低溫球閥的密封要素

1 概述

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。

2 設計準則

由于工況溫度極低，使超低溫閥門的設計與制造面臨一系列的技術難題，例如，材料的選擇、低溫密封、結構設計、固溶處理、深冷處理、絕熱、質量檢測、維修、安全等。為此對于低溫閥門的設計有著一系列嚴格的標準，國際上主要采用標準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》，這兩個標準較全面地規定了低溫閥門設計和制造的要點和規則。標準JB/T7749《低溫閥門技術條件》是根據BS6364《低溫閥門》轉化而成。

在設計低溫閥門時，除了應遵循一般閥門的設計原則外，應根據使用的條件，遵循低溫閥設計的特殊要求。

①閥門不應成為低溫系統的一個顯著熱源。這是因為熱量的流入除降低熱效率外，如流入過多，還會使內部流體急速蒸發，產生異常升壓，造成危險。

②低溫介質不應對手輪操作及填料密封性能產生有害的影響。

③直接與低溫介質接觸的閥門組合件應具有防爆和防火結構。

④在低溫下工作的閥門組合件無法潤滑，所以需要采取結構措施以防止摩擦件擦傷。

在低溫閥門設計過程中，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，以便更好地對低溫閥門的技術水平進行評價。通常通過衡量能量消耗是否合理對低溫閥門的技術水平進行評價。

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低溫閥門表面不結冰的條件。

低溫閥門與通用閥門的工作環境有很大的區別，在低溫閥門設計、制造和檢驗等過程中除了要遵守閥門設計、制造和檢驗的一般規則外，還應當注意低溫閥門所處的環境而進行適當的調整。

3 基本理論

影響閥門密封因素主要有密封副結構、密封面比壓、介質的物理性質及密封副的質量等。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，容器內的介質靜壓力作用為：FJ=A×P

式中   FJ———介質作用力，N

          A———介質作用在蓋板上的面積，mm2

          P———容器內介質的靜壓力，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。只有當密封面為理想平面時，介質才不致從結合面間穿過。為了保證接觸面的密封性，必須在密封面間產生相互作用力，也就是用力使蓋板壓緊在容器上。當作用力F＞FJ時，在結合的密封面上會產生一定的比壓，依靠比壓使平面上已有的平面度產生變形。如果變形是在材料的彈性極限范圍內，并產生不大的殘余變形時，接觸面施加力F時，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構等等。但在這一系列的因素中，密封面之間的比壓值具有關鍵作用。

4 密封要素

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很多。

4.1 密封副質量

球閥密封副的質量主要表現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很多。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 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 流體的物理性質

（1）粘度

流體的滲透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。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、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。

4.4 結構尺寸

（1）密封副結構

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，結構尺寸必然發生變化，這便會改變密封副之間的相互作用力，其結果是密封性能降低。為補償這種變化，應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償或金屬彈性支撐的結構形式，有的球體還采用彈性球結構。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孔的長度。當寬度加大時，流體沿毛細孔運動路程成正比增加，而泄漏量則反比地減小。但實際上并非如此，因為密封副的接觸面不能全部吻合，當產生變形后，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遠高于金屬，因此在低溫下PCTFE密封圈會因收縮而使尺寸變小，其結果是導致與球體的密封比壓降低及其與閥座間產生泄漏通道。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，設計時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。

5 結語

針對現有LNG接收站超低溫球閥普遍存在內漏現象，基于低溫閥門設計準則及閥門密封的基本理論，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很多，諸如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，設計時必須予以充分考量。