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气瓶阀门阀芯密封材料的选择

[日期:2015-08-11] [字体: ]

气瓶阀门阀芯密封材料的选择

                                                                                                     

编号:SALW20150005

                                                                                                                                          作者:董吉纲 

摘要:本文主要介绍了气瓶阀门阀芯常用密封材料的性能、密封材料的选择原则及实验评估方法。

气瓶阀门阀芯的密封件是阀门最关键的零件,尤其是材料的选择更为重要。现阶段,最常用的气瓶阀门阀芯的密封材料有聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、尼龙66等材料。这三种密封材料,性能各有优劣,应根据介质特征和使用环境不同来进行选择。

一、常用密封材料的性能

聚四氟乙烯(F4,PTFE)具有一系列优良的使用性能:适用温度范围广,在-196~260℃的较广温度范围内均保持优良的力学性能;耐腐蚀性能强,除熔融的碱金属外,聚四氟乙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀,例如在浓硫酸硝酸盐酸,甚至在王水中煮沸,其重量及性能均无变化,也几乎不溶于所有的溶剂;耐候性能好不吸潮,不燃,对氧、紫外线均极稳定;润滑性能好,具有塑料中最小的摩擦系数(0.04);阻燃性能好,适合于氧化性强的气体介质。不过,该材料机械性质较软,表面能非常低;同时该材料在高温下会裂解产生剧毒的副产物氟光气和全氟异丁烯等。

     聚三氟氯乙烯(PCTFE)同样具有优良的使用性能,与PTFE相比机械性能和表面能大大的提高;耐低温的性能更好,能适用于超低温气体介质;耐化学性能稍逊于PTFE,但仍优于其他塑料;耐高温性能不如PTFE,在100℃以上会出现软化的现象,在高温下(140℃)遇氯磺酸、熔融苛性碱、新生元素氟以及发烟硫酸都是不稳定的,高温高压下能被四氯化碳、己烷、环己酮及苯类芳香族溶剂溶解。

尼龙66(PA66)机械强度高,韧性好;自润性、耐摩擦性好;具有很好的自润性,摩擦系数小;弹性好,耐疲劳性好,可经得住数万次的双挠曲;耐腐蚀性能佳,有较强的耐碱能力。不过该材料不具有阻燃性,会产生燃烧;且吸水率较高。目前市场上有各种阻燃尼龙材料,作为阀芯的密封材料以杜邦的V0级阻燃尼龙为佳。

二、常用密封材料的选择原则

气瓶阀门广泛应用于氧化性、酸性、碱性、溶解性、易燃性等各种性能的介质,阀芯密封件在阀的启闭过程要承受较大挤压力,聚三氟氯乙烯材料因具有较高的机械强度、良好的阻燃性能、较强的耐腐蚀性能,综合性能优良,可普遍地应用于常温环境下的工业气瓶阀门。氟四氟乙烯材料因机械强度相对较低,适用于环境温度较高、口径较小、压力较低、具有氧化性介质的阀门。尼龙66各项性能较好,也可广泛应用于多个种类气瓶阀门,但因其不具阻燃性,不能应用于具有氧化性介质的阀门 。下面列出一些特殊环境和用途的阀门阀芯密封材料的选择建议:

1、液氧、液氮、液化CNG等低温液化气体因温度会达到-196℃,采用低温性能较好的聚三氟氯乙烯比较合适;

2、因氟材料在高温下会裂解产生有毒气体,聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯材料的密封件不建议应用于医用、呼吸用气体阀门,目前欧洲的相关法规已明确规定氟材料不得应用于医用、呼吸用气体阀门。

3、医用氧气具有氧化性,没有阻燃性能的密封材料在气体高速流动的摩擦下可能会发生激燃。因聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯材料不能应用于医用、呼吸用气体阀门,具有V0级阻燃性能的杜邦尼龙66通过多年的实际应用是一个相对理想的选择。

4、对于一些在使用环节中要承受短时间高温(100℃以上)的阀门(如高纯气体气瓶为了保证瓶内的纯净,在充气前要加热到100℃烘瓶及进行10小时的抽真空),不建议采用聚三氟氯乙烯材料,因该材料在100℃会出现软化,机械强度大大下降。

5、因尼龙66材料的吸水率较高,应用于含水较高及温差较大的环境,可能出现阀门密封件脱落的现象。如必须采用该材料,则应通过改进密封件的固定方式来降低脱落的可能性。

6、有些气体在开采、制造过程中会混有其他物质,在选择密封材料时应分析现有市场中气体的实际现状,综合判断该材料是否适合相应的气体介质。

三、密封材料的实验评估方法

密封材料在应用于新的介质之前,为了验证该材料是否适合该介质,应进行适当的评估实验。

1、介质相容性试验

每次取3只样品,进行体积变化试验。首先,在室温条件下将其放在小直径线环上,用万分之一的天平分别称取样品的空气中质量(M1);然后,将样品在无水乙醇中浸没一次,取出放入蒸馏水中,分别称取其在水中的质量(M2)。将样品擦干后,浸入25℃±3℃的正戊烷(分析纯)液体中保持72h,将样品逐个从液体中取出,每取出一只试样,在30s内立即擦干,并放在同一线环上称取其空气中质量(M3);随后,立刻将其在无水乙醇中浸没一次,然后放入蒸馏水中,称取其水中质量(M4)。体积变化率计算见公式(1):

                                            体积变化率  ………(1)

取3个试样的平均值作为试验的结果,体积变化率应不大于20%。

与体积变化试验采用同一组试样同时进行试验。在完成体积变化试验后,将样品置于40℃±3℃的空气中至少保持48h,然后在室温条件下直至质量恒定,记录最终称量值(M2′)。质量变化率按公式(2)进行计算:

 

 质量变化率 = …………………2)

取3个试样的平均值作为试验结果,质量损失率应不大于5%。

2、氧气激燃试验

用于氧气介质的阀门密封材料可通过氧气激燃试验来验证,氧气压力激燃试验按以下步骤:

a)试验前应检查氧气激燃试验装置的升压情况,在装置中各部件的相互作用情况以及试验仪表情况,符合试验装置的压力循环特性如图7和图8所示后,将阀装到试验装置上。

b)试验介质为纯度大于等于99.5%的氧气,其碳氢化合物符合GB/T 3863,试验压力为阀的公称工作压力,氧气加温至60℃±3℃。

c)60℃±3℃的氧气通过启动快速开启阀(20ms),经过内径为5mm,长1000mm的铜管直接进入被试验的阀。这个试验阀要承受从大气压力到阀的公称工作压力的20次压力循环(阀关闭和打开各20次,开启时进气口要封住)。试验结束后,把试样阀拆开并仔细检查,包括内部各零件,无点燃、无灼焦的痕迹。

 

1—— 阀的进气口; 

2——预热装置; 

3——温度控制器; 

4——压力表; 

5—— 温度计; 

6—— 氧气容器; 

7—— 触动器;   

8—— 快速开关阀;   

9—— 降压阀;   

10—— 铜管(内径5mm);   

11—— 试样阀;

3、氧气老化试验

将非金属零件放入密封容器内,抽真空至13.3 Pa以下,然后充入氧气(纯度≥99.5%)压力至(1.8~1.9)MPa,放入温度为70℃±2℃的高温箱内,当容器内的温度平稳后,调节容器的压力至2MPa,然后连续放置96h;取出后冷却至常温,在25倍的放大镜下检查应无裂纹。

4、还应进行相应阀门标准规定性能试验,如强度试验、密封试验、寿命试验、腐蚀试验等。

综上所述,气瓶阀门阀芯密封材料关系到阀门密封性能、用户使用安全,其选择应充分考虑介质的特性、使用场合、环境温度等因素,并应进行大量的实验论证。

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