

金屬密封副

        在低溫條件下,金屬材料的強度和硬度提高,塑性和韌性降低,呈現出不同程度的低溫冷脆現象,嚴重影響到閥門(mén)的性能和安全。為了防止材料在低溫下的低應力脆斷,在設計低溫閥門(mén)時(shí),一般溫度高于- 100℃采用鐵素體不銹鋼材料, 而溫度低于-100℃時(shí),閥體、閥蓋、閥桿、密封座等大多采用具有面心立方晶格的奧氏體不銹鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金等。但因鋁及鋁合金的硬度不高,密封面的耐磨、耐擦傷性能較差,所以在低溫閥門(mén)中應用極少。

        一般使用奧氏體不銹鋼材料居多, 常用的有0Cr18Ni9、00Cr17Ni12Mo2 (304、316L)等,這些材料沒(méi)有低溫冷脆臨界溫度,在低溫條件下,仍能保持較高的韌性。

        但是,奧氏體不銹鋼作為低溫閥門(mén)的金屬密封副材料也存在著(zhù)某些不足。因為這類(lèi)材料的大部分在常溫下處于亞穩定狀態(tài),當溫度降低到相變點(diǎn)(MS )以下時(shí),材料中的奧氏體會(huì )轉變成馬氏體。對于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體,且由于部分碳原子規則化排列占據體心立方點(diǎn)陣位置,使晶格沿C軸方向增長(cháng),從而體積發(fā)生變化引起內部應力的增加,使原本經(jīng)研磨后達到密封要求的密封面產(chǎn)生翹曲變形,造成密封失效。

        除了低溫相變引起密封面變形失效外,由于零件各部分的溫度差或由于不同材料間物理性能的差異,引起收縮不均,也會(huì )產(chǎn)生溫變應力。當應力低于材料的彈性極限時(shí),就會(huì )在密封面產(chǎn)生可逆性的彈性扭曲。當某一部分的溫變應力超過(guò)了材料的屈服極限時(shí),零件將發(fā)生不可逆轉的扭曲變形,同樣會(huì )造成密封面的失效,影響密封效果。

        針對低溫對金屬密封副的影響,必須采取相應的措施,以使金屬密封面的變形最小或密封面的變形對密封性能的影響最小。首先在材料方面盡量選用金相組織穩定性較高的材料(如316L 但成本較高) 。其次對于閥體、閥蓋、閥桿、密封件等奧氏體材料制作的零件必須進(jìn)行低溫處理,以使材料的馬氏體轉變和變形得到充分進(jìn)行后再進(jìn)行精加工。低溫處理的溫度應低于材料相變溫度(MS )且低于閥門(mén)實(shí)際工作溫度,處理時(shí)間以2～4h為宜,如需要可以進(jìn)行多次低溫處理或進(jìn)行適當的時(shí)效處理。除了以上措施,在結構設計時(shí)也要進(jìn)行考慮,以降低密封面變形對密封性能的影響,如在進(jìn)行閘閥、球閥和蝶閥設計時(shí)可以考慮采用彈性密封結構,以使低溫變形得到部分補償。對于截止閥應采用錐面密封結構,使低溫變形對密封面的影響較小。