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超低温蝶阀密封机构分析

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。
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。
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,密封副所受的应力和应变均增大,密封面所受的等效应力和接触应力也增大,
使密封性能提高,但随之也导致了密封面上摩擦应力的增大,使密封圈的使用寿命缩短,
因此,还应采取措施减小摩擦应力,延长密封圈的使用寿命。

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