低溫安全閥密封設計研究

于京平，趙益春，代立民

（北京航天動力研究所，北京100176）

0 引言

低溫安全閥是航天、石油化工、煤化工、空分及多晶硅等行業(yè)的重要設備之一，其可靠性直接影響到大型成套設備的安全和經(jīng)濟運行。低溫安全閥通常用于易燃、易爆及滲透性強等低溫介質(zhì)場合，工作溫度為-200°C左右，工作壓力為10 MPa左右，在空分裝置液氧、液氮冷箱中使用的低溫安全閥長期工作溫度低于-200°C。設計低溫安全閥時，需要注意以下3個問題：即閥門啟閉過程中殘留在中腔的低溫介質(zhì)急速汽化引起的異常升壓問題；非金屬材料低溫環(huán)境下的變形失效問題；金屬材料低溫環(huán)境下的脆化和低溫沖擊問題。

1 低溫安全閥設計要求與密封結構方案

低溫安全閥是一種自動閥門，正常工作時，低溫安全閥應能在長期超低溫環(huán)境下利用自身的彈簧力形成良好的密封。當介質(zhì)超壓時，低溫安全閥將自動開啟并排出額定數(shù)量的流體；當介質(zhì)壓力恢復正常后，低溫安全閥將自行關閉并阻止介質(zhì)泄漏。低溫安全閥設計要求見表1。

表1 低溫安全閥設計要求Tab.1 Design requirements of cryogenic safety valve

低溫安全閥密封分為外密封和內(nèi)密封。外密封和中法蘭墊片密封材料一般選擇熱膨脹系數(shù)低的密封材料，如增強型聚四氟乙烯。外密封設計時，適當增加墊片密封處的密封比壓，即可實現(xiàn)低溫密封效果。內(nèi)密封選擇彈性密封型式，密封塊材質(zhì)選用耐低溫改性聚四氟乙烯。圖1為低溫安全閥典型結構示意圖。圖2為低溫安全閥密封結構示意圖。

圖1 低溫安全閥典型結構示意圖Fig.1 Typical structure of cryogenic safety valve

圖2 低溫安全閥密封結構示意圖Fig.2 Sealing structure of cryogenic safety valve

2 錐面密封結構的數(shù)值仿真

ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電、磁及聲學于一體的大型通用有限元軟件。該軟件功能強大、兼容性好、使用方便、計算速度快，廣泛應用于一般工業(yè)及科學研究領域。在機械結構系統(tǒng)中,主要在于分析機械結構系統(tǒng)受到負載后產(chǎn)生的反應,如位移、應力及變形等,根據(jù)該反應判斷是否符合設計要求。本文利用ANSYS有限元分析方法計算錐面結構強度和密封比壓，ANSYS有限元分析的建模及分析流程框圖見圖3。

圖3 ANSYS有限元分析流程框圖Fig.3 Flow chart for finite element analysis of ANSYS

2.1 物理模型和有限元模型

仿真計算中的物理模型見圖2，其中C為安全閥密封中徑；A為閥座密封面處的錐角；B為密封面處閥座密封面和密封塊密封面的夾角；P為介質(zhì)壓力，根據(jù)API527的要求在做密封試驗時P為整定壓力的90%；F1為作用在反沖盤上的彈簧力，此彈簧力為整定壓力與安全閥密封面積的乘積。密封塊和閥座材料見表2。

表2 密封塊與閥座材料Tab.2 Material of sealing block and valve seat

將改性聚四氟乙烯密封塊材料模型作為與時間無關的各向同性的彈塑性材料來處理。考慮到密封結構是軸對稱的，且反沖盤的流道結構對密封面的受力沒有影響，在仿真計算中，對反沖盤的結構適當簡化，采用二維軸對稱計算模型，建立的錐面密封軸對稱有限元模型見圖4。

圖4 錐面密封的有限元模型Fig.4 Finite element model of cone sealing structure

模型中在密封塊和閥座之間建立了1個接觸對，采用面面接觸單元TARGE169和CONTA172模擬閥座與密封塊之間的接觸。模型中閥座剛度遠遠大于密封塊剛度，閥座被視為剛性材料，可以不考慮其變形。模型中的實體單元均采用PLANE42。

當量Von Mises應力為:

式中:σ1，σ2及σ3為構件受力條件下任意一點的3個主應力；σm為按第四強度理論計算得到的構件受力條件下任一點的當量應力。

根據(jù)ANSYS仿真流程，建立物理模型，劃分網(wǎng)格，創(chuàng)建接觸對，設置邊界條件和載荷后，方可計算密封塊的應力和密封面的接觸應力。仿真結果見圖5。

圖5 最大接觸應力、密封面最大相對比壓和密封塊最大Mises應力隨整定壓力的變化曲線Fig.5 Variation of maximum contact stress,maximum specific pressure on sealing surface and maximum Mises stress with set pressure

2.2 密封面夾角B

國內(nèi)外安全閥以錐面密封作為密封型式的結構中，有些在密封面上設置有夾角B，見圖2；有些沒有夾角B，閥座和密封塊的密封面是平行的。夾角B是否有利于密封目前是學者們正在研究的問題。錐面密封結構的密封性能受截面應力分布、接觸面應力分布和改性聚四氟乙烯材料等因素影響，只有改性聚四氟乙烯材料不失效且密封結構不泄漏，錐面密封結構才是有效和可靠的。錐形密封塊Mises應力分布確定了塑料材料的應力狀態(tài)，過大的應力分布會導致改性聚四氟乙烯材料塑性變形，這種塑性變形對密封不利，通常會引起閥門泄漏。接觸面應力分布確定了最大密封壓應力、平均密封應力和密封面有效寬度，其中密封面有效寬度為密封面實際接觸的寬度，理論上是0但會隨著整定壓力的增加而增加。當最大密封壓應力低于最小比壓值時，錐面密封結構會發(fā)生泄漏而失效。最小比壓值與材料彈性模量、密封表面光潔度、密封面壓差等因素有關。

定義：

式中：σ相對比壓為密封面最大相對比壓；σ最大為密封面最大接觸應力值；Δp為密封面內(nèi)外壓差。

在密封面結構不變和材料不失效的前提下，密封面最大相對比壓越大，密封面越易密封。整定壓力為1 MPa，密封壓力取該值的90%，圖5(a)為設有夾角B和未設有夾角B的2種密封結構中，密封面接觸應力的最大值與整定壓力之間的關系曲線。由圖5(a)可知，設有夾角B的密封結構，在整定壓力較低時，密封面最大接觸壓力隨整定壓力的增加而快速增加，但隨著整定壓力繼續(xù)增加這種變化趨勢卻逐漸緩慢。設有夾角B和未設有夾角B兩種結構的密封中，密封面最大相對比壓隨著整定壓力的變化規(guī)律見圖5(b)。由圖5(b)可知，設有夾角B的密封結構的最大相對比壓明顯比未設有夾角B的密封結構大，這樣有利于閥門在中低壓時獲得良好的密封效果。對于塑料密封的安全閥來說，塑料材質(zhì)比氟橡膠O形圈材質(zhì)硬，低壓工況時，塑料密封結構密封效果是很差的。通過有限元強度分析可知，采用帶有夾角B的錐面密封結構可以有效彌補塑料塊材質(zhì)硬的問題，而且可以取得有效密封結果。

圖5(c)為2種結構密封塊最大Mises應力隨整定壓力的變化曲線。由圖5(c)可知，整定壓力較低時Mises應力增加較明顯，整定壓力較高時Mises應力增加較緩慢。這樣的變化規(guī)律既能確保低壓時閥門的密封性，又能確保在高壓時材料不會失效。

2.3 密封面錐角A

有限元模型仿真時邊界條件為：整定壓力1 MPa，密封壓力0.9 MPa，通過有限元仿真計算，計算結果見表3。

表3 不同錐角的密封面最大接觸應力Tab.3 Maximum contact stress on sealing surfaces with different taper angel

改性聚四氟乙烯 (PTFE)的最大許用應力為22.7 MPa，密封塊最大應力不能大于該值，密封面最大接觸應力值決定著密封面的密封比壓，密封比壓越大密封效果越好。由表3可知，錐角A越小，密封塊最大密封比壓越大。

2.4 密封中徑C

有限元模型仿真時的邊界條件為：整定壓力1 MPa，密封壓力0.9 MPa。通過有限元仿真計算，計算結果見表4。

表4 不同密封中徑的計算結果Tab.4 Calculated results of different seal pitch diameter

由表4可知，密封中徑越大，密封塊最大接觸應力亦越大。為了提高密封性能，在小口徑低壓力閥門設計中，密封面的密封中徑應盡可能取較大設計值。

3 低溫安全閥密封設計規(guī)范

3.1 材料選擇

低溫安全閥不僅要求在常溫條件下能正常工作，而且要求在低溫條件下也能正常工作，所以低溫安全閥使用的材料不僅要滿足常溫機械性能，同時也要求滿足低溫所需要的機械性能，為防止低溫安全閥使用的材料在低溫條件下發(fā)生低應力脆斷，一般選用奧氏體材料。此外，低溫安全閥使用的材料還要求與低溫介質(zhì)相容，即低溫安全閥使用的材料不能與低溫介質(zhì)發(fā)生任何物理化學反應，不能被低溫介質(zhì)腐蝕，與低溫介質(zhì)接觸不會發(fā)生爆炸等，如在液氧介質(zhì)中工作的閥門，某些材料可能會與氧接觸發(fā)生燃燒和爆炸，此時不允許使用碳鋼材料；在低溫介質(zhì)壓力超過2 MPa時，低溫安全閥使用奧氏體不銹鋼，低溫介質(zhì)流速不能太高。

目前低溫安全閥使用較多的金屬材料有：不銹鋼、銅合金、鋁合金及鎳合金等；非金屬材料有：改性聚四氟乙烯和增強聚四氟乙烯等。

3.2 密封結構設計規(guī)范

根據(jù)低溫安全閥工作機理，推導出的低溫安全閥密封面上的作用力計算公式如下：

式中：F彈為密封面上的彈簧力；ps為安全閥整定壓力；C為安全閥密封中徑；F介為介質(zhì)在密封面上的作用力；F密為密封面上的作用力合力。

由公式（5）可知，低溫安全閥密封面上的作用力僅與整定壓力和密封中徑有關，通常低溫安全閥的密封比壓是較小的，當密封面泄漏時不能像通用閥門那樣通過施加外力來提高密封，而只能通過調(diào)整密封結構提高密封面的接觸應力和相對密封比壓σ相對比壓的途徑來實現(xiàn)有效密封。本文采用帶有夾角B的彈性錐面密封結構，見圖2，由有限元分析可知，該密封結構可以提高閥門密封面接觸應力和相對密封比壓σ相對比壓。根據(jù)有限元仿真結果和工程實際經(jīng)驗，應通過優(yōu)化密封面夾角B、密封面錐角A及密封中徑C的取值，使σ相對比壓滿足公式（6），同時密封塊最大Mises應力應小于密封塊材料的許用應力，由此，方可取得良好的密封效果:

4 低溫安全閥密封試驗

按照上述密封結構和密封設計規(guī)范，設計出了一臺入口通徑為DN40、出口通徑為DN50的低溫安全閥密，并進行常溫和低溫密封試驗。

4.1 低溫試驗

低溫試驗滿足TSG ZF001，BS EN 13648和GB/T 29026中的規(guī)定。將低溫安全閥安裝在低溫介質(zhì)的試驗容器的接管上，觀察低溫安全閥整定壓力，及其開啟后和壓力釋放后能否回座及閥門的低溫密封性能。低溫試驗介質(zhì)為液氮，低溫安全閥工作溫度為-196℃，整定壓力為1 MPa，密封壓力為0.9 MPa，試驗結果見表5。

表5 研制樣閥的低溫試驗結果Tab.5 Cryogenic test results of prototype valve

由表5可知，低溫安全閥常溫密封性能滿足表1低溫安全閥設計要求。

4.2 常溫試驗

低溫安全閥常溫密封性能試驗結果見表6。

表6 低溫安全閥常溫密封試驗結果Tab.6 Sealing test results of cryogenic safety valve at normal temperature

由表6可知，低溫安全閥常溫密封性能滿足表1低溫安全閥設計要求。

5 結論

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