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双重密封截止阀的研制和试验

发布日期:2012-08-10点击次数:1861次

1、前言
  截止阀作为一种通用阀门,在蒸汽系统、油料系统、生活用水系统、压缩空气系统等中温中压系统得到大量应用,但是,现在使用的截止阀由于填料选用、装填方式不合理等原因,普遍存在着外漏现象,同时由于密封面堆焊材料选用不尽合理,也存在着内漏现象。为了解决中温中压截止阀内漏、外漏问题,笔者经过几年的试验研究开发出双重密封截止阀,双重密封截止阀的密封性能比传统结构截止阀有显著提高。双重密封结构已获得国家专利,专利号为ZL98 2 26953.6。

 

2、双重密封结构的研究
  截止阀密封面材料配对常用的有两种:金属对金属密封(简称金属密封)和金属对非金属软牧厦芊?简称软密封)。
  金属密封截止阀密封结构可以看出,密封面的微观结构中存在着许多各式各样的凸峰和凹沟,为了使截止阀关闭时密封不漏,必须提高密封面的加工精度和粗糙度等级,并且对密封面施加很大的关闭力。由于对密封面施加了很大的力,密封面上必然存在着很大局部接触应力,对于采用具有“粘着”倾向的金属作为阀瓣、阀座密封面材料的截止阀,开启和关闭的瞬间,不可避免地存在擦伤现象,这是这类截止阀寿命较短的主要原因之一。另外,对于金属密封截止阀,即使提高加工精度,要做到零泄漏也不是件容易的事。
  软材料密封圈嵌入阀瓣或用压圈固定在阀瓣上。由于密封截止阀很容易实现严密密封,保证泄漏量为零,且在加工中可以降低对密封面加工精度的要求,因此对于密封要求严格的液化气截止阀和其它气体介质截止阀,这种软密封结构得到广泛应用。但是软密封截止阀的软密封面承压能力差,由于手动操作的截止阀关闭力难以限定,当阀瓣密封面同阀体密封面接触已能保证密封时,关闭动作仍不能停止,因而容易使软材料出现永久性变形,尤其是当阀门长期处于关闭时,由于软密封面长期受到过载压力的作用而使其出现永久变形,一旦开启后再关闭就容易失效。
  针对软密封截止阀密封严密但密封面承压能力差,金属密封截止阀密封面承压能力强,但可能会出现擦伤,且为使金属密封截止阀做到零泄漏,必然提高截止阀加工精度等级的特点,笔者提出截止阀双重内密封概念,即把金属密封、软密封各自的优点组合在一起,形成一个以金属密封为主密封,软密封为副密封的截止阀新型密封结构。
  (1)方案一:此机构是由软密封圈为弹性结构,内衬弹簧。关闭时,阀瓣向下运动,首先接触软密封圈使之变形,然后接触到金属密封面,通过阀杆向下施加的力主要由金属密封面承担。金属密封面和软密封面共同组成了阀体密封面,金属密封为主密封,软密封为副密封,当金属密封面有少量泄漏时,完全可由软密封面保证密封。此双重密封结构,阀瓣首先同软密封圈接触,由于关闭瞬间高速流动的介质可能破坏软密封圈,因此该方案不甚理想。
  (2)方案二:此结构密封件由阀瓣、软材料密封环、阀体金属密封面组成,密封环通过压环固定在阀体上。双重密封结构中金属密封为轴向主密封,软密封为径向副密封,当金属密封面出现泄漏时,泄漏的介质可被软材料密封环密封,此软材料密封环径向密封结构可彻底避免轴向软密封圈易被压坏的缺陷,同时该结构加工简单,同普通截止阀相比,成本不会增加多少。
  根据对两种方案的分析对比,确定方案二双重内密封结构为所选取结构,根据这种双重密封结构原理设计制造了公称压力为2.5MPa,公称通径为50mm的双重密封截止阀样机,并对样机进行静压寿命考核,以验证此结构的合理性。静压寿命试验进行10000次,样机性能完好、无泄漏。试验结果表明,此双重内密封结构是合理的,完全可以作为一种新的内密封结构在截止阀上得到应用。
3、填料密封材料选用及组合方式的研究
  目前国内截止阀产品多采用单一的柔性石墨环填料。柔性石墨环填料是用柔性石墨板材剪成条缠绕在与阀杆直径相同的棒上模压制成的,制作工艺简单,价格便宜。但单一柔性石墨环填料在应用中存在一些问题,主要表现在使用寿命短,操作不到千次就出现泄漏。造成上述问题的主要原因是由于柔性石墨环填料在同阀杆的接触过程中石墨颗粒向阀杆转移并沉积在阀杆表面,一方面阀杆表面变得粗糙起来,另一方面阀杆在往复运动过程中把部分沉积在其表面的石墨带出填料函,造成填料的体积损失,使填料处出现泄漏。不论是试验室试验还是现场使用结果都证明了这一点。
  为解决柔性石墨环填料在使用中存在的问题,作者对柔性石墨编织填料和柔性石墨环填料的组合使用进行了试验研究,试验压力为2.5MPa、填料函装填5层填料,上下各一层装填柔性石墨编织填料,中间三层装填柔性石墨环填料,试验结果表明,这种填料组合方式比较理想,同阀杆接触的柔性石墨编织填料不仅没有石墨转移,而且对柔性石墨环填料转移到阀杆上的石墨有擦拭作用,避免了填料的体积减小,显著提高了填料的可靠性,经万次静压寿命考核填料处无泄漏。
4、金属密封面堆焊材料选用研究
  在蒸汽系统、生活用水系统,压缩空气系统使用中大量采用铸钢截止阀,其密封面长期处于介质之中,受到介质的冲刷和腐蚀;同时,为保证截止阀密封,在密封面间必然施加一定的密封压力,由于密封比压的作用,截止阀阀瓣、阀座之间存在着摩擦磨损。因此,为保证截止阀的密封,防止内漏,必然对密封面的材料及形成方式加以考虑。
  国内目前截止阀密封面形成方式主要有6种:
  (1)直接在截止阀阀体、阀瓣上加工而成,此种方式主要用于铜截止阀、不锈钢截止阀及用于油品介质的截止阀;
  (2)用适当的材料加工成密封圈,把密封圈用机械连接方法、或螺纹连接方法、或压合方法、或焊接方法分别安装固定在截止阀阀体上和阀瓣上;
  (3)截止阀阀体、阀瓣上分别堆焊不锈钢并加工成密封面;
  (4)截止阀基体金属采用热处理渗氮方法形成密封面,此种方法主要用于基体材料为特种合金的截止阀;
  (5)采用热喷涂方法在基体金属表面喷涂一层适当材料,经加工形成密封面;
  (6)采用冷涂方法在基体金属表面涂上一层适当材料,经加工形成密封面,此方法适用于压力、温度不高,有耐腐蚀要求的截止阀。
  目前碳钢截止阀密封面主要采用在阀体、阀瓣上堆焊不锈钢并加工的方法。国内中温中压碳钢截止阀密封面采用的堆焊材料主要有Cr13型、铬锰型和钴基硬质合金焊条。
  Cr13型焊条堆焊层可通过热处理使硬度大于35HR,从而提高了密封面的抗压伤能力,但是,Cr13型堆焊层合金组织结构简单,不能形成致密的、高强度的多相化合物组织,因此用Cr13型焊条堆焊的密封面,互溶性大,“粘着”倾向大,抗擦伤能力差。虽然通过热处理方式可以调整阀体、阀瓣密封面硬度,使之形成硬度差,但即使密封副具有最佳的硬度差,密封副的抗擦伤能力也不是很理想。同时,Cr13型堆焊材料抗裂性不好,在堆焊时易出现裂纹,使用Cr13型焊材料焊前要预热,焊后要进行硬度差调整的热处理,这增加了截止阀制造的工艺成本。
  钴基合金堆焊焊条是一种理想的堆焊材料,抗腐蚀性、抗压伤能力,抗冲蚀、气蚀能力,抗擦伤能力都较好,常用来堆焊使用条件恶劣、抗磨损、抗腐蚀要求高的截止阀密封面。用钴基硬质合工堆焊焊条堆焊密封面的截止阀静压寿命一般都在6000次以上。但钴基硬质合金堆焊材料堆焊工艺复杂,价格较贵(是Cr13型焊条价格18倍),从制造成本考虑,对于中温中压截止阀选用钴基合金堆焊焊条也不是较佳选择。
  80年代中期以来,针对Cr13型焊条堆焊加工成的密封面抗擦伤能力不强的缺陷,国内有关单位陆续研制成功了85号铬锰氮型堆焊焊条、137号铬锰釴堆焊焊条。
  85号焊条堆焊合金系Cr-Mn-N合金,具有优良的抗水、蒸汽、油等弱腐蚀性介质的腐蚀,采用这种焊条堆焊截止阀阀体、阀瓣,密封面具有相当好的抗擦伤性能,抗擦伤性能优于具有最佳硬度差的Cr13型堆焊合金。85号焊条堆焊工艺简单,抗裂性能好,堆焊时不需实施预热、保温和缓冷等工艺措施,同时由于阀体、阀瓣堆焊采用同一种焊条,且不需采用复杂的热处理工艺调整阀体、阀瓣密封面的硬度差,这对组织生产极为方便,降低了生产成本。笔者采用85号焊条堆焊阀体、阀瓣,制造了公称压力2.5MPa,公称通径50mm的双重密封截止阀,并对双重密封截止阀进行10000次静压寿命试验,试验后对截止阀进行解体观察,阀体、阀瓣密封面没有明显擦伤痕迹。
  137号焊条是85号焊条的改进型,其堆焊合金属Cr-Mn-B系合金,同85号焊条堆焊合金相比,137号焊条堆焊合金在抗裂性、可切削性和抗腐蚀性上稍差一些,且价格也贵一些(约为85号焊条价格1.5倍),但抗擦伤性能和抗气蚀性能方面有明显提高,适用于中温高(中)压堆止阀的堆焊。
  综上所述,对于中温中压碳钢截止阀,从综合性能、堆焊工艺、加工工艺成本等方面考虑,密封面堆焊材料选用85号焊条比较合适。
5、样机性能测试结果
  根据轴向为金属密封,径向为软填料密封的双重密封原理,按照GB/T12235-1989《钢制截止阀与升降式止回阀》标准设计、制造了PN2.5、DN50双重密封截止阀样机,并对双重密封截止阀样机进行了壳体试验、液体密封试验、气体密封试验、静压寿命试验。
  从样机性能测试结果可以看出,双重密封截止阀密封性能可靠,静压寿命长,远优于普通结构截止阀。
 

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