低温阀用聚三氟氯乙烯密封垫片的低温性能研究

超低温工况下的阀门密封性研究摘要：本论文研究了超低温工况下阀门的密封性能。

超低温环境对阀门密封性能提出了更高的要求，因为低温会导致材料收缩、硬化和变脆，从而增加了泄漏的风险。

本研究通过实验和数值模拟相结合的方法，对不同材料、结构和密封方式的阀门进行了测试和分析。

结果显示，在超低温环境下，采用特殊材料和密封结构可以显著提高阀门的密封性能。

此外，优化密封间隙和使用低温密封剂也可以有效减少泄漏。

本研究对超低温工况下阀门的密封性能提供了重要参考，有助于提高阀门在低温工况下的可靠性和安全性。

关键词：超低温；阀门密封性；数值模拟引言本论文旨在研究材料老化对物体性能的影响。

随着时间的推移，材料会受到环境因素和使用条件的影响，导致性能的逐渐下降。

了解材料老化的机理和特征对于延长材料寿命、提高产品可靠性至关重要。

本文将回顾老化过程中的不同机制，包括化学反应、疲劳损伤和热氧化等。

此外，还将介绍常见的老化测试方法和评估指标。

通过深入研究材料老化的影响，我们可以为设计更耐久、可靠的材料和产品提供指导和建议。

1.超低温工况下阀门密封性能的影响因素1.1超低温环境对材料性质的影响超低温环境对材料性质有着显著的影响。

低温会导致材料的收缩和变形，由于分子振动减小，材料的线膨胀系数降低，使得材料变得更加脆弱。

低温会导致材料的硬化，使得材料的强度和韧性降低，容易发生断裂和破损。

低温还会影响材料的导电性、导热性和摩擦性能，从而影响材料的功能和应用。

在超低温环境下，材料的抗拉强度、冲击韧性和耐蚀性都会受到较大挑战。

因此，在超低温工况下选择合适的材料非常重要，以确保材料的性能稳定性和可靠性。

1.2超低温环境对阀门结构的影响超低温环境对阀门结构有着重要的影响。

低温会导致阀门材料的收缩和变形，可能导致密封面间隙增大，从而增加泄漏的风险。

低温环境下材料的脆性增加，使得阀门零部件容易发生断裂和破损。

低温还会影响阀门的润滑性能，使得阀门操作不灵活或卡阻。

超低温球阀的结构设计特点及安装要求摘要：石油化工产业化的不断发展，使得液化天然气也获得了较好的发展前景，进而也对超低温阀门的需求量及工艺技术出了越来越高的要求。

对此，面对市场环境的变化，为满足液化天然气应用需求，根据超低温球阀结构的设计要点，如阀盖、密封部件、泄压部件等，再超低温球阀经过低温试验等工序，才能符合工业化生产要求。

关键词：超低温球阀；结构设计；安装要求；引言：球阀开关阀门外形是带有一个圆形通道的球体，通道和球体间的中轴线呈现出环绕垂直的结构，进而实现对介质流量和通道开关控制。

一般情况下，球阀开关阀门是固定的，有外力作用也不会发生移动。

球阀结构的组成部分主要有阀杆、支架、阀盖、阀体、滴水板和驱动装置等元件，超低温球阀的结构设计在经过一体式、二片式、三片式的结果优化设计过程后，促使球阀漏点有所降低。

1.超低温球阀概述石油化工的生产线上，输送介质的温度不同对球阀的定义也不同。

一般情况下，当输送介质的温度小于－40℃则定义为低温球阀；当输送介质的温度低于－40℃且低于－101℃则定义为超低温球阀。

其中，空分生产装置中常常会应用到超低温球阀，另外在含有液化天然气、液化石油气等介质的产品中也有应用。

液态低温介质保存、运输或使用的最大危险则是易燃易爆，若闪蒸或升温则容易出现气化现象，当低温或超低温介质发生气化，则短时间内膨胀。

若在运输过程中，液态低温介质的阀门存在密封阀腔不严密、结构设计有问题等情况，阀腔内的压力过高，甚至会使得阀门开裂引发严重的安全事故[1]。

2.超低温球阀结构设计特点2.1阀盖结构设计优化设计超低温球阀阀盖，应注意腔内的流体温度。

根据球阀自身的结构功能，可应用加长阀盖，保证填料装置、低温区、阀门控制装置之前的距离。

但是应该注意的是，阀门填料温度控制较为严格，温度降低，但是要避免霜冻对填料的影响。

除此之外，超低温球阀结构设计中，不仅要保障球阀阀盖等部件能正常启用，且应避免操作球阀、低温介质环境下，工作人员发生冷灼伤意外。

聚三氟氯乙烯的结构与性能摘要：含氟高分子聚合物，即具有传统高分子材料的特点，如成本低、加工性能好、结构稳定性好等特点，又具有很好的耐候性、防水性、抗污性等含氟材料的优异特性。

这类特殊的高分子聚合物在很多领域得到了广泛的应用，比如：工业建筑，石油化学和汽车工业，航空航天工业，化学工程，光学，纺织物品的处理，文物石碑的处理和微电子学等。

因此，研究和开发这类特殊的高分子聚合物是非常有必要的。

聚三氟氯乙烯(PCTFE)就是此类高分子材料的典型代表，本文就聚三氟氯乙烯的结构以及性能做简要介绍。

1关键字：聚三氟氯乙烯；氯乙烯共聚物；高分子聚合物；结构；性能1引言聚三氟氯乙烯(PCTFE)具有良好的化学稳定性、一定的耐温性、不吸湿、难燃、耐辐照等性能。

其骨架链的氯原子不仅使聚合物呈现一定的极性，而且使聚合物具有良好的特性：流动性、透明度和硬度等特征。

硬度、刚性、耐蠕变性良好，渗透性及熔点、融熔黏度都较低。

PCTFE具有良好的化学惰性，耐化学腐蚀性和耐热性，机械强度高、韧性大，光学性能与介电性能优异。

因此，聚三氟氯乙烯的应用领域是非常广泛的：主要应用于电子、电气、耐低温器件、医用、化工等领域。

耐腐蚀电子电器绝缘组件、精密电子仪器封装膜；液氧和液氮贮罐的密封件、气门嘴、球形容器组件；各类耐化学腐蚀的泵、阀门、管道、板材、涂层、衬垫、垫圈等；医用方面作医疗器的封装膜和药品的封装膜；耐磨、耐腐蚀机械制件；运载火箭液态燃料管道和密封件，航天航空电子仪器封装膜和发光器件保护层，液氧及液态燃料密封件和开关、分离铀235的腐蚀气体隔离膜，核能锅炉的软质阀片，紫外线杀茵医疗器材，光学仪器和耐腐蚀流量计等方面。

22结构聚三氟氯乙烯(PCTFE)是三氟氯乙烯的均聚物，具有在主碳链周围含有氟原子与氯原子的结构。

其化学结构通式：分子结构中的F原子使聚合物具有化学惰性，一定的耐温性，不吸湿性和不透气性。

分子结构中的Cl原子则使聚合物具有良好的加工流动性、透明性及硬度特性。

———————————————作者简介：王昌尧（1983—），男，硕士，工程师，主要从事含氟聚合物合成及性能的研究工作。

具有较优低温弹性的三元氟橡胶的制备及性能测试王昌尧钱厚琴吴玉勋（江苏梅兰化工有限公司，江苏泰州225300）摘要：介绍了一种具有较优低温弹性的三元氟橡胶的制备方法，并对这种三元氟橡胶的性能进行了测试，结果表明：其具有较佳的低温弹性、耐燃料油性能和耐热性，以及较好的加工性能。

关键词：低温弹性；三元氟橡胶；性能测试0前言氟橡胶是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子的一种合成高分子弹性体。

氟原子的引入，赋予氟橡胶优异的耐热性、抗氧化性、耐油性、耐腐蚀性和耐大气老化性等［1］。

基于氟橡胶的优异性能，使其在航空航天、科学技术、汽车、化工、轻工、冶金、机械、石油开采、造船、环境保护等领域有着无可替代的应用［2－3］。

氟碳类氟橡胶的耐低温性能较天然胶差，这是由于分子链段因氟原子的存在而使旋转能增加所引起的，能保持低弹性的下限温度一般为－20 －15ħ，二元胶的玻璃化温度约为－17ħ，普通三元氟橡胶的玻璃化温度只有－12ħ［4］。

介绍了一种特殊种类的三元氟橡胶，其既具有突出的耐高温性能、优良的化学稳定性及良好的物理机械性能，又具有较优的低温弹性。

1耐低温三元氟橡胶的制备向100L 聚合釜中加入70L 无离子水，140mL 自配微乳表面活性剂，以及pH 调节剂和链转移剂；经氮气置换和抽真空处理，使釜内氧含量≤20ˑ10－6；向釜内加入纯六氟丙烯气体，使釜压至1．2MPa ；继续加入质量比为10ʒ65ʒ25的四氟乙烯、偏氟乙烯、六氟丙烯混合单体，至釜压为2．0MPa ；搅拌、升温至92ħ，加入24g 过硫酸钾引发剂开始反应，反应过程中连续补加上述配比的单体混合物，保持聚合釜压力在2．0MPa ；当反应一定量后停止反应，冷却后对未反应的混合单体进行回收；聚合所得乳胶经凝聚，洗涤，干燥脱水后可得具有较优低温弹性的三元氟橡生胶产品。

Journal of Mechanical Strength2023,45(5):1166-1173DOI :10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.021∗20211122收到初稿,20220302收到修改稿㊂∗∗张希恒,男,1966年生,甘肃兰州人,汉族,兰州理工大学副教授,硕士研究生导师,主要研究方向为阀门设计与密封技术,管道工程等㊂∗∗∗鱼荣芳,女,1997年生,甘肃天水人,汉族,兰州理工大学硕士研究生,主要研究方向为阀门设计与密封技术㊂基于响应面法的超低温球阀PCTFE 阀座结构优化设计分析∗OPTIMAL DESIGN ANALYSIS OF PCTFE SEAT STRUCTURE OFULTRA-LOW TEMPERATURE BALL VALVE BASEDON RESPONSE SURFACE METHOD张希恒∗∗1㊀鱼荣芳∗∗∗1㊀张㊀弛1㊀周㊀义2㊀孙帅军2(1.兰州理工大学石油化工学院,兰州730050)(2.博雷(中国)控制系统有限公司,杭州311231)ZHANG XiHeng 1㊀YU RongFang 1㊀ZHANG Chi 1㊀ZHOU Yi 2㊀SUN ShuaiJun 2(1.School of Petrochemical Engineering ,Lanzhou University of Technology ,Lanzhou 730050,China )(2.Bray (China )Control System Co.,Ltd.,Hangzhou 311231,China )摘要㊀为优化超低温下软密封球阀阀座的结构强度,提出以最大等效应力为优化目标,将响应面法与遗传算法相结合的设计方法㊂研究低温球阀阀座的材料 聚三氟氯乙烯(Polytrifluorochloroe-thylene,PCTFE)在不同工况下的应力-应变关系,得出抗拉强度是判断PCTFE 强度的唯一重要依据㊂采用中心组合设计方法,建立应力关于结构参数的响应面模型,分析参数间的交互效应㊂基于响应面结合遗传算法得出阀座的最佳结构参数组合㊂研究结果表明,阀座最大等效应力随着阀座厚度㊁阀座密封面内外径的增大均有减小趋势,阀座密封面的内径对最大等效应力的影响最显著㊂关键词㊀聚三氟氯乙烯(PCTFE )㊀参数优化㊀响应面法㊀遗传算法中图分类号㊀TH145㊀㊀Abstract ㊀To optimize the structural strength of the soft-sealing ball valve seat at ultra-low temperature,a design methodcombining response surface method and genetic algorithm was proposed,which took the maximum equivalent stress as theoptimization objective.The stress-strain relationship of PCTFE,the material of low-temperature ball valve seat,under different working conditions was studied,and the tensile strength is the only important basis to judge the strength of PCTFE.The central combination design method was adopted,established the response surface model of stress on structural parameters,analyzed theinteraction between parameters.The optimal structural parameters of valve seat were obtained based on response face combinedwith genetic algorithm.The results show that the maximum equivalent stress of valve seat decreases with the increase of valve seat thickness and inner and outer diameter of valve seat sealing face.The inner diameter of sealing face of valve seat has the most significant effect on the maximum equivalent stress.Key words㊀PCTFE ;Parameter optimization ;Response surface method ;Genetic algorithmCorresponding author :ZHANG XiHeng ,E-mail :zhangxhdm @ ;Tel :+86-931-7823095,Fax :+86-931-7823001Manuscript received 20211122,in revised form 20220302.0㊀引言㊀㊀球阀具有流体阻力小,寿命长,可靠性高,密封性好等特点[1]㊂在实际工作环境中,如果球阀或密封组件的强度不够,在高压条件下,很容易发生介质泄漏甚至引起失火㊁管路爆炸等㊂因此,分析球阀组件结构的安全性具有极其重要的作用㊂金属与非金属材料组成的密封副称为软密封[2],非金属材料聚三氟氯乙烯(Polytrifluorochloroethylene,PCTFE)在超低温下不发生脆断和蠕变,具有低的水-气渗透率,因此超低温球阀的阀座均采用PCTFE 等弹性材料制成㊂丁浩亮等[3]通过不同的降温方式探究了压制成型工艺对PCTFE 球阀阀座密封环密封性能的影响,其结果是在模压成型的降温时期开始保压操作,对提高PCTFE 材料的断裂伸长率,改善材料的延展性有利㊂张希恒等[4]研究了以PCTFE 为材料的垫片在超低温阀门中的使用情况,以及在超低温下PCTFE 材料的特性,通过测试样品的压缩率㊁回弹率㊀第45卷第5期张希恒等:基于响应面法的超低温球阀PCTFE 阀座结构优化设计分析1167㊀㊀等说明PCTFE 在低温下具有较好的密封特性㊂目前,多数研究者注重研究阀座材料的力学性能,而对阀座密封结构的研究较少㊂本文以超低温浮动球阀阀座作为研究对象进行结构优化,阀座材料为PCTFE,综合考虑各个设计变量对阀座静力学特性的影响,对其阀座的主要结构尺寸进行方差分析㊁交互效应分析和响应曲面分析,通过回归模型的建立㊁响应面方程的分析及遗传算法优化,设计浮动球阀阀座结构尺寸㊂1㊀PCTFE 应力-应变分析㊀㊀选取阀座材料是否可以达到密封要求,通常由阀座应力与密封必需应力间的关系来判断,结合超低温球阀的使用工况,取六种工况对PCTFE 做低温下机械性能测试[5]44-48㊂不同温度下阀座应力-应变如表1所示㊂表1㊀PCTFE 不同温度下的应力-应变Tab.1㊀Strain-stress of PCTFE at different temperatures温度Temperature T /ħ变量Variable /mm 应变Strain ε应力Stress σ/MPa250.4360.404246.07-290.5040.389278.42-500.5010.353272.76-1100.4190.273231.65-1620.3870.250223.56-1800.4060.243221.00如图1所示,od 段是弹性阶段,且可近似地看作直线,故应力与应变在此段呈线性比例关系,材料符合虎克定律;de 段是强化阶段,曲线到e 点前,试件的变形均匀发生㊂曲线到e 点,变形明显上升,有效横截面迅速降低,出现缩颈现象,因此eg 段为缩颈断裂[6]阶段㊂通过实验,材料PCTFE 并没有出现屈服,因此抗拉强度是判断PCTFE 材料强度的唯一重要依据㊂图1㊀PCTFE 低温下的应力-应变曲线Fig.1㊀Stress-strain curve of PCTFE表2㊀材料物性参数Tab.2㊀Material property parameters构件Member 材料Material 弹性模量Elastic modulus E /MPa泊松比Poissonᶄs ratio μ抗拉强度Tensile strength σb /MPa阀座Valve seatPCTFE71200.4634.52㊀浮动球阀阀座有限元分析2.1㊀边界条件㊀㊀阀座材料性质如表2所示[5]44-48㊂施加约束和载荷分析如下㊂1)受力分析㊂图2为超低温浮动球阀后阀座受力[7]简图,阀座密封面上密封力为Q =Q MJ -Q J +Q 1-Q 2(1)式中,Q MJ 为流体压力在阀座密封面上的力;Q J 为球阀与阀座密封结构间隙力;Q 1为碟簧对阀座的弹簧力;Q 2为滑动摩擦力㊂由图2可知,密封面的比压计算为29.22MPa㊂图2㊀阀座受力图Fig.2㊀Valve seat force diagram2)有限元模型载荷施加如图3所示㊂图3㊀阀座载荷施加图Fig.3㊀Valve seat load application diagram2.2㊀有限元应力分析结果㊀㊀基于Ansys Workbench 有限元[8]仿真,对超低温浮动球阀阀座应力仿真分析,阀座载荷施加如图3所示,应力分布云图如图4所示㊂由图1可知,PCTFE 材料的强度收敛判定仅依赖于抗拉强度的大小,而非金属材料的构件,设计安全系数[9]在2~5基准范围内选择,本文选取安全系数为3㊂由表2可知,PCTFE 的抗拉强度为34.5MPa,则PCTFE 低温时的许用应力[σ]=σb /n =11.5MPa,由图4可知,阀座最大等效应力为24.379MPa,分布在㊀1168㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀图4㊀阀座应力分布图Fig.4㊀Nephogram of valve seat stress distribution浮动球阀与阀座的密封面边缘处㊂阀座最大等效应力超过许用应力,阀座强度不满足要求,需对阀座结构进行优化设计㊂3㊀浮动球阀阀座结构优化3.1㊀三维参数化建模㊀㊀利用Solidworks软件对阀座结构参数化建模㊂通过添加Solidworks方程式[10]来建立阀座结构尺寸之间的关系如表3所示㊂表3㊀阀座尺寸参数化Tab.3㊀Valve seat size parameterization名称Name 数值Values估算EstimateDS-D5@草图1㊀DS-D5@sketch1/mm1111D12@草图1㊀㊀D12@sketch1/mm22D13@草图1㊀㊀D13@sketch1/mm156156D14@草图1㊀㊀D14@sketch1/mm142.3142.3 DS-D1@草图1㊀DS-D1@sketch1/mm128128D4@草图1㊀㊀D4@sketch1/mm119119 DS-D10@草图1㊀DS-D10@sketch1/mm101101 DS-D11@草图1㊀DS-D11@sketch1/mm109109D6@草图1㊀㊀D6@sketch1/(ʎ)4040D7@草图1㊀㊀D7@sketch1/mm 2.5 2.5D3@草图1㊀㊀D3@sketch1/(ʎ)1515 DS-D16@草图1㊀DS-D16@sketch1/mm12D2@草图1㊀㊀㊀D2@sketch1/mm120.5120.5 D1@旋转1㊀㊀D1@rotation1/(ʎ)360360D17@草图1㊀D17@sketch1/mm33 DS-D8@草图1㊀DS-D8@sketch1/mm104.1104.1 3.2㊀结构优化数学模型㊀㊀1)设计变量㊂选取影响浮动球阀阀座工作性能及外形尺寸的密封面的内㊁外径,阀座的外径㊁内径㊁厚度㊁密封圈半径和阀座材料密度等参数作为设计变量X㊂设计变量如表4所示,其中,P1㊁P2㊁P3㊁P4㊁P5㊁P6㊁P9都是输入变量㊂表4㊀优化前阀座主要设计变量Tab.4㊀Main design variables of the valve seat before optimization 编号Number设计变量Design variable数值Value/mm P1阀座厚度Thickness t/mm11P2阀座外径Outer diameter d3/mm128P3阀座密封面内径Inner diameter of sealing face d1/mm101P4阀座内径Inner diameter d4/mm109P5密封圈半径Sealing ring radius r/mm2P6阀座密封面外径Outer diameter of sealing face d2/mm104.15P9阀座材料密度Densityρ/(kg/m3)2200优化问题设计参数=x1x2x3x4x5x6x7ìîíïïïïïïïïïïïïüþýïïïïïïïïïïïï=d1td2d3d4rρìîíïïïïïïïïïïüþýïïïïïïïïïï(2)2)约束条件㊂S-[σ]ɤ0x lɤx iɤx u{(3)式中,[σ]为阀座在超低温下的许用应力;S为阀座在超低温下的最大等效应力;x l为设计变量的下限值,x u为设计变量的上限值,具体取值为95.5ɤx1ɤ106.59.2ɤx2ɤ12.8101.15ɤx3ɤ109.15126.5ɤx4ɤ129.5107.5ɤx5ɤ110.51.5ɤx6ɤ3.52210ɤx7ɤ2230ìîíïïïïïïïïïïï(4)㊀㊀3)目标函数㊂优化目标为超低温下阀座最大等效应力,优化方向[11]是使应力最小化:min f1(x)=y(x1,x2, ,x7)(5)式中,y为阀座的最大等效应力㊂3.3㊀响应曲面设计3.3.1㊀敏感性分析㊀㊀选取了浮动球阀阀座的7个优化参数和1个优化目标㊂由于选取的参数化变量过多,因此需要对优化参数关于优化目标进行敏感性[12]筛选㊂选择斯皮尔曼法生成100组设计点分别迭代计算,得到各变量敏㊀第45卷第5期张希恒等:基于响应面法的超低温球阀PCTFE 阀座结构优化设计分析1169㊀㊀感性柱状图如图5所示㊂由图5可知,对于优化目标P 7最大等效应力来说,P 1㊁P 3和P 6表现得最为敏感;P 6与优化目标呈现正相关分布,P 1㊁P 3与优化目标呈现负相关分布㊂由于优化参数与阀座等效应力呈复杂的非线性关系,本文采用响应面法[13]进行优化设计㊂图5㊀敏感性分析图Fig.5㊀Sensitivity analysis graph3.3.2㊀实验设计㊀㊀1)多因素复合的影响㊂经过敏感性分析得浮动球阀阀座的厚度,密封面内外径为影响阀座最大等效应力的主要因素,在确定各因素合理的取值范围后,用Design-Expert 12.0软件,采用中心复合设计(CentralComposite Design,CCD)方法[14]进行三因素三水平的响应面优化设计,等效应力的影响因素即为响应因素㊂各因素水平取值如表5所示㊂基于Ansys 平台对各响应值计算,分析方案与结果如表6所示㊂表5㊀因素水平Tab.5㊀Factor level水平Level 密封面内径Inner diameter of sealing faceA /mm阀座厚度Thickness B /mm 密封面外径Outer diameter of sealing faceC /mm12395.5101106.59.21112.8101.15104.15109.153)显著性分析㊂表7为阀座最大等效应力Y 的方差分析表[15]65-69㊂其中,在一次项中根据影响最大等效应力的权重大小来排序是A >C >B ,即对等效应力影响最大的因素是阀座密封面的内径,在二次项中根据影响最大等效应力的权重大小来排序是BC >AC >AB ㊂均方差等于变量对应的平方和与变量对应的自由度之比,而失拟度F 值等于变量对应的均方差与误差之比,表7中,阀座拥有较大的失拟度F 值,表明回归模型有很好的显著性㊂P 值表示失拟度F 出现更大数值的概率,P 值越小代表模型对响应值的影响越显著,阀座有较小的P 值,表明该模型显著性较好㊂校正决定系数R 22与决定系数R 21则分别表示模型对响应值的解释覆盖率㊁拟合程度[15]65-69㊂表6㊀试验设计方案及结果Tab.6㊀Experimental design scheme and results试验号Test number密封面内径Inner diameter of sealing face A /mm 阀座厚度ThicknessB /mm密封面外径Outer diameterof sealing faceC /mm应力Stress S /MPa1103.9311.8106.2516.1442106.8512.8104.0013.4753103.9311.8106.2515.4724103.9311.8106.2513.8165103.9311.8106.2516.1116101.0011.8106.2519.7327101.0010.8104.0017.3658106.8511.8106.2512.3009101.0010.8108.5024.89910103.9311.8108.5014.40511103.9312.8106.2516.71312106.8510.8104.0011.73413103.9311.8106.2516.73214103.9310.8106.2514.84115103.9311.8106.2515.56316103.9311.8104.0014.72617106.8510.8108.5011.13118106.8512.8108.509.996219101.0012.8104.0019.31120101.0012.8108.5018.644经计算分析,决定系数R 21值为0.9761,说明模型的拟合情况较好;校正决定系数R 22值为0.9420,说明只有5.8%的响应值的变化不能用该模型来解释;信噪比ζ越大代表模型的分辨能力越好;信噪比ζ为17.67,模型的分辨能力良好㊂图6㊀残差的正态概率分布Fig.6㊀Normal probability distribution of residuals图6所示为拟合模型的学生化残差,由正态概率图[16]可以看出,外部学生化残差与累计概率分配函数值呈直线关系,表明该模型的拟合效果较好㊂图7所示为最大等效应力预测值与真实值的对比情况㊂由图7可知,预测值与真实值非常接近,说明使用上述响应面模型能够准确预测阀座应力值,同时说明试验数据比较可靠㊂图8所示为用响应面法得到的阀座最大等效应力目标函数收敛情况㊂由图8可知,用响应面法㊀1170㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀㊀㊀㊀表7㊀回归拟合分析方差分析表Tab.7㊀Variance analysis of regression fitting analysis来源Source平方和Sum of square均方差Mean square errorF 值F valueP 值P value影响力Influence模型Modal207.6223.0718.04<0.0001显著项Significant A 170.69170.69133.46<0.0001显著项SignificantB 0.33520.33520.26210.6198非显著项Not significantC 0.60720.60720.47480.5065非显著项Not significant AB 3.02 3.02 2.360.1554非显著项Not significantAC 14.9814.9811.720.0065显著项Significant BC 15.3415.3411.990.0061显著项SignificantA21.15 1.150.89590.3662非显著项Not significant B 20.45440.45440.35530.5644非显著项Not significant C 2 1.781.781.390.2652非显著项Not significant进行迭代时,20次以内就能收敛,且收敛速度较快㊂3.3.3㊀响应曲面分析㊀㊀根据中心组合试验设计㊁不同模型的方差分析㊁失拟检验结果及各模型的综合统计分析,确定阀座等效应力的响应面方程[17]为二阶模型能更好地拟合试验数据,并能更好反映出阀座最大等效应力与各因素之间的关系㊂将表7得到的回归分析数据用最小二乘法计算得最大等效应力的响应面函数为S =15.53- 4.13x 1-0.1831x 2+0.2464x 3+0.6144x 1x 2-1.37x 1x 3-1.38x 2x 3+0.6455x 21+0.4065x 22-0.8050x 23(6)式中,S 为响应目标;x 1㊁x 2㊁x 3分别为A ㊁B ㊁C 对应的因素变量㊂从阀座最大等效应力的回归方程中可以看出,均值为15.53MPa,比约束值(许用应力11.5MPa)大,但22次试验中有部分试验的等效应力小于11.5MPa,说明阀座最大等效应力的最优解在上述水平范围内,可由此二阶回归方程求出最优解㊂方差反映输出特性波动大小,方差越小波动越小,针对阀座最大等效应力响应面模型,经矩法理论,该模型方差近似为0.95,该模型较稳定㊂图7㊀响应预测值与实际值对比Fig.7㊀Comparison of response predicted value and actual value图9~图11所示为三维响应曲面㊂由图9(a)㊁图10(a)可以看出,保持阀座厚度和阀座密封面外径尺寸不变,最大等效应力随阀座密封面内径的增大而减图8㊀基于响应面法的目标函数收敛曲线Fig.8㊀Convergence curve of objective function based on responsesurface method小;由图10(a)㊁图11(a)可知,保持阀座厚度和阀座密封面内径不变,随着阀座密封面外径的增大,最大等效应力呈先增大后减小的趋势;由图9(a)㊁图11(a)可知,保持阀座密封面内径和阀座密封面外径不变,随着阀座厚度的增大,最大等效应力减小㊂从响应面图的陡峭程度看,随着阀座密封面内径㊁阀座密封面外径㊁阀座厚度的增大,最大等效应力均呈减小的趋势㊂各因素对最大等效应力影响大小的顺序依次为阀座密封面内径>阀座密封面外径>阀座厚度,这与方差分析结果一致㊂图9(b)㊁图11(b)为最大等效应力等高线图㊂由图9(b)㊁图10(b)㊁图11(b)可知,阀座厚度和阀座密封面内径㊁阀座密封面外径和阀座密封面内径之间交互作用的等高线图呈非椭圆形分布,阀座厚度和阀座密封面外径之间交互作用的等高线图呈椭圆形分布㊂因此,阀座厚度与阀座密封面外径的交互作用对阀座最大等效应力的影响最显著㊂3.4㊀最优参数组合预测及验证3.4.1㊀遗传算法㊀㊀本文在响应面模型的基础上,基于Matlab 自带的遗传算法[18]与直接搜索工具箱,采用遗传算法对阀座最大等效应力的响应面模型寻优㊂㊀第45卷第5期张希恒等:基于响应面法的超低温球阀PCTFE 阀座结构优化设计分析1171㊀㊀图9㊀阀座密封面内径与厚度对等效应力影响Fig.9㊀Influence of the inner diameter of the seat sealing surfaceand the thickness of the seat on the equivalentstress图10㊀阀座密封面内径与外径对等效应力影响Fig.10㊀Influence of the inner diameter of the sealing surface ofthe valve seat and the outer diameter of the sealingsurface on the equivalentstress图11㊀阀座密封面外径与厚度对等效应力影响Fig.11㊀Influence of the outer diameter of the valve seat sealingsurface and the thickness of the valve seat on theequivalent stress采用多元线性回归分析方法得出阀座最大等效应力的响应面数学模型,并用Matlab 建立其M 文件;打㊀㊀㊀开遗传算法工具箱,在Fitness functions 中输入所定义的M 文件名㊂在Number of variables 中输入自变量个数为3,在Bounds 中输入指定的下限和上限(表5),运行后得到阀座遗传算法优化寻优曲线如图12所示㊂表8㊀优化前后阀座最大等效应力分析Tab.8㊀Analysis of the maximum equivalent stress of the valve seat before and after optimization设计方案Design scheme阀座密封面内径Inner diameter of sealingface d 1/mm阀座密封面外径Outer diameter of sealingface d 2/mm阀座厚度Thickness t /mm 最大等效应力Maximum equivalentstress S /MPa优化前Before optimization101.00104.1511.0024.38遗传算法优化Genetic algorithm optimization106.84108.4312.089.99有限元验证Finite element verification106.84108.4312.089.63图12㊀阀座遗传算法优化寻优曲线Fig.12㊀Optimization curve of valve seat genetic algorithm3.4.2㊀验证㊀㊀综合分析优化结果㊂为了验证响应曲面法用于阀座结构优化的有效性,根据遗传算法得到的最优参数[19]组合进行有限元模拟验证,图13所示为优化前后[20]阀座最大等效应力分布情况㊂表8为优化前后阀座最大等效应力分析表㊂由表8可知,基于响应面模型,通过遗传算法优化后阀座最大等效应力的最大值为9.99MPa,符合优化期望值,有限元验证得到最值为9.63MPa,证明了响应面模型与遗传算法优化最优参数组合选取结果可靠,优化目标达到了理想值范围㊂图13㊀优化前后阀座最大等效应力Fig.13㊀Maximum equivalent stress of the valve seat beforeand after optimization㊀1172㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀4㊀结论㊀㊀为使软密封球阀阀座满足强度要求,基于有限元模拟和响应曲面优化方法进行研究㊂分析了浮动球阀阀座结构尺寸对阀座最大等效应力的影响规律,继而实现阀座最大等效应力的结构优化,得出以下结论: 1)PCTFE应力-应变曲线呈现线性比例阶段㊁强化阶段和缩颈断裂阶段,没有屈服阶段,因此抗拉强度是判断PCTFE强度的重要依据㊂2)经多因素复合的影响分析,在一次项分析中对等效应力影响最大的因素是阀座密封面的内径;在二次项分析中阀座厚度与阀座密封面外径的交互作用对最大等效应力的影响最显著,与方差分析结果一致㊂3)采用基于响应面的遗传算法对阀座厚度㊁阀座密封面内外径进行优化,得到最优的参数组合结果与预期结果相吻合,表明回归模型有很好的显著性,响应面模型能够准确地预测阀座的应力值,同时说明试验数据比较可靠㊂此分析结果对之后该类问题的优化设计提供了科学的指导意见㊂参考文献(References)[1]㊀章华友.球阀设计与选用[M].北京:中国科学技术出版社,1994:77-81.ZHANG HuaYou.Ball valve design and selection[M].Beijing:China Science and Technology Press,1994:77-81(In Chinese).[2]㊀张㊀宁,李㊀强,胡㊀康,等.低温调节阀阀座软密封特性研究(Ⅱ):低温密封性能及综合对比分析[J].北京理工大学学报,2015,35(5):445-449.ZHANG Ning,LI Qiang,HU Kang,et al.Research on soft sealingcharacteristics of cryogenic control valve seat(Ⅱ):low temperaturesealing performance and comprehensive comparative analysis[J].Journal of Beijing Institute of Technology,2015,35(5):445-449(In Chinese).[3]㊀丁浩亮,张凌东,于㊀晗,等.超低温球阀用聚三氟氯乙烯密封环的热压工艺与性能[J].合成树脂及塑料,2021,38(2):67-70.DING HaoLiang,ZHANG LingDong,YU Han,et al.Heat pressingprocess and performance of polychlorotrifluoroethylene sealing ring 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低温阀门密封性能的研究与分析文章阐述了低温对于阀门的一些零件的干扰，以材料使用和结构设计等层次的内容来论述了应对方法和要关注的具体内容。

标签：阀门；低温阀门；密封性能1 低温对于密封性的干扰1.1 非金属密封副在常温下工作的球阀和蝶阀等一般均采用金属对非金属材料密封副。

因为此类材料本身的弹性非常的高，其获取密封需要的比压不是很大，所以它的密封性较好。

不过在低温的背景之中，因为它比金属材质的膨胀性要高，此时就导致它在低温的时候收缩性和金属等材质的有着较高的差异，进而使得密封比变弱，不能够实现密封的意义。

很多的非金属的物质在较低的气温之中会失去其自身的韧性，进而导致冷流等特征。

比如橡胶，当其气温比玻璃化的气温要低的话，其就不具有弹性了，此时就会变成玻璃态的，不具有密封特征了。

另外橡胶在LNG 介质中存在泡胀性，也无法用于LNG阀门。

因此目前在设计低温阀门时，一般温度低于-70℃时不再采用非金属密封副材料，或将非金属材料通过特殊工艺加工成金属与非金属复合结构型式。

1.2 金属密封副当处在低温模式之中的时候，金屬物质的强度以及硬度等增高了，它的塑性以及韧性等变弱，此时就会发生一定的冷脆问题，进而干扰到阀门的安全性。

为了避免这种问题发生，在设计的时候，如果其气温超过了-100℃采用铁素体不锈钢材料，而温度低于-100℃时，阀体、阀盖、阀杆、密封座等大多采用具有面心立方晶格的奥氏体不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金等。

不过因为铝等的硬度太低，密封面不具有抗摩擦性，因此很少使用。

通常使用奥氏体材料，它们不具有上述的冷脆温度，就算是在低温的状态之中还可以维持非常好的韧性。

不过，此类材料在使用的时候也面对着很多的不利现象。

由于此类物质一般在常温之中时处在一种不是很稳定的模式之中的，如果气温下降到一定的数值之下的话，材料中的奥氏体会转变成马氏体。

对于体心立方晶格的马氏体致密度低于面心立方晶格的奥氏体，且由于部分碳原子规则化排列占据体心立方点阵位置，使晶格沿C轴方向增长，从而体积发生变化引起内部应力的增加，使原本经研磨后达到密封要求的密封面产生翘曲变形，造成密封失效。

低温阀门的特点与材料的选用
低温阀门是在低温环境下工作的阀门，其特点包括以下几个方面：
1. 密封性能要求高，低温环境下，介质的密度增加，流动性降低，因此低温阀门对密封性能要求较高，能够有效防止介质泄漏。

2. 耐低温性能好，低温阀门需要能够在极低的温度下正常工作，因此阀门材料需要具有良好的耐低温性能，不易受到低温环境的影
响而发生变形或者损坏。

3. 阀门材料的选择，低温阀门的材料选择至关重要，常用的材
料包括碳钢、不锈钢、合金钢等，这些材料在低温环境下具有良好
的耐腐蚀性能和机械性能，能够满足低温阀门的工作要求。

4. 结构设计合理，低温阀门的结构设计需要考虑到低温环境下
的工作特点，采用低温阀芯、低温密封材料等，以确保阀门在低温
环境下能够正常工作。

在选择低温阀门材料时，需要考虑介质的性质、温度、压力等
因素，以及阀门的工作要求和使用环境，综合考虑材料的耐腐蚀性能、耐低温性能、机械性能等因素，选择合适的材料以确保低温阀门的可靠运行。

常见的低温阀门材料包括低温碳钢（LF2）、不锈钢（如304、316）、合金钢（如F91）等，这些材料具有良好的耐低温性能和耐腐蚀性能，适用于低温环境下的阀门制造。

关于低温阀门技术报告概述随着现代科技的发展，低温工程制品的生产规模不断扩大，液氧、液氮、液化石油气以及液化天然气等得到广泛的应用。

尤其是液化天然气收到世界各国的重视。

液化氮的温度为-269℃，液氢-254℃，液氧-183℃，液化天然气-162℃，以上物质的液化分馏、运输和贮存都需要大量低温阀门。

低温阀门的用途越来越广泛，需求量越来越大，对低温阀门的技术性能和工作特性要求也越来越高。

随着国家能源政策的实施，液化天然气（LNG）作为一种清洁、高效的能源在国内的建设项目日渐兴盛。

未来我国低温阀门有广阔的市场前景。

低温阀门工作条件苛刻，其工作介质大部分为易燃、易爆、渗透性强的物质，最低工作温度可达-269℃，最高使用压力达10MPa。

因此，低温阀门的设计、制造、检验与通用阀门相比有很大的区别。

目前，国内低温阀门生产能力较差。

从材料上看，国外有CF8、LCB、LF1、F304等十多种，可以适用于不同的温度和介质，且都制定了相关标准，不仅规定了铸锻件的尺寸和外观质量要求，还对铸锻件的化学成分、热处理、力学性能、物理性能、焊补、焊后热处理、探伤、晶间腐蚀试验（奥氏体钢）、冲击试验（低温阀门）等做了严格的技术要求。

而国内标准就相对简单，对一些具体问题的规定不够详细。

此外，国产低温阀门在技术水平、寿命、可靠性、配套能力等方面还与国外产品存在较大差距，因此目前国内使用的低温阀门绝大部分依赖进口。

材料低温阀门材料的基本要求主要有以下几点。

(1)在工作温度下,不产生低温脆性破坏;(2)在工作温度下,其组织结构应稳定,防止材料相变引起体积变化;(3)采用焊接结构时,焊接性能及低温下焊缝必须可靠;(4)在低温工况下频繁操作,其内件材料无卡阻、咬合及擦伤等现象。

表1为常用的几种低温用铸钢的中外标准对照,特殊处理和使用温度供参考选用。

低温阀门的主体材料必须有足够的低温冲击强度一面断裂和完全破坏。

温度高于-100o C时选用可以需用铁素体不锈钢，温度低于-100o C时，一般需要选用奥氏体不锈钢。

ＬＮＧ接收站用低温球阀国产化技术问题探讨王金富１，张清双２，牛存厚１，李明浩１（１．中石化广州工程有限公司，广东省广州市５１０６２０；２．江苏神通阀门股份有限公司，江苏省启东市２２６２３２）摘要：目前ＬＮＧ（液化天然气）接收站用低温阀门大部分从国外进口，进口数量最多的是低温球阀。

主要对进口低温球阀的３种结构进行了介绍和分析，结合国产化低温球阀主要是采用泛塞（Ｌｉｐｓｅａｌｓ）密封结构的特点，基于失效模式与影响分析方法（ＦＭＥＡ）的分析以及进口阀门使用情况，对该种结构低温球阀的内漏和外漏进行了分析并提出改进措施。

同时也对低温球阀选用一端单向密封、一端双向密封阀座（ＤＩＢ ２）结构以及进行中腔泄放功能试验的合理性和可行性进行了探讨，供相关设计单位、阀门制造商以及用户在国产化研制中进行参考和借鉴。

关键词：ＬＮＧ接收站　低温球阀　泛塞密封　波纹管密封　低温处理　功能试验 目前国内在建和规划共３０多座ＬＮＧ（液化天然气）接收站，一座ＬＮＧ接收站需要配套各种工艺低温阀门大约３５００多台。

因国产低温阀门尚无成规模应用，其中２５００多台需要进口，进口的阀门以球阀和蝶阀为主。

为降低成本和提高国产化水平，低温阀门国产化势在必行。

１　进口低温球阀结构分析ＬＮＧ接收站进口的低温球阀多采用上装式固定球结构，主要分为偏心半球阀结构和整球阀结构。

整球阀结构按阀座和阀体之间的密封特点又分为泛塞密封结构［１］和波纹管密封结构。

１．１　偏心半球阀国外某公司上装式偏心半球阀结构见图１。

该结构又称之为Ｃ型球阀，由于采用双偏心结构，具有以下特点：①阀门在关闭过程中球体是渐进式接触密封圈，极大地降低了球体和密封圈之间的摩擦力矩，操作扭矩更低；②降低了密封圈的磨损，球阀的使用寿命较长，尤其适用于频繁操作场合；③由于半球阀没有中腔，不存在中腔压力积聚现象，消除了中腔积压带来的潜在压力边界失效风险，也消除了因泄压端方向安装错误带来的潜在安全风险。

聚三氟氯乙烯（PCTFE）是一种性能优良的工程塑料，它的长期使用温度为-200∽150℃，具有独特的刚性，韧性和耐低温性，能耐各种酸、碱、油类及大部分有机溶剂，其优良的电绝缘性在较高的温度范围内不受温度和湿度的影响；此外它还具有突出的气密性、表面不粘性、较高的机械强度、很低的吸水性等。

聚三氟氯乙烯板、棒是由聚三氟氯乙烯树脂用模压法制成，可广泛用作耐腐蚀结构材料、理想的低温液体用阀门部件、设备防腐衬里、透明视镜、真空密封材料、电子电器部件、电机仪表零件等。

主要性能
1、外观：质地均匀，表面平整光滑；颜色呈透明或半透明。

2、物理机械性能符合下表
序号指标名称单位指标
1密度g/cm3 2.1∽2.2
2抗拉强度MPa≥35
3断裂伸长率%20∽100
4体积电阻率※Ω·cm≥1×1010
5硬度萧氏硬度D90
6击穿电压※Kv/mm≥15
规格
名称厚度 (mm)宽度 (mm)长度(mm)模压板材1-40100-300100-300名称直径 (mm)长度 (mm)
ф5-ф25200
模压棒材
ф30-ф15050-150。

低温阀门阀盖及滴水盘非稳态温度特性分析张希恒;贾建波;陈修高【摘要】In order to study the frosting and freezing on the surface of valve cover and drip tray of cryogenic valve, for the purpose of solving the problem of dew at the root of the drip tray, this paper reasonably simplified the physical model of valve cover and drip tray, established the non-homogeneous steady-state mathematical model by means of theoretical deduction and numerical analysis, deducted the relationship between time and space and temperature of valve cover and drip tray and conducted numerical analysis on its data.The results show that the theoretical calculation tends to be similar to numerical analysis, the theoretical results can be used as the basis for studying the phenomenon of dew, frost and freeze on the valve cover and the surface of the drip tray, and provide a theoretical basis for solving engineering problems.%为研究低温阀门阀盖及滴水盘表面出现结霜及结冰的现象,针对滴水盘根部发生结露的问题,对阀盖及滴水盘物理模型进行合理简化.通过理论推导和数值分析的方法,建立非齐次稳态数学模型,推导出阀盖及滴水盘温度随空间及时间的变化关系,并对其进行数值分析.结果表明:理论计算和数值分析的结果趋势基本相同,理论结果可作为研究阀盖及滴水盘表面出现结露、结霜及结冰现象的基础,为解决工程问题提供理论依据.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2019(031)001【总页数】5页(P124-128)【关键词】低温阀门;滴水盘;结露;温度;时间【作者】张希恒;贾建波;陈修高【作者单位】兰州理工大学石油化工学院, 甘肃兰州 730050;兰州理工大学石油化工学院, 甘肃兰州 730050;兰州理工大学石油化工学院, 甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TQ055低温阀门是指适用于介质温度等于或低于120 K且在环境温度为223～323 K范围内工作的阀门,主要用于乙烯、液化天然气装置,液氧、液氮、液氩、二氧化碳低温贮槽及槽车、接受基地及卫星站,空分设备,石油化工尾气分离设备等[1]。

基于FM-1密封材料低温性能研究近年来，随着工业制造技术的不断进步和更新换代，工业设备的密封材料的要求也越来越高。

特别是在高温和低温环境下，密封材料的功能和性能也变得越来越重要。

而基于FM-1密封材料低温性能的研究，可以帮助我们更好地了解该材料在低温环境下的表现与应用，为其在制造领域中的应用提供更加精准的指导和支持。

一、FM-1密封材料的简介FM-1密封材料是一种聚四氟乙烯(PTFE)的材料，具有优越的耐压、耐高温、耐化学腐蚀等优点。

在工作环境要求高温和高压的设备中，FM-1密封材料表现出极佳的性能。

二、FM-1密封材料在低温环境下的性能在低温环境下，FM-1密封材料的性能也是工艺设计师和工厂制造商所关注的重点之一。

研究表明，在低温下(低于50°F)，FM-1密封材料的弹性系数将下降，因此在一些应用中，它可能无法抵御起伏温度引起的变形。

此外，FM-1密封材料在低温下的良好耐腐蚀性能也逐渐降低，对材料整体的性能会产生一定程度的影响。

三、对FM-1密封材料低温性能的研究为了更好地应对工业设备在低温环境下的应用需求，许多研究者都开始将重心放在了FM-1密封材料在低温环境下的性能研究方面。

他们进行了多方面的试验和研究，主要包括以下两种：1、温度和时间对FM-1密封材料的影响研究者开展了一系列的实验，考察FM-1密封材料在低温(在冷藏设备中)环境中存放的影响，特别是在不同时长的情况下。

结果显示，在低温环境下，FM-1密封材料经过时间的累积，其物理和化学性质会逐渐发生变化。

材料的强度和硬度逐渐下降，而变形率则上升。

因此，在低温应用中，需要根据应用的具体情况做出相应的选择。

2、添加温度稳定剂对FM-1密封材料低温性能的影响为了提高FM-1密封材料在低温环境下的稳定性，研究者将温度稳定剂添加到聚合物中，通过实验比较添加前后材料的物理化学性质的变化情况。

结果表明，添加温度稳定剂能够有效提升FM-1密封材料的低温保持性能。