主要研究超低溫截止閥在常溫和低溫工況下，其閥盤主密封的結(jié)構(gòu)與加工工藝，探討閥桿上密封結(jié)構(gòu)和中法蘭密封結(jié)構(gòu)，提出應(yīng)用于超低溫環(huán)境下，截止閥主密封及外密封技術(shù)的思路，并結(jié)合具體加工工藝進(jìn)行可行性研究。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，超低溫截止閥密封技術(shù)方案科學(xué)可靠。

　　超低溫截止閥是應(yīng)用于低溫工況下的截止設(shè)備，一般工況溫度在-100℃以下.低溫工業(yè)在工業(yè)領(lǐng)域中占有重要的地位，以天然氣為例，為了使天然氣更加方便運(yùn)輸，工業(yè)上一般用降溫和壓縮的方法將氣化天然氣轉(zhuǎn)化為液化天然氣(LNG)，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)是-162℃，氣化后體積為液態(tài)時(shí)的600倍[1]。超低溫截止閥作為低溫工業(yè)用的一種主要閥門與重要截止設(shè)備，對(duì)其密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究具有重大的意義.704研究所通過大量的研究試驗(yàn)，針對(duì)-196℃超低溫工況，研制出了可在此溫度環(huán)境中工作的超低溫閥門樣機(jī)(見圖1)。

1、超低溫截止閥對(duì)材料的要求

圖1 超低溫截止閥樣機(jī)

　　在常溫工況下應(yīng)用的閥門，材料選擇的范圍比較廣泛。超低溫截止閥的使用工況在-100℃以下，對(duì)材料的要求較為嚴(yán)格。在工作溫度下，材料不應(yīng)產(chǎn)生低溫脆性破壞，材料的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)穩(wěn)定，以防止材料相變而引起體積變化;采用焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，材料的焊接性能要好，在低溫下焊縫具有較高的可靠性;閥門在低溫工況下頻繁啟閉，其閥瓣、閥桿、閥座等零部件應(yīng)避免卡阻、咬合與擦傷等現(xiàn)象。基于上述要求，低溫截止閥主要零件推薦選用的材料如表1[2]。

2、超低溫截止閥主密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　超低溫截止閥采用閥瓣與閥座接觸的錐面密封結(jié)構(gòu)，密封副設(shè)計(jì)成金屬對(duì)金屬的硬密封形式，閥座設(shè)計(jì)在閥體上，和閥體組成一體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。為保證閥門的可靠密封，在閥瓣和閥體密封面上噴焊硬質(zhì)合金。經(jīng)過低溫試驗(yàn)及涂層力學(xué)性能試驗(yàn)，證明噴涂后硬度增加，低溫環(huán)境耐磨性能良好，促進(jìn)閥門在低溫環(huán)境的可靠密封。經(jīng)過查閱資料和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，我們采用等離子噴焊技術(shù)對(duì)閥體密封面噴焊StelliteNo6合金，對(duì)閥瓣密封面噴焊StelliteNo12合金，厚度≥1mm。經(jīng)過噴焊工藝處理，附著StelliteNo12合金的閥瓣密封面的硬度較附著StelliteNo6合金的閥體密封面的硬度大，有利于截止閥的密封效果。

圖2 主密封結(jié)構(gòu)圖

　　由于超低溫截止閥的使用工況在-100℃以下，閥瓣和閥體在噴焊硬質(zhì)合金后，要進(jìn)行深冷處理.本文設(shè)計(jì)的超低溫截止閥樣機(jī)的閥體與閥瓣粗加工后，浸在-196℃的液氮中保冷2h，然后取出自然處理。另外，閥桿、長頸閥蓋、螺紋緊固件等主要部件在精加工前均進(jìn)行深冷處理。

　　超低溫截止閥的閥桿帶動(dòng)閥瓣通過上下的直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉。在設(shè)計(jì)閥體時(shí)增加了閥瓣的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向功能，在閥體中設(shè)計(jì)圓柱形導(dǎo)向壁，使閥瓣運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，閥門啟閉可靠。同時(shí)，在閥門生產(chǎn)加工過程中，由于閥瓣密封面與閥體密封面均噴焊了Stellite合金，硬度大大提高，密封面的加工及研磨有一定的難度，而主密封面必須要精準(zhǔn)的研磨配合，才能有效密封。導(dǎo)向壁的設(shè)計(jì)使閥瓣與閥體密封面的接觸配合更加均勻，有利于實(shí)現(xiàn)截止閥的可靠密封與加工工藝。

　　根據(jù)超低溫截止閥主密封結(jié)構(gòu)，使用ANSYS軟件對(duì)其密封性能進(jìn)行模擬。超低溫截止閥在低溫狀態(tài)下，通過有限元分析得到的密封比壓，來判斷該閥門的密封性能。

　　幾何建模為了使建立的模型便于有限元分析，實(shí)際模型對(duì)一些不影響結(jié)構(gòu)與性能分析的部分進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，如螺孔、螺栓、墊片等。同時(shí)為防止管路兩端的約束影響到閥體本身，將進(jìn)出口外接管路各加長了0.3m，建立的三維模型如圖3所示。

圖3 密封性能模型

　　有限元建模仿真通過定義閥門的材料性能參數(shù)、邊界條件、載荷條件等內(nèi)容，進(jìn)行仿真計(jì)算，密封面比壓分布如圖4所示。

　　由仿真結(jié)果得到，超低溫截止閥在低溫工況下，其密封面的密封比壓介于必須比壓和許用比壓范圍之內(nèi)，閥門的密封結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)有效密封。

3、超低溫截止閥外密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 密封性能模型

　　超低溫截止閥的外密封包括中法蘭處的密封和長頸閥蓋頂端的密封(即上密封)。外密封結(jié)構(gòu)見圖5與圖6。

圖5 中法蘭密封結(jié)構(gòu)圖

圖6 閥桿密封結(jié)構(gòu)圖

　　超低溫截止閥中法蘭處采用不銹鋼纏繞式墊片實(shí)現(xiàn)密封。按照其密封所必須的比壓計(jì)算出施加于法蘭螺栓的力矩，通過預(yù)緊力達(dá)到可靠的密封。螺栓處加裝碟型彈簧，對(duì)預(yù)緊力和位移進(jìn)行補(bǔ)償。

　　螺紋連接的擰緊力矩計(jì)算用力矩扳手正規(guī)測(cè)定擰緊力矩時(shí)，所需力矩為[3]：

T=K•F0•d(Nm) (1)

　　式中，F(xiàn)0為單個(gè)螺栓的拉應(yīng)力(N);K為擰緊力矩系數(shù)，取0.2;d為螺紋公稱直徑。以螺紋規(guī)格為M16，數(shù)量為6個(gè)為例計(jì)算，可得力矩T=47Nm。由理論計(jì)算，可在閥門裝配過程中，使用力矩扳手對(duì)中法蘭處的螺栓施加47Nm的力矩。

　　經(jīng)過試驗(yàn)，閥門在常溫與低溫時(shí)，中法蘭處密封良好。但是，超低溫截止閥經(jīng)過拆檢，纏繞式墊片可能會(huì)因多次受到法蘭的擠壓而變形，失去密封效果。中法蘭墊片為易損件，應(yīng)備有備件用于拆檢安裝時(shí)的更換。超低溫截止閥閥桿上部采用填料密封+閥桿錐面密封的雙重密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)在閥門完全開啟的狀態(tài)下，金屬硬密封與填料軟密封的雙重效果。閥門啟閉過程中及關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，此處密封由填料單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。

　　閥桿密封處設(shè)計(jì)為錐面(此處設(shè)計(jì)為45°，亦可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)為其他角度)，研磨后，通過外部的驅(qū)動(dòng)力使閥桿的錐面壓緊在長頸閥蓋內(nèi)部的同角度錐面上，實(shí)現(xiàn)密封效果。

　　超低溫截止閥上密封由填料單獨(dú)實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過計(jì)算得出填料壓蓋施加于填料的預(yù)緊力，并在螺栓上加裝碟型彈簧，提供預(yù)緊力和位移的補(bǔ)償，克服由于高低溫變化填料產(chǎn)生的微觀脹縮及密封預(yù)緊力的改變。

　　填料壓蓋螺栓連接的擰緊力矩可參照公式1計(jì)算。以此處兩個(gè)M12的螺栓計(jì)算為例，得力矩T=28Nm。在裝配時(shí)，可使用力矩扳手對(duì)此處的螺栓施加28Nm的力矩。

4、結(jié)語

　　綜上所述，超低溫截止閥的密封技術(shù)在設(shè)計(jì)上是可行的，加工工藝可以實(shí)現(xiàn).目前，704研究所已研制出超低溫截止閥樣機(jī)一臺(tái)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了常溫和超低溫的試驗(yàn)。在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行系列化超低溫閥門的技術(shù)研究，對(duì)低溫工業(yè)及超低溫領(lǐng)域的開發(fā)與探索都具有深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)

　　[1]吳堂榮，唐勇.LNG船用超低溫閥門設(shè)計(jì)研究[J].船舶工程，2010(增刊2)：73-78.

　　[2]JB/T7749-1995.低溫閥門技術(shù)條件[S].1995.

　　[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第四版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

　　[4]陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

　　[5]BS6364.低溫閥門[S].1984.