低温球阀的密封要素
1 概 述
球阀由于结构简单，安装空间小，并且球阀依靠介质力密封，不受外部驱动力的影响，因而被广泛应用于各工况中。目前，LNG接收站普遍采用超低温球阀，超低温球阀的数量占整个LNG接收站阀门数量的80%，在使用中存在超低温球阀内漏的现象。本文基于低温阀门的设计准则及阀门密封性能的基本理论，对影响超低温球阀密封的要素进行了分析。
2 设计准则
由于工况温度极低，使超低温阀门的设计与制造面临一系列的技术难题，例如，材料的选择、低温密封、结构设计、固溶处理、深冷处理、绝热、质量检测、维修、安全等。为此对于低温阀门的设计有着一系列严格的标准，国际上主要采用标准BS6364《低温阀门》和MSSSP－134《对低温阀门及其阀体/阀盖加长体的要求》，这两个标准较全面地规定了低温阀门设计和制造的要点和规则。标准JB/T7749《低温阀门技术条件》是根据BS6364《低温阀门》转化而成。
在设计低温阀门时，除了应遵循一般阀门的设计原则外，应根据使用的条件，遵循低温阀设计的特殊要求。
①阀门不应成为低温系统的一个显著热源。这是因为热量的流入除降低热效率外，如流入过多，还会使内部流体急速蒸发，产生异常升压，造成危险。
②低温介质不应对手轮操作及填料密封性能产生有害的影响。
③直接与低温介质接触的阀门组合件应具有防爆和防火结构。
④在低温下工作的阀门组合件无法润滑，所以需要采取结构措施以防止摩擦件擦伤。
在低温阀门设计过程中，除了考虑低温阀门的流通能力等一般性要求外，还需要考虑一些其他指标，以便更好地对低温阀门的技术水平进行评价。通常通过衡量能量消耗是否合理对低温阀门的技术水平进行评价。
①低温阀门的绝热性能。
②低温阀门的冷却性能。
③低温阀门启闭密封件的工作性能。
④低温阀门表面不结冰的条件。
低温阀门与通用阀门的工作环境有很大的区别，在低温阀门设计、制造和检验等过程中除了要遵守阀门设计、制造和检验的一般规则外，还应当注意低温阀门所处的环境而进行适当的调整。
3 基本理论
影响阀门密封因素主要有密封副结构、密封面比压、介质的物理性质及密封副的质量等。但只有在真正了解阀门密封原理的情况下，充分考虑各种影响其密封性能的因素，才能防止泄漏和保证密封。
以平面密封为例，研究密封面连接的密封性问题，简单说明密封原理。密封连接原理如图1所示，其中容器充满带有一定压力的液体和气体，并用盖板封住，容器内的介质静压力作用为：FJ=A×P
式中 FJ———介质作用力，N
A———介质作用在盖板上的面积，mm2
P———容器内介质的静压力，MPa
为了使盖板保持图示位置，必须在容器和盖板接触面的垂直方向施加外力F=FJ，这样也仅能保证端面贴合。只有当密封面为理想平面时，介质才不致从结合面间穿过。为了保证接触面的密封性，必须在密封面间产生相互作用力，也就是用力使盖板压紧在容器上。当作用力F＞FJ时，在结合的密封面上会产生一定的比压，依靠比压使平面上已有的平面度产生变形。如果变形是在材料的弹性极限范围内，并产生不大的残余变形时，接触面施加力F时，便可以保证其密封性。除了密封比压，保证连接密封性因素还包括密封副结构等等。但在这一系列的因素中，密封面之间的比压值具有关键作用。
4 密封要素
尽管球阀结构简单，但是由于其为介质压力自密封阀门，加之球体的特殊结构，因此影响球阀最终是否密封的要素很多。
4.1 密封副质量
球阀密封副的质量主要表现为球体的圆度和球体与阀座密封面的表面粗糙度。球体的圆度影响球体与阀座的吻合度。如果吻合度高，则增加流体沿密封面运动的阻力，从而提高密封性。一般要求球体的圆度为9级。
密封面表面光洁度对密封的影响很大。当光洁度低、比压小时，渗漏量增加。而当比压大时，光洁度对渗漏量的影响显著减小，这是因为密封面上的微观锯齿状尖峰被压平了，软密封面的光洁度对密封性能的影响比金属对金属的刚性密封小很多。根据只有当密封副之间的间隙小于流体分子直径时才能保证流体不泄漏的观点，可以认为，防止流体渗漏的间隙必须小于0.003μm。但是，即使经过精细研磨的金属表面凸峰高度仍然超过0.1μm，即比水分子直径还要大30倍。由此可见，只依靠提高密封面光洁度的方法来提高密封性，事实上是难以做到的。密封副质量除了影响密封性外，还直接影响球阀的使用寿命，因此，制造时必须提高密封副质量。
4.2 密封比压
密封比压是指作用于密封面单位面积上的压力。密封比压是由阀前与阀后压力差及外加密封力所产生的。比压的大小直接影响球阀的密封性、可靠性及使用寿命。渗漏量与压力差成反比。试验证明，在其他条件相同的情况下，渗漏量与压差的平方成反比，因此，渗漏量会随着压差的增长而减少。而压差是决定密封比压的重要因素，因此密封比压对于超低温球阀密封性能至关重要。施加在球体上的密封比压也不能过大，过大是有利于密封，但会增加阀门操作转矩，因此合理的选择密封比压，是保证超低温球阀密封的前提。
4.3 流体的物理性质
（1）粘度
流体的渗透能力与其粘度紧密相关。在其他条件相同的情况下，流体粘度越大，其渗透能力越小。气体与液体的粘度相差很大。①气体的粘度比液体的粘度小几十倍，故其渗透能力比液体强。但是饱和蒸汽例外，饱和蒸汽容易保证密封。②压缩气体比液体更容易渗漏。
（2）温度
流体的渗透能力取决于引起粘度改变的温度。气体的粘度随温度的升高而增大，它与气体的温度的开方成正比。液体的粘度则相反，它随温度的升高而急剧减小，它与温度的立方成反比。此外，因温度变化而引起的零件尺寸的改变将造成密封区内密封压力的变化，并能破坏密封。对于低温流体的密封其影响尤为显著。因为与流体接触的密封副通常比受力件的温度更低些，这就引起密封副部件收缩而松弛。在低温状态下，其密封是复杂的，多数密封材料在低温下失效。因此，在选择密封材料时应考虑温度的影响。
（3）表面亲水性
表面亲水性对渗漏的影响是毛细孔特性所引起的，当表面有一层很薄的油膜时，破坏了接触面的亲水性，并且堵塞流体通道，这样就需要较大的压力差才能使流体通过毛细孔。因此有些球阀采用密封脂，以提高密封性和使用寿命。在采用油脂密封时，应注意在使用过程中如油膜减少，应补充油脂。所采用的油脂应不溶于流体介质，也不应该蒸发、硬化或其他化学变化。低温球阀不适合采用密封脂，在超低温工况下，大多的油脂会玻璃化。
4.4 结构尺寸
（1）密封副结构
由于密封副不是绝对刚性的，它在密封力作用下或温度变化等因素的影响下，结构尺寸必然发生变化，这便会改变密封副之间的相互作用力，其结果是密封性能降低。为补偿这种变化，应使密封件具有一定的弹性变形。目前，有些球阀阀座采用具有弹性补偿或金属弹性支撑的结构形式，有的球体还采用弹性球结构。这些都是改善密封性能的一种积极形式。
（2）密封面宽度
密封面的宽度决定毛细孔的长度。当宽度加大时，流体沿毛细孔运动路程成正比增加，而泄漏量则反比地减小。但实际上并非如此，因为密封副的接触面不能全部吻合，当产生变形后，密封面的宽度不能全部有效的起到密封作用。另一方面，密封面宽度的增加，要增大所需要的密封力，因此合理地选择密封面宽度也是比较重要的。
（3）密封圈尺寸
超低温球阀普遍采用PCTFE密封圈，而PCTFE在低温下其线膨胀系数远高于金属，因此在低温下PCTFE密封圈会因收缩而使尺寸变小，其结果是导致与球体的密封比压降低及其与阀座间产生泄漏通道。因此PCTFE密封圈的尺寸也是影响超低温球阀密封的重要因素，设计时需考虑低温下尺寸收缩的影响，工艺上还要采用冷装配工艺。
5 结语
针对现有LNG接收站超低温球阀普遍存在内漏现象，基于低温阀门设计准则及阀门密封的基本理论，从密封副质量、密封比压、流体物理性质及密封副的结构和尺寸等影响超低温球阀密封的要素进行分析。影响超低温球阀的密封要素还有很多，诸如球体的刚度及装配时球心是否和阀座密封面同心等等。密封比压及密封副的结构和尺寸是影响超低温球阀密封的重要要素，设计时必须予以充分考量。