于京平，趙益春，代立民

（北京航天動(dòng)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(shè)備之一，其可靠性直接影響到大型成套設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。低溫安全閥通常用于易燃、易爆及滲透性強(qiáng)等低溫介質(zhì)場(chǎng)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(zhǎng)期工作溫度低于-200°C。設(shè)計(jì)低溫安全閥時(shí)，需要注意以下3個(gè)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?jiǎn)栴}；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(shè)計(jì)要求與密封結(jié)構(gòu)方案

低溫安全閥是一種自動(dòng)閥門，正常工作時(shí)，低溫安全閥應(yīng)能在長(zhǎng)期超低溫環(huán)境下利用自身的彈簧力形成良好的密封。當(dāng)介質(zhì)超壓時(shí)，低溫安全閥將自動(dòng)開啟并排出額定數(shù)量的流體；當(dāng)介質(zhì)壓力恢復(fù)正常后，低溫安全閥將自行關(guān)閉并阻止介質(zhì)泄漏。低溫安全閥設(shè)計(jì)要求見表1。

表1 低溫安全閥設(shè)計(jì)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(qiáng)型聚四氟乙烯。外密封設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)增加墊片密封處的密封比壓，即可實(shí)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(jié)構(gòu)示意圖。圖2為低溫安全閥密封結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 低溫安全閥典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Typical structure of cryogenic safety valve

圖2 低溫安全閥密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sealing structure of cryogenic safety valve

2 錐面密封結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電、磁及聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件。該軟件功能強(qiáng)大、兼容性好、使用方便、計(jì)算速度快，廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)及科學(xué)研究領(lǐng)域。在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中,主要在于分析機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到負(fù)載后產(chǎn)生的反應(yīng),如位移、應(yīng)力及變形等,根據(jù)該反應(yīng)判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。本文利用ANSYS有限元分析方法計(jì)算錐面結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jì)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(yàn)時(shí)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(shí)間無(wú)關(guān)的各向同性的彈塑性材料來(lái)處理。考慮到密封結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱的，且反沖盤的流道結(jié)構(gòu)對(duì)密封面的受力沒有影響，在仿真計(jì)算中，對(duì)反沖盤的結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡(jiǎn)化，采用二維軸對(duì)稱計(jì)算模型，建立的錐面密封軸對(duì)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(gè)接觸對(duì)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)體單元均采用PLANE42。

當(dāng)量Von Mises應(yīng)力為:

式中:σ1，σ2及σ3為構(gòu)件受力條件下任意一點(diǎn)的3個(gè)主應(yīng)力；σm為按第四強(qiáng)度理論計(jì)算得到的構(gòu)件受力條件下任一點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)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(duì)，設(shè)置邊界條件和載荷后，方可計(jì)算密封塊的應(yīng)力和密封面的接觸應(yīng)力。仿真結(jié)果見圖5。

圖5 最大接觸應(yīng)力、密封面最大相對(duì)比壓和密封塊最大Mises應(yīng)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(guó)內(nèi)外安全閥以錐面密封作為密封型式的結(jié)構(gòu)中，有些在密封面上設(shè)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(xué)者們正在研究的問題。錐面密封結(jié)構(gòu)的密封性能受截面應(yīng)力分布、接觸面應(yīng)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(jié)構(gòu)不泄漏，錐面密封結(jié)構(gòu)才是有效和可靠的。錐形密封塊Mises應(yīng)力分布確定了塑料材料的應(yīng)力狀態(tài)，過大的應(yīng)力分布會(huì)導(dǎo)致改性聚四氟乙烯材料塑性變形，這種塑性變形對(duì)密封不利，通常會(huì)引起閥門泄漏。接觸面應(yīng)力分布確定了最大密封壓應(yīng)力、平均密封應(yīng)力和密封面有效寬度，其中密封面有效寬度為密封面實(shí)際接觸的寬度，理論上是0但會(huì)隨著整定壓力的增加而增加。當(dāng)最大密封壓應(yīng)力低于最小比壓值時(shí)，錐面密封結(jié)構(gòu)會(huì)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(guān)。

定義：

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

在密封面結(jié)構(gòu)不變和材料不失效的前提下，密封面最大相對(duì)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(shè)有夾角B和未設(shè)有夾角B的2種密封結(jié)構(gòu)中，密封面接觸應(yīng)力的最大值與整定壓力之間的關(guān)系曲線。由圖5(a)可知，設(shè)有夾角B的密封結(jié)構(gòu)，在整定壓力較低時(shí)，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(shì)卻逐漸緩慢。設(shè)有夾角B和未設(shè)有夾角B兩種結(jié)構(gòu)的密封中，密封面最大相對(duì)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(shè)有夾角B的密封結(jié)構(gòu)的最大相對(duì)比壓明顯比未設(shè)有夾角B的密封結(jié)構(gòu)大，這樣有利于閥門在中低壓時(shí)獲得良好的密封效果。對(duì)于塑料密封的安全閥來(lái)說，塑料材質(zhì)比氟橡膠O形圈材質(zhì)硬，低壓工況時(shí)，塑料密封結(jié)構(gòu)密封效果是很差的。通過有限元強(qiáng)度分析可知，采用帶有夾角B的錐面密封結(jié)構(gòu)可以有效彌補(bǔ)塑料塊材質(zhì)硬的問題，而且可以取得有效密封結(jié)果。

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

2.3 密封面錐角A

有限元模型仿真時(shí)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(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同錐角的密封面最大接觸應(yīng)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(yīng)力為22.7 MPa，密封塊最大應(yīng)力不能大于該值，密封面最大接觸應(yīng)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(shí)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(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同密封中徑的計(jì)算結(jié)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(yīng)力亦越大。為了提高密封性能，在小口徑低壓力閥門設(shè)計(jì)中，密封面的密封中徑應(yīng)盡可能取較大設(shè)計(jì)值。

3 低溫安全閥密封設(shè)計(jì)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(jī)械性能，同時(shí)也要求滿足低溫所需要的機(jī)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(yīng)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(xué)反應(yīng)，不能被低溫介質(zhì)腐蝕，與低溫介質(zhì)接觸不會(huì)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(huì)與氧接觸發(fā)生燃燒和爆炸，此時(shí)不允許使用碳鋼材料；在低溫介質(zhì)壓力超過2 MPa時(shí)，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(qiáng)聚四氟乙烯等。

3.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

根據(jù)低溫安全閥工作機(jī)理，推導(dǎo)出的低溫安全閥密封面上的作用力計(jì)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(guān)，通常低溫安全閥的密封比壓是較小的，當(dāng)密封面泄漏時(shí)不能像通用閥門那樣通過施加外力來(lái)提高密封，而只能通過調(diào)整密封結(jié)構(gòu)提高密封面的接觸應(yīng)力和相對(duì)密封比壓σ相對(duì)比壓的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)有效密封。本文采用帶有夾角B的彈性錐面密封結(jié)構(gòu)，見圖2，由有限元分析可知，該密封結(jié)構(gòu)可以提高閥門密封面接觸應(yīng)力和相對(duì)密封比壓σ相對(duì)比壓。根據(jù)有限元仿真結(jié)果和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)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(duì)比壓滿足公式（6），同時(shí)密封塊最大Mises應(yīng)力應(yīng)小于密封塊材料的許用應(yīng)力，由此，方可取得良好的密封效果:

4 低溫安全閥密封試驗(yàn)

按照上述密封結(jié)構(gòu)和密封設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)出了一臺(tái)入口通徑為DN40、出口通徑為DN50的低溫安全閥密，并進(jìn)行常溫和低溫密封試驗(yàn)。

4.1 低溫試驗(yàn)

低溫試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果見表5。

表5 研制樣閥的低溫試驗(yàn)結(jié)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(shè)計(jì)要求。

4.2 常溫試驗(yàn)

低溫安全閥常溫密封性能試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 低溫安全閥常溫密封試驗(yàn)結(jié)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(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

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