低溫閥門一旦發(fā)生泄漏，后果是無法想象的，要想保證低溫閥門滴水不漏，就需要了解影響低溫閥門密封性能的各種因素。今天我們就密封圈對低溫閥門密封性能的影響進行分析。
1、非金屬密封圈
在常溫下工作的球閥和蝶閥等一般均采用金屬對非金屬材料密封圈。由于非金屬材料的彈性大，獲得密封所需的比壓小，因此密封性好。但是在低溫狀態(tài)下，由于非金屬材料的膨脹系數(shù)較金屬材料大得多，使得其低溫時的收縮量與金屬密封件、閥體等配合件的收縮量相差較大，從而導(dǎo)致密封比壓嚴重降低而產(chǎn)生無法密封的結(jié)果。大多數(shù)非金屬材料在深冷溫度下會變硬和變脆，失去韌性，從而導(dǎo)致冷流和應(yīng)力松弛。如橡膠在溫度低于其玻璃化溫度時，會完全失去彈性，變成玻璃態(tài)，失去其密封性。另外橡膠在LNG介質(zhì)中存在泡脹性，也無法用于LNG閥門。因此目前在設(shè)計低溫閥門時，一般溫度低于-70℃時不再采用非金屬密封副材料，或?qū)⒎墙饘俨牧贤ㄟ^特殊工藝加工成金屬與非金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)型式。
據(jù)國外資料記載，也有部分非金屬材料可以在深冷狀態(tài)下很好的應(yīng)用。在70年代，愛爾蘭合金有限公司的一種新型塑料“slip shod”，是一種超高分子量的聚乙烯，在-269℃溫度仍具有很好的韌性，承受一定沖擊應(yīng)力時不斷裂，而且能保持相當(dāng)?shù)目鼓バ�。法國研制的Mylar型塑料在液氫(-253℃)溫度下仍具有相當(dāng)?shù)膹椥�。前蘇聯(lián)H.T.洛馬寧柯的聚碳酸脂密封座在液氮(-196℃)溫度下進行密封性試驗，數(shù)據(jù)表明聚碳酸脂在低溫下具有良好的密封效果。
2、金屬密封圈
在低溫條件下，金屬材料的強度和硬度提高，塑性和韌性降低，呈現(xiàn)出不同程度的低溫冷脆現(xiàn)象，嚴重影響到閥門的性能和安全。為了防止材料在低溫下的低應(yīng)力脆斷，在設(shè)計低溫閥門時，一般溫度高于 -100℃采用鐵素體不銹鋼材料，而溫度低于 -100℃時，閥體、閥蓋、閥桿、密封座等大多采用具有面心立方晶格的奧氏體不銹鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金等。但因鋁及鋁合金的硬度不高，密封面的耐磨、耐擦傷性能較差，所以在低溫閥門中應(yīng)用極少。一般使用奧氏體不銹鋼材料居多，常用的有0Cr18Ni9、00Cr17Ni12Mo2(304、316L)等，這些材料沒有低溫冷脆臨界溫度，在低溫條件下，仍能保持較高的韌性。
但是，奧氏體不銹鋼作為低溫閥門的金屬密封圈材料也存在著某些不足。因為這類材料的大部分在常溫下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)溫度降低到相變點(MS)以下時，材料中的奧氏體會轉(zhuǎn)變成馬氏體。對于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體，且由于部分碳原子規(guī)則化排列占據(jù)體心立方點陣位置，使晶格沿C軸方向增長，從而體積發(fā)生變化引起內(nèi)部應(yīng)力的增加，使原本經(jīng)研磨后達到密封要求的密封面產(chǎn)生翹曲變形，造成密封失效。
除了低溫相變引起密封面變形失效外，由于零件各部分的溫度差或由于不同材料間物理性能的差異，引起收縮不均，也會產(chǎn)生溫變應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力低于材料的彈性極限時，就會在密封面產(chǎn)生可逆性的彈性扭曲。當(dāng)某一部分的溫變應(yīng)力超過了材料的屈服極限時，零件將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的扭曲變形，同樣會造成密封面的失效，影響密封效果。
針對低溫對金屬密封副的影響，必須采取相應(yīng)的措施，以使金屬密封面的變形最小或密封面的變形對密封性能的影響最小。首先在材料方面盡量選用金相組織穩(wěn)定性較高的材料(如316L但成本較高)。其次對于閥體、閥蓋、閥桿、密封件等奧氏體材料制作的零件必須進行低溫處理，以使材料的馬氏體轉(zhuǎn)變和變形得到充分進行后再進行精加工。低溫處理的溫度應(yīng)低于材料相變溫度(MS)且低于閥門實際工作溫度，處理時間以2～4h為宜，如需要可以進行多次低溫處理或進行適當(dāng)?shù)臅r效處理。除了以上措施，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時也要進行考慮，以降低密封面變形對密封性能的影響，如在進行閘閥、球閥和蝶閥設(shè)計時可以考慮采用彈性密封結(jié)構(gòu)，以使低溫變形得到部分補償。對于低溫截止閥應(yīng)采用錐面密封結(jié)構(gòu)，使低溫變形對密封面的影響較小。
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