1 概  述

球閥由于結(jié)構(gòu)簡單，安裝空間小，并且球閥依靠介質(zhì)力密封，不受外部驅(qū)動(dòng)力的影響，因而被廣泛應(yīng)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(shù)量占整個(gè)LNG接收站閥門數(shù)量的80%，在使用中存在超低溫球閥內(nèi)漏的現(xiàn)象。本文基于低溫閥門的設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(jìn)行了分析。

2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

由于工況溫度極低，使超低溫閥門的設(shè)計(jì)與制造面臨一系列的技術(shù)難題，例如，材料的選擇、低溫密封、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、固溶處理、深冷處理、絕熱、質(zhì)量檢測、維修、安全等。為此對于低溫閥門的設(shè)計(jì)有著一系列嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，國際上主要采用標(biāo)準(zhǔn)BS6364《低溫閥門》和MSSSP－134《對低溫閥門及其閥體/閥蓋加長體的要求》，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)較全面地規(guī)定了低溫閥門設(shè)計(jì)和制造的要點(diǎn)和規(guī)則。標(biāo)準(zhǔn)JB/T7749《低溫閥門技術(shù)條件》是根據(jù)BS6364《低溫閥門》轉(zhuǎn)化而成。

在設(shè)計(jì)低溫閥門時(shí)，除了應(yīng)遵循一般閥門的設(shè)計(jì)原則外，應(yīng)根據(jù)使用的條件，遵循低溫閥設(shè)計(jì)的特殊要求。

①閥門不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個(gè)顯著熱源。這是因?yàn)闊崃康牧魅氤档蜔嵝释猓缌魅脒^多，還會(huì)使內(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險(xiǎn)。

②低溫介質(zhì)不應(yīng)對手輪操作及填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。

③直接與低溫介質(zhì)接觸的閥門組合件應(yīng)具有防爆和防火結(jié)構(gòu)。

④在低溫下工作的閥門組合件無法潤滑，所以需要采取結(jié)構(gòu)措施以防止摩擦件擦傷。

在低溫閥門設(shè)計(jì)過程中，除了考慮低溫閥門的流通能力等一般性要求外，還需要考慮一些其他指標(biāo)，以便更好地對低溫閥門的技術(shù)水平進(jìn)行評價(jià)。通常通過衡量能量消耗是否合理對低溫閥門的技術(shù)水平進(jìn)行評價(jià)。

①低溫閥門的絕熱性能。

②低溫閥門的冷卻性能。

③低溫閥門啟閉密封件的工作性能。

④低溫閥門表面不結(jié)冰的條件。

低溫閥門與通用閥門的工作環(huán)境有很大的區(qū)別，在低溫閥門設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)等過程中除了要遵守閥門設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)的一般規(guī)則外，還應(yīng)當(dāng)注意低溫閥門所處的環(huán)境而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3 基本理論

影響閥門密封因素主要有密封副結(jié)構(gòu)、密封面比壓、介質(zhì)的物理性質(zhì)及密封副的質(zhì)量等。但只有在真正了解閥門密封原理的情況下，充分考慮各種影響其密封性能的因素，才能防止泄漏和保證密封。

以平面密封為例，研究密封面連接的密封性問題，簡單說明密封原理。密封連接原理如圖1所示，其中容器充滿帶有一定壓力的液體和氣體，并用蓋板封住，容器內(nèi)的介質(zhì)靜壓力作用為：FJ=A×P

式中   FJ———介質(zhì)作用力，N

          A———介質(zhì)作用在蓋板上的面積，mm2

          P———容器內(nèi)介質(zhì)的靜壓力，MPa

為了使蓋板保持圖示位置，必須在容器和蓋板接觸面的垂直方向施加外力F=FJ，這樣也僅能保證端面貼合。只有當(dāng)密封面為理想平面時(shí)，介質(zhì)才不致從結(jié)合面間穿過。為了保證接觸面的密封性，必須在密封面間產(chǎn)生相互作用力，也就是用力使蓋板壓緊在容器上。當(dāng)作用力F＞FJ時(shí)，在結(jié)合的密封面上會(huì)產(chǎn)生一定的比壓，依靠比壓使平面上已有的平面度產(chǎn)生變形。如果變形是在材料的彈性極限范圍內(nèi)，并產(chǎn)生不大的殘余變形時(shí)，接觸面施加力F時(shí)，便可以保證其密封性。除了密封比壓，保證連接密封性因素還包括密封副結(jié)構(gòu)等等。但在這一系列的因素中，密封面之間的比壓值具有關(guān)鍵作用。

4 密封要素

盡管球閥結(jié)構(gòu)簡單，但是由于其為介質(zhì)壓力自密封閥門，加之球體的特殊結(jié)構(gòu)，因此影響球閥Z終是否密封的要素很多。

4.1 密封副質(zhì)量

球閥密封副的質(zhì)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(yùn)動(dòng)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(dāng)光潔度低、比壓小時(shí)，滲漏量增加。而當(dāng)比壓大時(shí)，光潔度對滲漏量的影響顯著減小，這是因?yàn)槊芊饷嫔系奈⒂^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很多。根據(jù)只有當(dāng)密封副之間的間隙小于流體分子直徑時(shí)才能保證流體不泄漏的觀點(diǎn)，可以認(rèn)為，防止流體滲漏的間隙必須小于0.003μm。但是，即使經(jīng)過精細(xì)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(shí)上是難以做到的。密封副質(zhì)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(shí)必須提高密封副質(zhì)量。

4.2 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(chǎn)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(yàn)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(huì)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(guān)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(huì)增加閥門操作轉(zhuǎn)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 流體的物理性質(zhì)

（1）粘度

流體的滲透能力與其粘度緊密相關(guān)。在其他條件相同的情況下，流體粘度越大，其滲透能力越小。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，故其滲透能力比液體強(qiáng)。但是飽和蒸汽例外，飽和蒸汽容易保證密封。②壓縮氣體比液體更容易滲漏。

（2）溫度

流體的滲透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(nèi)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?yàn)榕c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(fù)雜的，多數(shù)密封材料在低溫下失效。因此，在選擇密封材料時(shí)應(yīng)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(xì)孔特性所引起的，當(dāng)表面有一層很薄的油膜時(shí)，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(xì)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(shí)，應(yīng)注意在使用過程中如油膜減少，應(yīng)補(bǔ)充油脂。所采用的油脂應(yīng)不溶于流體介質(zhì)，也不應(yīng)該蒸發(fā)、硬化或其他化學(xué)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(huì)玻璃化。

4.4 結(jié)構(gòu)尺寸

（1）密封副結(jié)構(gòu)

由于密封副不是剛性的，它在密封力作用下或溫度變化等因素的影響下，結(jié)構(gòu)尺寸必然發(fā)生變化，這便會(huì)改變密封副之間的相互作用力，其結(jié)果是密封性能降低。為補(bǔ)償這種變化，應(yīng)使密封件具有一定的彈性變形。目前，有些球閥閥座采用具有彈性補(bǔ)償或金屬彈性支撐的結(jié)構(gòu)形式，有的球體還采用彈性球結(jié)構(gòu)。這些都是改善密封性能的一種積極形式。

（2）密封面寬度

密封面的寬度決定毛細(xì)孔的長度。當(dāng)寬度加大時(shí)，流體沿毛細(xì)孔運(yùn)動(dòng)路程成正比增加，而泄漏量則反比地減小。但實(shí)際上并非如此，因?yàn)槊芊飧钡慕佑|面不能全部吻合，當(dāng)產(chǎn)生變形后，密封面的寬度不能全部有效的起到密封作用。另一方面，密封面寬度的增加，要增大所需要的密封力，因此合理地選擇密封面寬度也是比較重要的。

（3）密封圈尺寸

超低溫球閥普遍采用PCTFE密封圈，而PCTFE在低溫下其線膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于金屬，因此在低溫下PCTFE密封圈會(huì)因收縮而使尺寸變小，其結(jié)果是導(dǎo)致與球體的密封比壓降低及其與閥座間產(chǎn)生泄漏通道。因此PCTFE密封圈的尺寸也是影響超低溫球閥密封的重要因素，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮低溫下尺寸收縮的影響，工藝上還要采用冷裝配工藝。