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雙重密封截止閥的研製和試驗

浏览次数:298日期:2019-12-06

摘 要 為了解決中溫中壓截止閥內漏、外漏題目,試驗研究開發出雙重密封截止閥 ,已獲國家專利 。本文闡述了雙重密封結構的特點;填料密封材料的選用和組合方式和金屬密封麵堆焊材料的選用。

1 前言 截止閥作為一種通用閥門,在蒸汽係統、油料係統、生活用水係統、壓縮空氣係統等中溫中壓係統得到大量利用,但是,現在使用的截止閥由於填料選用、裝填方式不公道等啟事,普遍存在著外漏現象,同時由於密封麵堆焊材料選用不盡公道,也存在著內漏現象。為了解決中溫中壓截止閥內漏、外漏題目,筆者經過幾年的試驗研究開發出雙重密封截止閥,雙重密封截止閥的密封性能比傳統結構截止閥有明顯進步。雙重密封結構已獲得國家專利,專利號為ZL98 2 26953.6。

2 雙重密封結構的研究

截止閥密封麵材料配對常用的有兩種:金屬對金屬密封(簡稱金屬密封)和金屬對非金屬軟材料密封(簡稱軟密封)。

金屬密封截止閥密封結構如圖1(a)所示,密封道理如圖1(b)所示。從圖1(b)可以看出,密封麵的微觀結構中存在著很多各式各樣的凸峰和凹溝,為了使截止閥封閉時密封不漏,必須進步密封麵的加工精度和粗糙度等級,並且對密封麵施加很大的封閉力。由於對密封麵施加了很大的力 ,密封麵上必然存在著很大局部接觸應力,對於采用具有“粘著”傾向的金屬作為閥瓣、閥座密封麵材料的截止閥,開啟和封閉的瞬間 ,不可避免地存在擦傷現象,這是這類截止閥壽命較短的首要啟事之一。另外,對於金屬密封截止閥,即使進步加工精度,要做到零泄漏也不是件輕易的事。

圖1

軟密封截止閥密封結構如圖2,軟材料密封圈嵌進閥瓣或用壓圈固定在閥瓣上。由於密封截止閥很輕易實現嚴密密封 ,保證泄漏量為零,且在加工中可以降低對密封麵加工精度的要求,是以對於密封要求嚴格的液化氣截止閥和其它氣體介質截止閥,這類軟密封結構得到廣泛利用。但是軟密封截止閥的軟密封麵承壓能力差,由於手動操縱的截止閥封閉力難以限定,當閥瓣密封麵同閥體密封麵接觸已能保證密封時,封閉動作仍不能停止 ,因此輕易使軟材料出現永久性變形,特別是當閥門長期處於封閉時,由於軟密封麵長期受到過載壓力的感化而使其出現永久變形,一旦開啟後再封閉就輕易失效。

圖2

針對軟密封截止閥密封嚴密但密封麵承壓能力差,金屬密封截止閥密封麵承壓能力強,但可能會出現擦傷 ,且為使金屬密封截止閥做到零泄漏,必然進步截止閥加工精度等級的特點,筆者提出截止閥雙重內密封概念,即把金屬密封、軟密封各自的優點組合在一起,形成一個以金屬密封為主密封,軟密封為副密封的截止閥新型密封結構。在分析研究雙重內密封結構的過程中設計了如圖3、4兩種方案,並對各方案進行了研究。

圖3

圖4

(1)方案一(圖3):圖3(a)為封閉狀況 ,圖3(b)為開啟狀況,軟密封圈為彈性結構,內襯彈簧。封閉時,閥瓣向下活動,首先接觸軟密封圈使之變形,然後接觸到金屬密封麵,通過閥杆向下施加的力首要由金屬密封麵承擔。金屬密封麵和軟密封麵共同構成了閥體密封麵,金屬密封為主密封,軟密封為副密封,當金屬密封麵有少量泄漏時,完全可由軟密封麵保證密封。此雙重密封結構,閥瓣首先同軟密封圈接觸,由於封閉瞬間高速活動的介質可能破壞軟密封圈,是以該方案不甚理想。

(2)方案二(圖4) :圖4(a)為封閉狀況,4(b)為開啟狀況。此結構密封件由閥瓣、軟材料密封環、閥體金屬密封麵構成,密封環通過壓環固定在閥體上。雙重密封結構中金屬密封為軸向主密封,軟密封為徑向副密封,當金屬密封麵出現泄漏時,泄漏的介質可被軟材料密封環密封,此軟材料密封環徑向密封結構可徹底避免軸向軟密封圈易被壓壞的缺陷,同時該結構加工簡單,同普通截止閥相比,本錢不會增加多少。

根據對兩種方案的分析對比,確定方案二雙重內密封結構為所選取結構,根據這類雙重密封結構道理設計製造了公稱壓力為2.5MPa,公稱通徑為50mm的雙重密封截止閥樣機,並對樣機進行靜壓壽命考核,以驗證此結構的公道性。靜壓壽命試驗進行10000次,樣機性能完好、無泄漏。試驗結果表明,此雙重內密封結構是公道的,完全可以作為一種新的內密封結構在截止閥上得到利用。

3 填料密封材料選用及組合方式的研究

目前國內截止閥產品多采用單一的柔性石墨環填料。柔性石墨環填料是用柔性石墨板材剪成條纏繞在與閥杆直徑相同的棒上模壓製成的,建造工藝簡單,價格便宜。但單一柔性石墨環填料在利用中存在一些題目,首要表現在使用壽命短 ,操縱不到千次就出現泄漏。造成上述題目的首要啟事是由於柔性石墨環填料在同閥杆的接觸過程中石墨顆粒向閥杆轉移並沉積在閥杆表麵,一方麵閥杆表麵變得粗糙起來,另一方麵閥杆在往複活動過程中把部分沉積在其表麵的石墨帶出填料函,造成填料的體積損失,使填料處出現泄漏。不論是試驗室試驗還是現場使用結果都證實了這一點。

為解決柔性石墨環填料在使用中存在的題目,作者對柔性石墨編織填料和柔性石墨環填料的組合使用進行了試驗研究,試驗壓力為2.5MPa、填料函裝填5層填料,上下各一層裝填柔性石墨編織填料,中間三層裝填柔性石墨環填料,試驗結果表明,這類填料組合方式比較理想,同閥杆接觸的柔性石墨編織填料不僅沒有石墨轉移,而且對柔性石墨環填料轉移到閥杆上的石墨有擦拭感化 ,避免了填料的體積減小,明顯進步了填料的可靠性,經萬次靜壓壽命考核填料處無泄漏。

4 金屬密封麵堆焊材料選用研究

在蒸汽係統、生活用水係統,壓縮空氣係統使用中大量采用鑄鋼截止閥 ,其密封麵長期處於介質當中,受到介質的衝洗和腐蝕;同時,為保證截止閥密封,在密封麵間必然施加一定的密封壓力,由於密封比壓的感化,截止閥閥瓣、閥座之間存在著摩擦磨損。是以,為保證截止閥的密封,防止內漏,必然對密封麵的材料及形成方式加以考慮 。

國內目前截止閥密封麵形成方式首要有6種:(1)直接在截止閥閥體、閥瓣上加工而成 ,此種方式首要用於銅截止閥 、不鏽鋼截止閥及用於油品介質的截止閥;(2)用適當的材料加工成密封圈,把密封圈用機械連接方法、或螺紋連接方法、或壓合方法、或焊接方法分別安裝固定在截止閥閥體上和閥瓣上;(3)截止閥閥體、閥瓣上分別堆焊不鏽鋼並加工成密封麵;(4)截止閥基體金屬采用熱處理滲氮方法形成密封麵,此種方法首要用於基體材料為特種合金的截止閥;(5)采用熱噴塗方法在基體金屬表麵噴塗一層適當材料,經加工形成密封麵;(6)采用冷塗方法在基體金屬表麵塗上一層適當材料,經加工形成密封麵,此方法適用於壓力、溫度不高,有耐腐蝕要求的截止閥。

目前碳鋼截止閥密封麵首要采用在閥體、閥瓣上堆焊不鏽鋼並加工的方法 。國內中溫中壓碳鋼截止閥密封麵采用的堆焊材料首要有Cr13型 、鉻錳型和鈷基硬質合金焊條。

Cr13型焊條堆焊層可通過熱處理使硬度大於35HR,從而進步了密封麵的抗壓傷能力,但是,Cr13型堆焊層合金組織結構簡單,不能形成致密的、高強度的多相化合物組織,是以用Cr13型焊條堆焊的密封麵,互溶性大,“粘著”傾向大,抗擦傷能力差。固然通過熱處理方式可以調整閥體、閥瓣密封麵硬度 ,使之形成硬度差,但即使密封副具有最好的硬度差,密封副的抗擦傷能力也不是很理想。同時,Cr13型堆焊材料抗裂性不好,在堆焊時易出現裂紋,使用Cr13型焊材料焊前要預熱,焊後要進行硬度差調整的熱處理,這增加了截止閥製造的工藝本錢。

鈷基合金堆焊焊條是一種理想的堆焊材料,抗腐蝕性、抗壓傷能力,抗衝蝕、氣蝕能力,抗擦傷能力都較好,常用來堆焊使用條件惡劣、抗磨損、抗腐蝕要求高的截止閥密封麵 。用鈷基硬質合工堆焊焊條堆焊密封麵的截止閥靜壓壽命一般都在6000次以上 。但鈷基硬質合金堆焊材料堆焊工藝複雜,價格較貴(是Cr13型焊條價格18倍),從製造本錢考慮,對於中溫中壓截止閥選用鈷基合金堆焊焊條也不是較佳選擇。

80年代中期以來,針對Cr13型焊條堆焊加工成的密封麵抗擦傷能力不強的缺陷,國內有關單位陸續研製成功了85號鉻錳氮型堆焊焊條、137號鉻錳釴堆焊焊條 。

85號焊條堆焊合金係Cr-Mn-N合金 ,具有良好的抗水、蒸汽 、油等弱腐蝕性介質的腐蝕,采用這類焊條堆焊截止閥閥體、閥瓣,密封麵具有相當好的抗擦傷性能,抗擦傷性能優於具有最好硬度差的Cr13型堆焊合金。85號焊條堆焊工藝簡單,抗裂性能好,堆焊時不需實施預熱、保溫順緩冷等工藝措施,同時由於閥體、閥瓣堆焊采用同一種焊條 ,且不需采用複雜的熱處理工藝調整閥體、閥瓣密封麵的硬度差,這對組織生產極為方便,降低了生產本錢。筆者采用85號焊條堆焊閥體 、閥瓣,製造了公稱壓力2.5MPa,公稱通徑50mm的雙重密封截止閥,並對雙重密封截止閥進行10000次靜壓壽命試驗,試驗後對截止閥進行解體觀察 ,閥體、閥瓣密封麵沒有明顯擦傷痕跡。

137號焊條是85號焊條的改進型,其堆焊合金屬Cr-Mn-B係合金,同85號焊條堆焊合金相比,137號焊條堆焊合金在抗裂性、可切削性和抗腐蝕性上稍差一些,且價格也貴一些(約為85號焊條價格1.5倍),但抗擦傷性能和抗氣蝕性能方麵有明顯進步,適用於中溫高(中)壓堆止閥的堆焊。

綜上所述,對於中溫中壓碳鋼截止閥,從綜合性能 、堆焊工藝 、加工工藝本錢等方麵考慮 ,密封麵堆焊材料選用85號焊條比較合適。

5 樣機性能測試結果

根據軸向為金屬密封,徑向為軟填料密封的雙重密封道理,按照GB/T12235-1989《鋼製截止閥與升降式止回閥》標準設計、製造了PN2.5、DN50雙重密封截止閥樣機 ,並對雙重密封截止閥樣機進行了殼體試驗、液體密封試驗、氣體密封試驗、靜壓壽命試驗,試驗結果如表1所示 。

表1

項目標準值測試值殼體試驗試驗壓力(MPa)3.83.8持續時間(s)≥1515結果無可見滲漏及結構損傷無可見滲漏及結構損傷上密封試驗試驗壓力(MPa)2.82.8持續時間(s)≥1515結果無可見滲漏無可見滲漏液體密封試驗試驗壓力(MPa)2.82.8持續時間(s)≥1515泄漏率(滴/min)00氣體密封試驗試驗壓力(MPa)0.5~0.70.6持續時間(s)≥150泄漏率(氣泡/min)00靜壓壽命試驗 10010

從樣機性能測試結果可以看出,雙重密封截止閥密封性能可靠,靜壓壽命長 ,遠優於普通結構截止閥 。

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