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低温阀的使用和密封要求

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-08-13 4:45:13 * 浏览: 1260
1.概述随着石油,化工和天然气工业的快速发展,特别是液化天然气(LNG)作为新兴能源的广泛应用,对LNG低温阀的需求已大大增加。根据国家能源战略,我国将积极参与世界石油和天然气市场的发展。目前,国家发改委已计划在广东,福建,上海,山东,浙江,江苏,天津和辽宁建设11个天然气接收站,并通过LNG船从国外进口大量天然气。 LNG接收站,LNG运输船和通往用户的传输管道需要大量的阀门。由于液化天然气在常压下的温度为-162℃,易燃易爆,因此在设计液化天然气低温阀时,对密封性能提出了更高,更严格的要求。阀门的密封性能是评估阀门质量的主要指标之一。它主要包括两个方面,即内部密封性能和外部密封性能。内部密封是指阀座与关闭件之间对介质的密封程度。如球和球阀座之间的密封,蝶板和蝶阀座之间的密封,阀瓣和截止阀座之间的密封,闸板和球阀之间的密封。这些密封类型主要包括平面密封,球形密封和圆锥形密封。密封材料可分为金属对非金属材料密封和金属对金属材料密封。外部密封是指阀杆填料部分的密封和中间法兰垫圈的密封。在不允许将某些介质排放到大气中的特殊条件下,外密封比内密封更重要。 2低温对阀门内部密封性能的影响2.1非金属密封对在室温下工作的球阀和蝶阀通常使用金属对非金属材料的密封对。由于非金属材料的弹性大,获得密封所需的比压力小,因此密封性能良好。然而,在低温状态下,由于非金属材料的膨胀系数远大于金属材料的膨胀系数,因此低温下的收缩率与金属密封件,阀体和其他配合部件的收缩率有很大差异,从而导致严重的密封压力。减少了产生无法密封的结果。大多数非金属材料会在低温下变硬并变脆,失去韧性,导致冷流和应力松弛。例如,当温度低于其玻璃化转变温度时,橡胶将完全失去其弹性,变成玻璃状并失去其密封性。另外,橡胶在LNG介质中具有膨胀特性,因此不能用于LNG阀门。因此,在设计低温阀时,一般在温度低于-70℃时不再使用非金属密封二次材料,或者通过特殊工艺将非金属材料加工成金属和非金属复合结构。根据国外记录,还有一些非金属材料可以在低温条件下很好地使用。 1970年代,爱尔兰合金有限公司生产的新型塑料“防滑”,是一种超高分子量聚乙烯,在-269℃仍具有良好的韧性,在受到一定冲击时不会破裂应力,并能保持相当的耐磨性。法国开发的Mylar型塑料在液态氢温度(-253℃)下仍具有很高的弹性。前苏联H.T.的聚碳酸酯密封座在液氮(-196℃)下测试了罗曼宁克的密封性能。数据表明,聚碳酸酯在低温下具有良好的密封效果。 2.2金属密封对在低温条件下,金属材料的强度和硬度增加,而塑性和韧性下降,表现出不同程度的低温冷脆性,严重影响阀门的性能和安全性。为了防止低应力低温下材料的脆性断裂,在设计低温阀时,通常将铁素体不锈钢材料用于高于-100°C的温度,而当温度低于-100°C时,阀体,阀盖,阀杆,大多数密封座是由奥氏体不锈钢,铜和铜合金,面心立方晶格的铝和铝合金制成。然而,由于铝和铝合金的低硬度以及密封表面的差的耐磨性和耐刮擦性,它们很少用于低温阀中。通常,大多数使用奥氏体不锈钢材料。常用的材料有0Cr18Ni9、00Cr17Ni12Mo2(304、316L)等。这些材料没有低温冷脆性临界温度,并且在低温条件下仍能保持高韧性。但是,奥氏体不锈钢作为低温阀的金属密封辅助材料也有一些缺点。由于这些材料大多数在室温下处于亚稳态,因此当温度降至转变点(MS)以下时,材料中的奥氏体将转变为马氏体。对于体心立方晶格,马氏体的密度低于面心立方晶格的奥氏体,并且由于部分碳原子规则排列以占据体心立方晶格的位置,因此晶格沿因此,体积的变化会引起内应力的增加,从而导致密封表面的翘曲和变形,而该表面在磨削后最初满足密封要求,从而导致密封失败。除了由低温相变引起的密封表面的变形和破坏之外,零件的温度差异或不同材料的物理性质的差异还会引起不均匀的收缩和温度应力。当应力低于材料的弹性极限时,密封表面将发生可逆的弹性变形。当某个零件的温度变化应力超过材料的屈服极限时,该零件将发生不可逆的变形,这也将导致密封表面的失效并影响密封效果。考虑到低温对金属密封对的影响,必须采取相应的措施以最小化金属密封表面的变形或密封表面的变形对密封性能的影响。首先,在材料方面,尝试选择具有较高金相稳定性的材料(例如316L但成本较高)。其次,由奥氏体材料制成的零件,例如阀体,阀盖,阀杆,密封件等,必须在低温下进行处理,以便在加工前充分进行材料的马氏体相变和变形。低温处理的温度应低于材料的相变温度(MS),并低于阀门的实际工作温度。处理时间优选为2至4小时。如果需要,可以进行多次低温处理或适当的时效处理。除上述措施外,还应考虑结构设计以减少密封表面变形对密封性能的影响。例如,在设计闸阀,球阀和蝶阀时,可以考虑采用弹性密封结构来部分补偿低温变形。对于截止阀,应采用锥形表面密封结构,以使低温变形对密封表面的影响较小。 3低温对阀外部密封性能的影响3.1阀杆填料由于低温下橡胶材料的缺陷以及大多数非金属材料的冷脆性和严重的冷流现象,阀之间的密封设计不能采用低温阀的阀杆和阀体。密封圈的形式只能采用填料函密封结构和波纹管密封结构。通常,波纹管密封件通常用于介质不允许微量泄漏且不适合包装的场合。它的单层结构寿命很短,而多层结构成本高且难度大。lt处理,因此通常不使用。填料函密封结构易于制造和加工,易于维修和更换,在实际应用中相当普遍。但是,填料的一般工作温度不能低于-40℃。为了确保填料的密封性能,低温阀的填料函装置应在接近环境温度的条件下工作。在低温状态下,填料的弹性随着温度降低而逐渐消失,并且防漏性能降低。由于介质泄漏而造成的填料和阀杆结冰会影响阀杆的正常运行。同时,由于阀杆的运动,填料将被刮擦,从而导致严重的泄漏。因此,通常情况下,要求低温阀芯在0°C以上的温度下工作。这就需要设计长颈阀盖结构,以使填料函远离低温介质,同时选择具有低温特性的填料。常用的填料包括聚四氟乙烯,石棉,浸渍的聚四氟乙烯石棉绳和柔性石墨等。其中,石棉无法避免渗透性泄漏,聚四氟乙烯具有较大的线性膨胀系数和严重的冷流现象,因此通常不使用。柔性石墨是一种极好的密封材料,不透气体和液体,压缩率大于40%,回弹性大于15%,应力松弛小于5%,并且可以在较低的紧固压力下实现密封。它还具有自润滑性能。可用作阀门填料,有效防止填料和阀杆磨损。它的密封性能明显优于传统的石棉材料,因此,它是目前使用最多的密封材料之一。由于填料通常是非金属材料,因此其线性膨胀系数比金属填料函和阀杆大。因此,在常温下组装的填料下降到一定温度时,其收缩率大于填料孔和阀杆的收缩率,这可能导致预紧压力降低并引起泄漏。在设计中,填料压盖螺栓可以通过多套碟形弹簧垫圈进行预紧,从而可以连续补偿低温下填料的预紧力,以确保填料的密封效果。美国Garlock生产的低排放组合阀杆填料,其端环由碳纤维编织填料制成,密封环由高纯度菱形石墨带模制而成。锥杯结构和径向膨胀特性可提供密封性能。大大提高。阀杆材料的低温变形也将对填料的密封性能产生一定影响。因此,必须像阀体,阀盖和密封子材料一样对阀杆进行低温低温处理,然后对其进行精加工以最大程度地减少低温变形。此外,由于不能对低温阀杆材料中使用的奥氏体不锈钢进行热处理以提高表面硬度,因此阀杆和填料之间的接头更容易相互刮擦,从而导致阀杆处的泄漏。填料。因此,必须在阀杆表面进行硬铬镀层或氮化处理,以提高表面硬度。 3.2中间法兰垫片无论是阀的中间法兰密封还是法兰阀的外部连接,通常采用垫片形式。由于垫片材料会在低温下硬化并降低可塑性,因此对低温阀垫片的要求更高。它们必须在室温,低温和温度变化下具有可靠的密封性和可恢复性,并且应综合考虑低温耐受性。垫片密封性能的影响。根据常用的垫片密封形式,随着温度降低,螺栓的长度,垫片和法兰的厚度将缩小并变小。为了确保垫圈的可靠密封在低温下,必须满足公式ΔH1中的ΔHT3ΔHT-ΔHT1-ΔH11 ————螺栓组件的拉伸变形,mmΔH1=σ1/ E1H HT1 ————螺栓在ΔT温度范围内的收缩率, mmΔHT1=Hα1ΔTΔHT————垫片在ΔT温度范围内的收缩量,mmΔHT=hα2ΔTHT3——在ΔT温度范围内上下法兰的收缩,mmΔHT3=(Hh)α3ΔT1σ1— -螺栓预紧力,N / mm E1 ————螺栓弹性模量,N / mmα1,α2,α3——分别是螺栓,垫圈和法兰材料的线性膨胀系数,mm / m H,h ——mm当垫片密封件从常温达到设计工作低温时,上下法兰的收缩率与垫片的收缩率之和必须小于螺栓的收缩率与拉伸变形之和。以确保垫圈在工作温度下仍具有部分预紧力保持密封ng能力。据此,在设计中应考虑四个方面。 ①螺栓由线膨胀系数大的材料制成,在低温下收缩率大。 ②法兰采用线膨胀系数小的材料来降低ΔHT3。 ③减小垫片的厚度,并使用线性膨胀系数小的材料作为垫片。 ④增加螺栓的拉伸变形。对于低于-100°C的低温阀,阀体材料和螺栓材料通常使用奥氏体不锈钢,并且其线性膨胀系数是一致的。因此,选择合适的垫片材料并增加螺栓的拉伸变形更为重要。理想的低温垫片材料在常温下具有低硬度,在低温下具有良好的回弹性,线性膨胀系数小并且具有一定的机械强度。在实际应用中,通常使用由填充有石棉或PTFE或柔性石墨的不锈钢带制成的螺旋缠绕垫片。其中,由柔性石墨和不锈钢制成的螺旋缠绕垫片具有最理想的密封效果。为了增加螺栓的拉伸变形