超低溫蝶閥密封機構的有限元分析

　　分析了雙偏心超低溫金屬-非金屬密封副蝶閥在低溫下的應力狀態(tài)，閥座密封寬度對密封副的結構應力和密封性能均有很大的影響。隨著(zhù)密封寬度的增大，密封副所受接觸應力增大，有助于提高其密封性能，但隨之也帶來(lái)了摩擦應力的增大，使密封圈的使用壽命降低。因此，在密封副設計時(shí)，應綜合考慮這兩個(gè)因素的影響來(lái)優(yōu)化結構參數。

1、概述

　　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，使得LNG 用超低溫閥門(mén)的需求量迅速增加。由于LNG 常壓下的溫度為- 162℃，且易燃易爆，因此對LNG 超低溫閥門(mén)的密封性能的要求比普通閥門(mén)嚴格。常溫下工作的蝶閥采用金屬- 非金屬密封副即能實(shí)現良好的密封，是由于常溫下非金屬材料的彈性大，密封所需的比壓小。但是，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使密封性能大大下降。另外，由于大多數非金屬材料在深冷溫度下會(huì )變硬和變脆而失去韌性，從而導致應力松弛。

　　因此目前在設計工作溫度低于- 70℃ 的低溫閥門(mén)時(shí)，通常采用金屬- 金屬密封副。但在低溫條件下，金屬材料的強度和硬度提高，塑性和韌性降低，導致低溫冷脆現象的發(fā)生，嚴重影響到閥門(mén)的性能和安全。

　　本文提出了一種具有金屬- 非金屬密封副的高密封性能雙偏心超低溫蝶閥，并采用ANSYS有限元分析軟件對其密封副進(jìn)行低溫下結構應力分析，優(yōu)化密封結構參數。

2、結構特性

　　LNG 超低溫蝶閥( 圖1) 的公稱(chēng)通徑為150mm，公稱(chēng)壓力為150LB ( 1. 0MPa) 。密封副由閥體、蝶板、閥桿以及設置于閥體內的密封圈、彈簧圈、預緊環(huán)、支撐環(huán)、擋圈及擋銷(xiāo)等組成( 圖2) 。

圖1 超低溫蝶閥的三維模型

圖2 超低溫蝶閥的密封副結構

　　閥體與蝶板通過(guò)閥桿連接到一起，閥體與閥桿之間采用間隙配合，閥桿可在閥體內轉動(dòng)。閥桿與蝶板上的兩個(gè)凸起的內孔采用過(guò)盈配合，并用銷(xiāo)釘將其固定，以防止兩者相對轉動(dòng)。密封圈的截面為U 形，彈簧圈套在密封圈的U 形槽內，并與其根部緊密接觸，可使密封圈在彈簧圈的彈力作用下沿徑向收縮，保證密封的可靠性，并能保證密封圈磨損后也能在彈力作用下具有很好的密封性。另外，為防止密封圈在超低溫條件下變硬變脆，采用耐低溫的聚三氟氯乙烯密封材料來(lái)保證密封的高可靠性。彈簧圈的外徑處由預緊環(huán)套住，預緊環(huán)采用奧氏體相變終了溫度Af較高的高溫鎳鈦基形狀記憶合金材料制成，加工時(shí)先在奧氏體狀態(tài)下將其加工到一定直徑，然后在深冷條件下( 低于Mf點(diǎn)) 進(jìn)行擴徑變形，使其內徑略小于彈簧圈的外徑，這樣裝配時(shí)可使彈簧圈產(chǎn)生一定的預變形，增大彈簧圈的彈力，進(jìn)而提高密封圈的密封壓力，保證密封的可靠性。為保證密封圈的安裝剛度，在其內的U 形槽內還裝有支撐環(huán)。密封圈、預緊環(huán)和支撐環(huán)裝入密封圈后由擋圈壓裝于閥體內部的凹槽內，并通過(guò)擋銷(xiāo)固裝在閥體上。

5、結語(yǔ)

　　閥座密封寬度對密封副的結構應力和密封性能均有很大的影響。隨著(zhù)密封寬度的增大，密封副所受的應力和應變均增大，密封面所受的等效應力和接觸應力也增大，使密封性能提高，但隨之也導致了密封面上摩擦應力的增大，使密封圈的使用壽命縮短，因此，還應采取措施減小摩擦應力，延長(cháng)密封圈的使用壽命。