3.1 阀杆填料
由于低温下橡胶材料的缺陷和大多数非金属材料存在的冷脆及严重冷流现象,因此低温阀阀杆与阀体间的密封设计无法采用密封圈的形式,只能采用填料函密封结构和波纹管密封结构。一般波纹管密封多应用于介质不允许微量泄漏和不适宜填料的场合,其单层结构的寿命很短,多层结构的成本高,加工困难,所以一般不采用。
填料函密封结构制造加工简单,维修更换方便,在实际应用中相当普遍。但是填料一般工作温度不能低于-40℃,为了保证填料的密封性能,低温阀门的填料函装置应在接近环境温度的条件下工作。在低温状态下,随着温度的降低填料弹性逐渐消失,防漏性能随之下降。由于介质渗漏造成填料与阀杆处结冰,将会影响阀杆的正常操作,同时也会因阀杆运动而将填料划伤,引起严重泄漏。所以在一般情况下要求低温阀填料在0℃以上温度工作,这就要求设计时通过长颈阀盖结构,使填料函远离低温介质,同时选用具有低温特性的填料。常用填料有聚四氟乙烯、石棉、浸渍聚四氟乙烯石棉绳和柔性石墨等,其中由于石棉无法避免渗透性泄漏,聚四氟乙烯线膨胀系数很大、冷流现象严重,所以一般不采用。柔性石墨是一种优良的密封材料,对气体、液体均不渗透,压缩率大于40%,回弹性大于15%,应力松弛小于5%,较低的紧固压力就可达到密封。它还有自润滑性,用作阀门填料可以有效防止填料与阀杆的磨损,其密封性能明显优于传统的石棉材料,因此是目前最优秀的密封材料之一。
由于填料一般都是非金属材料,其线膨胀系数比金属填料函和阀杆大得多。因此在常温下装配的填料,降到一定温度后,其收缩量大于填料孔和阀杆的收缩量,可能造成预紧压力减小引起泄漏。在设计时可以对填料压盖螺栓采用多组碟形弹簧垫片进行预紧,使填料在低温时的预紧力能得到连续补偿,以保证填料密封效果。
美国Garlock公司生产的低逸散组合式阀杆填料(图1),其端环采用碳纤维编织盘根,密封环采用高纯度菱形纹理石墨带模压成型,通过杯锥状结构和径向扩张特性,使其密封性能大大提高。
图1 Garlock 垫片压缩前后密封效果
阀杆材料的低温变形,对填料的密封性能也会造成一定的影响。因此同阀体、阀盖、密封副材料一样,阀杆也必须进行低温深冷处理后再精加工,以使低温变形最小。另外,由于低温阀杆材料采用的奥氏体不锈钢无法通过热处理来提高表面硬度,使得阀杆与填料接合处比较容易相互擦伤,致使在填料处泄漏。因此对于阀杆表面必须进行镀硬铬或氮化处理,以提高表面硬度。
3.2 中法兰垫片
无论是阀门的中法兰密封还是法兰连接式阀门的外部连接,一般均采用垫片的形式。由于垫片材料在低温下会硬化和降低塑性,因此对应用于低温阀门的垫片要求更高,其必须在常温、低温及温度变化下具有可靠的密封性和复原性,应综合考虑低温对垫片密封性能的影响。
1.螺栓 2.密封垫片 3.法兰
图2 垫片密封结构
根据常用垫片密封形式(图2)可知,随着温度的降低,螺栓长度、密封垫片和法兰的厚度都会收缩变小,为了保证低温下垫片的可靠密封,必须满足
ΔHT3 ΔHT-ΔHT1-ΔH1<>
式中
ΔH1———螺栓装配时的拉伸变形量,mm
ΔH1=σ1/E1H
ΔHT1———在ΔT的温区间螺栓的收缩量,mm
ΔHT1=Hα1ΔT
ΔHT———密封垫片在ΔT温区内的收缩量,mm
ΔHT=hα2ΔT
ΔHT3———上、下法兰在ΔT温区内的收缩量,mm
ΔHT3=(H-h)α3ΔT1
σ1———螺栓预紧力,N/mm
E1———螺栓的弹性模量,N/mm
α1、α2、α3———分别为螺栓、垫片和法兰材料的线膨胀系数,mm/m
H、h———如图2所示,mm
垫片密封从常温到达设计的工作低温时,上下法兰的收缩量与密封垫片的收缩量之和必须小于螺栓的收缩量与螺栓装配时的拉伸变形量之和,这样才能保证密封垫片在工作温度时仍有部分预紧力存在,保持密封能力。
据此,在设计时应从4个方面考虑。①螺栓采用线膨胀系数较大的材料,在低温下有较大的收缩量。②法兰采用线膨胀系数较小的材料,减小ΔHT3。③减小密封垫片的厚度,用线膨胀系数小的材料作密封垫。④增加螺栓的拉伸变形量。
对于低于 -100℃的低温阀门,阀体材料和螺栓材料一般都采用奥氏体不锈钢,其线膨胀系数一致,因此选用合适的垫片材料和增加螺栓拉伸变形量更为重要。理想的低温密封垫材料,在常温下其硬度较低,在低温下的回弹性能好,线膨胀系数小并具有一定的机械强度。在实际应用中一般采用不锈钢带填充石棉或聚四氟乙烯或柔性石墨缠制而成的缠绕式垫片,其中以柔性石墨与不锈钢绕制而成的缠绕式垫片的密封效果最为理想。对于增加螺栓的拉伸变形量,由于受螺栓安装预紧力的限制,增加的余量不多,可考虑通过设置碟形弹簧垫片来进行补偿。