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石化液化天燃氣低溫球閥密封面改進方案

影響低溫球閥密封性能的因素除了密封結構的設計以外，還有很多其他因素，例如密封副的材料、密封副質量、密封比壓以及介質的物理性質等，這些因素都會對閥門性能產生很大的影響 。在設計閥門時，要盡可能地考慮到這些因素對閥門的影響，才能保證其正常的工作狀態(tài)。盡管球閥結構簡單，但是由于其為介質壓力自密封閥門，加之球體的特殊結構，因此影響球閥最終是否密封的要素許多。球閥由于結構簡單，安裝空間小，并且球閥依靠介質力密封，不受外部驅動力的影響，因而被廣泛應用于各工況中。目前，LNG接收站普遍采用超低溫球閥，超低溫球閥的數量占整個LNG接收站閥門數量的80%，在使用中存在超低溫球閥內漏的現(xiàn)象。本文基于低溫閥門的設計準則及閥門密封性能的基本理論，對影響超低溫球閥密封的要素進行了分析。

4.1 石化液化天燃氣低溫球閥密封面改進方案密封副質量

球閥密封副的質量主要表現(xiàn)為球體的圓度和球體與閥座密封面的表面粗糙度。球體的圓度影響球體與閥座的吻合度。如果吻合度高，則增加流體沿密封面運動的阻力，從而提高密封性。一般要求球體的圓度為9級。

密封面表面光潔度對密封的影響很大。當光潔度低、比壓小時，滲漏量增加。而當比壓大時，光潔度對滲漏量的影響顯著減小，這是因為密封面上的微觀鋸齒狀尖峰被壓平了，軟密封面的光潔度對密封性能的影響比金屬對金屬的剛性密封小許多。根據只有當密封副之間的間隙小于流體分子直徑時才能保證流體不泄漏的觀點，可以認為，防止流體滲漏的間隙必須小于0.003μm。但是，即使經過精細研磨的金屬表面凸峰高度仍然超過0.1μm，即比水分子直徑還要大30倍。由此可見，只依靠提高密封面光潔度的方法來提高密封性，事實上是難以做到的。密封副質量除了影響密封性外，還直接影響球閥的使用壽命，因此，制造時必須提高密封副質量。

4.2 石化液化天燃氣低溫球閥密封面改進方案密封比壓

密封比壓是指作用于密封面單位面積上的壓力。密封比壓是由閥前與閥后壓力差及外加密封力所產生的。比壓的大小直接影響球閥的密封性、可靠性及使用壽命。滲漏量與壓力差成反比。試驗證明，在其他條件相同的情況下，滲漏量與壓差的平方成反比，因此，滲漏量會隨著壓差的增長而減少。而壓差是決定密封比壓的重要因素，因此密封比壓對于超低溫球閥密封性能至關重要。施加在球體上的密封比壓也不能過大，過大是有利于密封，但會增加閥門操作轉矩，因此合理的選擇密封比壓，是保證超低溫球閥密封的前提。

4.3 石化液化天燃氣低溫球閥密封面改進方案流體的物理性質

（1）粘度

流體的滲透滲出滲出能力與其粘度緊密相關。在其他條件相同的情況下，流體粘度越大，其滲透滲出滲出能力越小。氣體與液體的粘度相差很大。①氣體的粘度比液體的粘度小幾十倍，故其滲透滲出滲出能力比液體強。但是飽和蒸汽例外，飽和蒸汽容易證密封。②壓縮氣體比液體更易滲漏。

（2）溫度

流體的滲透滲出滲出能力取決于引起粘度改變的溫度。氣體的粘度隨溫度的升高而增大，它與氣體的溫度的開方成正比。液體的粘度則相反，它隨溫度的升高而急劇減小，它與溫度的立方成反比。此外，因溫度變化而引起的零件尺寸的改變將造成密封區(qū)內密封壓力的變化，并能破壞密封。對于低溫流體的密封其影響尤為顯著。因為與流體接觸的密封副通常比受力件的溫度更低些，這就引起密封副部件收縮而松弛。在低溫狀態(tài)下，其密封是復雜的，多數密封材料在低溫下失效。因此，在選擇密封材料時應考慮溫度的影響。

（3）表面親水性

表面親水性對滲漏的影響是毛細孔特性所引起的，當表面有一層很薄的油膜時，破壞了接觸面的親水性，并且堵塞流體通道，這樣就需要較大的壓力差才能使流體通過毛細孔。因此有些球閥采用密封脂，以提高密封性和使用壽命。在采用油脂密封時，應注意在使用過程中如油膜減少，應補充油脂。所采用的油脂應不溶于流體介質，也不應該蒸發(fā)、硬化或其他化學變化。低溫球閥不適合采用密封脂，在超低溫工況下，大多的油脂會玻璃化。

石化液化天燃氣低溫球閥密封面改進方案

1 密封副材料
    在低溫條件下，要考慮密封副材料的變形。金屬材料會隨著溫度的降低，產生收縮形變，導致密封處產生間隙，密封比壓降低，從而影響密封性能。因此在設計密封結構時，一定要選擇合理的密封材料來保證密封  。在 LNG 工況下，大多采用金屬與非金屬材料結合的軟密封方式，這樣一方面可以減少閥門啟閉時的摩擦，增長閥門使用壽命 ；另一方面成本較低，密封性較好。密封材料大都采用聚三氟氯乙烯，由于它無論應用于哪種工質都具有良好的密封性能，而聚四氟乙烯在低溫狀態(tài)下會產生冷流，所以不宜采用  。

2 密封副質量
    密封副質量主要體現(xiàn)在球體的表面加工質量和密封面的表面粗糙度 。提高球體的圓度和降低其表面粗糙度能夠減小在閥門啟閉過程的扭矩，提高閥門的使用壽命，也能提高閥門的密封性能。所以，設計時提高密封副的表面加工質量是十分重要的。

3 密封比壓
    密封比壓是密封面單位面積上的壓力。密封比壓的大小直接影響球閥的密封性、可靠性及使用壽命。但是閥門球體所承受的密封比壓也不是越大越好，較大的密封比壓在一定程度上有利于密封，但隨著密封比壓的增加，其閥門操作的轉矩也會增加，不利于閥門的正常工作。因此密封比壓的選取是超低溫球閥密封設計的又一重要內容 。

4 介質的物理性質
    介質的黏度、溫度等物理性質都會對密封產生一定的影響。首先，介質的黏度越大，它的滲透能力越小，不容易泄漏。介質的溫度對密封的影響主要體現(xiàn)在低溫條件下，一些密封零件尺寸的改變引起的密封結構的變化從而導致泄漏，同時，密封區(qū)的密封壓力也會產生變化破壞密封。所以在設計密封結構時，一定要考慮溫度的影響。

 石化液化天燃氣低溫球閥密封面改進方案結論
    本文對應用在 LNG 工程中的三種低溫球閥密封結構進行討論，其中浮動式球閥的密封結構是通過介質壓力來保證球體與閥座之間的密封，上游密封采用碟形彈簧預緊式密封結構。固定式球閥的上游閥座為具有單活塞效應的密封閥座，而下游閥座是具有雙活塞效應的雙密封閥座，這種結構的優(yōu)點是具有自泄壓功能，密封更加可靠。固定式球閥還有一種波紋管式密封結構，幾乎不會產生泄漏，但價格昂貴，成本較高，應用較少。最后一種為軌道式球閥密封補償結構，它是通過傳動裝置促使閥桿向下對球體施加一定的力使其保證密封，還有彈性件來補償變形。這種結構無摩擦啟閉優(yōu)勢，彌補了因溫差對密封壓力造成的影響，密封可靠性得到了大大的提高。針對低溫球閥不同的密封結構，從球閥不同類型的角度進行分析，比較了其密封結構的優(yōu)缺點。密封結構優(yōu)劣影響了閥門的工作性能，在不同的工作場合要考慮不同的密封結構，來保證閥門的正常工作。此外，還分析了其他因素對密封性能的影響，從而得知影響閥門的密封因素有很多種，所以在設計時要進行綜合考量。

針對現(xiàn)有LNG接收站超低溫球閥普遍存在的現(xiàn)象，基于低溫閥門設計準則及低溫球閥密封的基本理論，從密封副質量、密封比壓、流體物理性質及密封副的結構和尺寸等影響超低溫球閥密封的要素進行分析。影響超低溫球閥的密封要素還有良多，諸如低溫球閥球體的剛度及裝配時球心是否和閥座密封面同心等等。密封比壓及密封副的結構和尺寸是影響超低溫球閥密封的重要要素，因此在設計出產低溫球閥時應予以充分正視。