1 Overview

Предохранительные клапаны являются незаменимыми элементами безопасности для различных котлов, сосудов под давлением и трубопроводов под давлением, и широко используются в различных областях, таких как нефтяная промышленность, химическая промышленность, электростанции, металлургия, ядерная энергетика и национальная оборона. Уплотнения различных частей предохранительного клапана делятся на металлические и неметаллические в зависимости от типа контакта. Резиновые уплотнения в форме кольца (далее именуемые O-образными кольцами) являются типичной конструкцией неметаллических уплотнений. Резина — это эластичный полимерный материал, который может подвергаться значительной деформации при небольшом напряжении. Эта деформация обеспечивает контактное давление, компенсирует зазоры для утечек и достигает цели герметизации. Поэтому резиновые уплотнения легче реализовать, чем другие формы уплотнений, и их герметичность превосходна, независимо от того, используется ли уплотнение в статическом или динамическом режиме, уровень утечек можно поддерживать на низком уровне. Особенно для динамических уплотнений трение движения O-образных колец очень мало, что позволяет использовать их в условиях переменного давления.

2. Применимые рабочие условия

Предохранительный клапан — это клапан безопасности, который автоматически открывается и закрывается в зависимости от рабочего давления системы. По принципу действия он делится на прямого действия и косвенного действия. Пружинный предохранительный клапан и клапан с пилотным управлением являются представителями этих двух форм соответственно. Рассмотрим эти два широко используемых предохранительных клапана в качестве примера для иллюстрации основных областей применения O-образных колец.

(1) Условия низкого давления

Предохранительный клапан — это автоматический клапан, который не зависит от внешней приводной силы для герметизации (за исключением предохранительных клапанов с вспомогательными устройствами). Герметизирующая нагрузка на седло клапана в основном определяется предварительной нагрузкой пружины (предохранительный клапан с прямой нагрузкой пружины) или давлением рабочего вещества (предохранительный клапан с пилотным управлением), герметизирующая нагрузка меньше, чем у других типов клапанов, и герметизация более сложна. При низком установленном давлении предварительная нагрузка пружины или давление рабочего вещества соответственно малы, герметизирующая нагрузка на седло клапана невелика, и другие типы уплотнений трудно обеспечить герметичность. Благодаря высокой эластичности O-образного кольца его механизм уплотнения может обеспечить герметичность при небольшой нагрузке. При низком давлении более разумно выбирать O-образное кольцо для уплотнения седла клапана.

(2) Условия динамического уплотнения

Предохранительный клапан с пилотным управлением состоит из основного клапана и пилотного клапана, при этом открытие и закрытие основного клапана контролируется пилотным клапаном, который реагирует на давление системы. Внутренняя структура пилотного клапана компактна, поток узкий, пространство ограничено, имеется много относительно движущихся частей, и уплотнительные элементы плотно прилегают. Диск основного клапана и направляющая втулка имеют поршневую конструкцию. Чтобы обеспечить отсутствие утечек среды из камеры, образованной диском клапана и направляющей втулкой, и одновременно сохранить хорошие характеристики движения диска при открытии предохранительного клапана, большинство осевых динамических уплотнений используют O-образные кольца.

(3) Рабочие условия с жесткими требованиями к уровню утечек

По сравнению с неметаллической уплотнительной конструкцией, уровень утечек у металлической уплотнительной конструкции выше. Согласно нормам API 527, максимально допустимый уровень утечек у предохранительного клапана с металлическим уплотнением седла зависит от площади проходного сечения и установленного давления, и составляет от 20 до 100 пузырьков в минуту. Утечки воздуха у предохранительных клапанов с неметаллической уплотнительной конструкцией могут быть настолько низкими, как 0 пузырьков в минуту. Очевидно, что неметаллическая уплотнительная конструкция более подходит для условий с жесткими требованиями к уровню утечек. Например, водород — это газ с маленькой молекулой, легко проникающий наружу, горючий и взрывоопасный, и очень опасный. Поэтому контроль уровня утечек должен быть очень строгим. В неметаллическом уплотнении конструкция уплотнения O-образного кольца относительно проста, легко устанавливается, обслуживается и заменяется. Поэтому большое количество O-образных колец используется для уплотнения седла клапана в условиях, содержащих водород.

Резиновое уплотнение O-образного кольца

3. Основная форма уплотнения и конструкция

O-образное кольцо относится к уплотнению типа экструзии. Основной рабочий принцип уплотнения типа экструзии заключается в том, что уплотнение за счет своей эластичной деформации создает контактное давление на уплотняющей поверхности. Если контактное давление больше внутреннего давления уплотняемой среды, утечек не происходит, и наоборот — возникает утечка. Для обеспечения эффективного уплотнения важны свойства материала и конструкция уплотнительной структуры. Для различных типов уплотнительных конструкций различаются степень сжатия и конструкция канавки для O-образного кольца. Формы уплотнения O-образного резинового кольца в предохранительном клапане включают статическое уплотнение торцевой поверхности, возвратно-поступательное динамическое уплотнение и уплотнение седла клапана.

(1) Статическое уплотнение торцевой поверхности

Уплотнения между седлом клапана и корпусом клапана, а также между корпусом клапана и крышкой пилотного предохранительного клапана относятся к статическому уплотнению торцевой поверхности и имеют относительно простую конструкцию. При статическом уплотнении O-образное кольцо сжимается в осевом направлении и под давлением испытывает радиальное ползучее деформирование. Поэтому при проектировании канавки для O-образного кольца необходимо учитывать направление давления. В канавке должно быть определенное пространство для O-образного кольца, объем кольца должен составлять около 75% объема канавки. При растяжении внутреннего диаметра кольца в канавку, чтобы избежать чрезмерного внутреннего напряжения из-за избыточного растяжения, степень растяжения должна контролироваться в пределах 1%–3% от диаметра проволоки и не должна превышать 5%. Степень сжатия торцевого уплотнения должна контролироваться в пределах 20%–30%. Чтобы избежать концентрации напряжений, дно канавки должно быть закруглено с радиусом 0,2–0,5 мм, а шероховатость Ra в канавке предпочтительно должна быть 1,6 мкм.

(2) Возвратно-поступательное динамическое уплотнение

Уплотнение между диском основного клапана и направляющей втулкой пилотного предохранительного клапана является возвратно-поступательным динамическим уплотнением. Поскольку предохранительный клапан обычно закрыт, частота его срабатывания обычно очень низкая, а цикл движения короткий. В нормальных условиях работы диск и направляющая втулка герметично уплотнены в осевом направлении, а возвратно-поступательное движение происходит только при открытии и закрытии предохранительного клапана. При открытии предохранительного клапана диск основного клапана движется вверх, при закрытии — вниз, что отличается от возвратно-поступательного динамического уплотнения в общем машиностроении, и O-образное кольцо сжимается в радиальном направлении. Для обеспечения первоначального уплотнения без влияния на работу клапана конструкция канавки для O-образного кольца должна учитывать контроль степени радиальной деформации. Радиальная сжимаемость должна контролироваться в пределах 10%–15%, а шероховатость канавки должна быть ниже Ra0,8 мкм. При возвратно-поступательном движении под высоким давлением O-образное кольцо легко выдавливается, рекомендуется установка фиксирующего кольца.

(3) Уплотнение седла

Уплотнительная поверхность, образованная седлом предохранительного клапана, диском и уплотнительным кольцом, называется уплотнением седла. Когда давление в системе ниже установленного давления предохранительного клапана, клапан находится в закрытом состоянии, и в этот момент седло и диск контактируют, образуя статическое уплотнение на торцевой поверхности. Когда давление в системе превышает установленное давление предохранительного клапана, диск и уплотнительная поверхность седла разделяются, и предохранительный клапан открывается для сброса давления в системе. Когда давление в системе падает до определенного значения, предохранительный клапан возвращается в закрытое состояние, и седло с диском снова контактируют, образуя статическое уплотнение на торцевой поверхности. Во время процесса открытия и закрытия предохранительного клапана резкое изменение давления оказывает определенное воздействие на уплотнительную поверхность, и уплотнительное кольцо легко выдувается или повреждается из-за давления, накопленного внутри канавки. Поэтому конструкция канавки для уплотнительного кольца седла клапана должна учитывать не только уплотнительные характеристики, но и надежность уплотнительного кольца после разделения уплотнительной поверхности седла и диска. Распространенной формой уплотнения седла является тип с ласточкиным хвостом, и разные конструкции имеют разные схемы проектирования. Самое важное для уплотнения седла — обеспечить соотношение объема канавки и предотвратить слишком большое открытие канавки, что может привести к выдуванию уплотнительного кольца.

4. Выбор материала

Материалы уплотнительных колец, обычно используемые в предохранительных клапанах, включают фторкаучук (FKM), нитриловый каучук (NBR), этилен-пропиленовый каучук (EPDM), фторсилоконовый каучук (FVMQ) и перфторэфирный каучук (FFKM). При температуре, превышающей предел использования уплотнительного кольца, или если среда влияет на характеристики уплотнительного кольца, обычно не рекомендуется выбирать предохранительный клапан с уплотнительным кольцом в качестве уплотнения. Выбор уплотнительных колец в предохранительных клапанах зависит от температуры, среды и давления. Кроме того, необходимо учитывать комплексное влияние различных факторов.

(1) температура

Температура является одним из ключевых факторов, влияющих на диапазон использования резиновых уплотнительных колец. Диапазон использования обычно составляет от -60°C до 327°C. Для условий высокой или низкой температуры необходимо выбирать специальные материалы для обеспечения эффективного уплотнения. Среди часто используемых резиновых материалов перфторэфирный каучук обладает отличной термостойкостью. Рабочий температурный диапазон обычного перфторэфирного каучука составляет от -25°C до 240°C, а специальные марки перфторэфирного каучука могут выдерживать постоянную температуру 316°C или 343°C. Прерывистое воздействие высокой температуры не вызывает затвердевания и хрупкости, поэтому для условий высокой температуры, где другие резины не подходят, можно использовать перфторэфирный каучук.

Резина становится хрупкой при низких температурах и теряет уплотнительные свойства, поэтому обычно не рекомендуется использовать ее в условиях низких температур. Силиконовый каучук обладает лучшей стойкостью к низким температурам среди резиновых материалов. Его низкотемпературный класс может использоваться до -100°C, но при этом он имеет низкую прочность на разрыв и слабую износостойкость. Обычно он не подходит для динамических уплотнений и не рекомендуется для уплотнений предохранительных клапанов. Фторсилоконовый каучук, уступающий силиконовому по стойкости к низким температурам, может использоваться в диапазоне температур от -60°C до 177°C. При этом он сохраняет низкотемпературную стойкость силиконового каучука и улучшает химическую стойкость и механические свойства. В условиях низких температур предпочтителен фторсилоконовый каучук.

(2) Среда

Предохранительные клапаны широко используются в нефтехимической, энергетической и электротехнической отраслях. Для различных сред необходимо выбирать соответствующие материалы. Фторкаучук обладает огнестойкостью, отличной герметичностью, устойчивостью к озону, погодным условиям, хорошей стойкостью к старению и широкой коррозионной стойкостью. Он подходит для неорганических кислот, топочного масла, чистого кислорода, тетрахлорида кремния и других сред, широко используемых в предохранительных клапанах. Этилен-пропиленовый каучук обладает отличной стойкостью к воде, пару и перегретой воде, и подходит для предохранительных клапанов в условиях высокотемпературного пара в энергетической отрасли. Перфторэфирный каучук подходит для органических растворителей, содержащих ароматические углеводородные соединения, а также для сред, содержащих влажный сероводород.

(3) Давление

Обычно используемые уплотнительные кольца имеют твердость 50-90 по Шору. Согласно принципу уплотнения уплотнительного кольца, при низком давлении в системе рекомендуется использовать кольцо с меньшей твердостью. При высоком давлении в системе выбирают кольцо с большей твердостью. При рабочем давлении выше 10 МПа желательно использовать фиксирующее кольцо, чтобы предотвратить выдавливание уплотнительного кольца в зазор и его деформацию под высоким давлением. Кроме того, при высоком давлении уплотнительное кольцо склонно к "взрыву", то есть при длительном воздействии высокого давления молекулы газа проникают внутрь кольца. При резком снижении внешнего давления внутренние молекулы газа могут прорваться через кольцо из-за быстрого расширения. Особенно это касается уплотнительного кольца в седле клапана: при открытии предохранительного клапана мгновенный сброс давления может вызвать "взрыв" кольца, поэтому при высоком давлении рекомендуется использовать здесь кольцо с высокой плотностью или кольцо, устойчивое к взрывам.

5. Анализ и устранение неисправностей

(1) Неисправность из-за несовместимости со средой

В реальной инженерной практике выбранное уплотнительное кольцо несовместимо со средой, что приводит к таким проблемам, как коррозия, набухание, деформация и разрыв, вызывая отказ уплотнения предохранительного клапана.

(2) Усталостный отказ. На установке гидрогенизации природного газа установленное давление предохранительного клапана составляет 26 МПа, а рабочее давление — 24,7 МПа. После периода работы в режиме онлайн произошло протекание. При разборке предохранительного клапана обнаружено разорванное уплотнительное кольцо в уплотнении седла. Анализ показал, что фактический диапазон колебаний рабочего давления превышает ожидаемый диапазон системы, а рабочее давление системы очень близко к установленному давлению, из-за чего предохранительный клапан часто срабатывает, достигая предельного срока службы уплотнительного кольца, что приводит к усталостному разрыву кольца. Решение — контролировать колебания давления системы путем улучшения технологического процесса и регулярно заменять уплотнительное кольцо седла, чтобы обеспечить нормальную работу предохранительного клапана после запуска.

(3) Деформационный отказ

По сравнению с другими типами неметаллических уплотнительных материалов, такими как пластик и графит, резина имеет меньшую твердость и лучшую упругость, но склонна к деформации при высоких температурах, высоком давлении или их сочетании, что приводит к отказу уплотнения. Для газопровода природного газа установленное давление предохранительного клапана составляет 21 МПа, выбрано уплотнительное кольцо с твердостью 75 по Шору. После года эксплуатации поверхность клапана гладкая, но поперечное сечение уплотнительного кольца в уплотнении седла деформировалось в форму прямоугольной канавки, потеряло упругость и вызвало отказ уплотнения. При замене на кольцо с твердостью 90 по Шору уплотнение работает хорошо.