超低溫截止閥結構設計

　　主要研究超低溫截止閥在常溫和低溫工況下，其閥盤主密封的結構與加工工藝，探討閥桿上密封結構和中法蘭密封結構，提出應用于超低溫環(huán)境下，截止閥主密封及外密封技術的思路，并結合具體加工工藝進行可行性研究。通過試驗驗證，超低溫截止閥密封技術方案科學可靠。

　　超低溫截止閥是應用于低溫工況下的截止設備，一般工況溫度在-100℃以下.低溫工業(yè)在工業(yè)領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輸，工業(yè)上一般用降溫和壓縮的方法將氣化天然氣轉化為液化天然氣(LNG)，在標準大氣壓下的沸點是-162℃，氣化后體積為液態(tài)時的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備，對其密封結構的設計與研究具有重大的意義.704研究所通過大量的研究試驗，針對-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(見圖1)。

1、超低溫截止閥對材料的要求

圖1 超低溫截止閥樣機

　　在常溫工況下應用的閥門，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，對材料的要求較為嚴格。在工作溫度下，材料不應產(chǎn)生低溫脆性破壞，材料的組織結構應穩(wěn)定，以防止材料相變而引起體積變化;采用焊接結構時，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、閥座等零部件應避免卡阻、咬合與擦傷等現(xiàn)象�；�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構設計

　　超低溫截止閥采用閥瓣與閥座接觸的錐面密封結構，密封副設計成金屬對金屬的硬密封形式，閥座設計在閥體上，和閥體組成一體結構，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)過低溫試驗及涂層力學性能試驗，證明噴涂后硬度增加，低溫環(huán)境耐磨性能良好，促進閥門在低溫環(huán)境的可靠密封。經(jīng)過查閱資料和實驗應用，我們采用等離子噴焊技術對閥體密封面噴焊StelliteNo6合金，對閥瓣密封面噴焊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 主密封結構圖

　　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，要進行深冷處理.本文設計的超低溫截止閥樣機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行深冷處理。

　　超低溫截止閥的閥桿帶動閥瓣通過上下的直線運動實現(xiàn)閥門的啟閉。在設計閥體時增加了閥瓣的運動導向功能，在閥體中設計圓柱形導向壁，使閥瓣運動平穩(wěn)，閥門啟閉可靠。同時，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的研磨配合，才能有效密封。導向壁的設計使閥瓣與閥體密封面的接觸配合更加均勻，有利于實現(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構，使用ANSYS軟件對其密封性能進行模擬。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，實際模型對一些不影響結構與性能分析的部分進行了一定的簡化，如螺孔、螺栓、墊片等。同時為防止管路兩端的約束影響到閥體本身，將進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，進行仿真計算，密封面比壓分布如圖4所示。

　　由仿真結果得到，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)，閥門的密封結構可以實現(xiàn)有效密封。

3、超低溫截止閥外密封結構設計

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)。外密封結構見圖5與圖6。

圖5 中法蘭密封結構圖

圖6 閥桿密封結構圖

　　超低溫截止閥中法蘭處采用不銹鋼纏繞式墊片實現(xiàn)密封。按照其密封所必須的比壓計算出施加于法蘭螺栓的力矩，通過預緊力達到可靠的密封。螺栓處加裝碟型彈簧，對預緊力和位移進行補償。

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

T=K•F0•d(Nm) (1)

　　式中，F(xiàn)0為單個螺栓的拉應力(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個為例計算，可得力矩T=47Nm。由理論計算，可在閥門裝配過程中，使用力矩扳手對中法蘭處的螺栓施加47Nm的力矩。

　　經(jīng)過試驗，閥門在常溫與低溫時，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，應備有備件用于拆檢安裝時的更換。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構。該結構可實現(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閉狀態(tài)時，此處密封由填料單獨實現(xiàn)。

　　閥桿密封處設計為錐面(此處設計為45°，亦可根據(jù)實際情況設計為其他角度)，研磨后，通過外部的驅(qū)動力使閥桿的錐面壓緊在長頸閥蓋內(nèi)部的同角度錐面上，實現(xiàn)密封效果。

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

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

4、結語

　　綜上所述，超低溫截止閥的密封技術在設計上是可行的，加工工藝可以實現(xiàn).目前，704研究所已研制出超低溫截止閥樣機一臺，并對樣機進行了常溫和超低溫的試驗。在現(xiàn)有成果的基礎上，繼續(xù)進行系列化超低溫閥門的技術研究，對低溫工業(yè)及超低溫領域的開發(fā)與探索都具有深遠的意義。

參考文獻

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

　　[2]JB/T7749-1995.低溫閥門技術條件[S].1995.

　　[3]成大先.機械設計手冊[M].第四版.北京：化學工業(yè)出版社，2002.

　　[4]陸培文.實用閥門設計手冊[M].第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

　　[5]BS6364.低溫閥門[S].1984.