超低温蝶阀密封机构的有限元分析

2014-11-18 张艳秋哈尔滨工程大学

　　分析了双偏心超低温金属-非金属密封副蝶阀在低温下的应力状态，阀座密封宽度对密封副的结构应力和密封性能均有很大的影响。随着密封宽度的增大，密封副所受接触应力增大，有助于提高其密封性能，但随之也带来了摩擦应力的增大，使密封圈的使用寿命降低。因此，在密封副设计时，应综合考虑这两个因素的影响来优化结构参数。

1、概述

　　随着石油、化工和燃气行业的迅速发展，尤其是液化天然气(LNG) 作为一种新兴能源的广泛应用，使得LNG 用超低温阀门的需求量迅速增加。由于LNG 常压下的温度为- 162℃，且易燃易爆，因此对LNG 超低温阀门的密封性能的要求比普通阀门严格。常温下工作的蝶阀采用金属- 非金属密封副即能实现良好的密封，是由于常温下非金属材料的弹性大，密封所需的比压小。但是，由于非金属材料的膨胀系数较金属材料大得多，使得其低温时的收缩量与金属密封件、阀体等配合件的收缩量相差较大，从而导致密封比压严重降低而使密封性能大大下降。另外，由于大多数非金属材料在深冷温度下会变硬和变脆而失去韧性，从而导致应力松弛。

　　因此目前在设计工作温度低于- 70℃ 的低温阀门时，通常采用金属- 金属密封副。但在低温条件下，金属材料的强度和硬度提高，塑性和韧性降低，导致低温冷脆现象的发生，严重影响到阀门的性能和安全。

　　本文提出了一种具有金属- 非金属密封副的高密封性能双偏心超低温蝶阀，并采用ANSYS有限元分析软件对其密封副进行低温下结构应力分析，优化密封结构参数。

2、结构特性

　　LNG 超低温蝶阀( 图1) 的公称通径为150mm，公称压力为150LB ( 1. 0MPa) 。密封副由阀体、蝶板、阀杆以及设置于阀体内的密封圈、弹簧圈、预紧环、支撑环、挡圈及挡销等组成( 图2) 。

超低温蝶阀的三维模型

图1 超低温蝶阀的三维模型

超低温蝶阀的密封副结构

图2 超低温蝶阀的密封副结构

　　阀体与蝶板通过阀杆连接到一起，阀体与阀杆之间采用间隙配合，阀杆可在阀体内转动。阀杆与蝶板上的两个凸起的内孔采用过盈配合，并用销钉将其固定，以防止两者相对转动。密封圈的截面为U 形，弹簧圈套在密封圈的U 形槽内，并与其根部紧密接触，可使密封圈在弹簧圈的弹力作用下沿径向收缩，保证密封的可靠性，并能保证密封圈磨损后也能在弹力作用下具有很好的密封性。另外，为防止密封圈在超低温条件下变硬变脆，采用耐低温的聚三氟氯乙烯密封材料来保证密封的高可靠性。弹簧圈的外径处由预紧环套住，预紧环采用奥氏体相变终了温度Af较高的高温镍钛基形状记忆合金材料制成，加工时先在奥氏体状态下将其加工到一定直径，然后在深冷条件下( 低于Mf点) 进行扩径变形，使其内径略小于弹簧圈的外径，这样装配时可使弹簧圈产生一定的预变形，增大弹簧圈的弹力，进而提高密封圈的密封压力，保证密封的可靠性。为保证密封圈的安装刚度，在其内的U 形槽内还装有支撑环。密封圈、预紧环和支撑环装入密封圈后由挡圈压装于阀体内部的凹槽内，并通过挡销固装在阀体上。