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低溫球閥閥座結構型式的試驗分析

來源：發(fā)布時間：2015-01-06 16:50:52點擊率：

　　球閥具有流阻小、結構簡單、啟閉快速、安裝和操作方便等特點，廣泛應用于流體控制系統(tǒng)。

　　按介質的溫度范圍劃分，球閥有常溫球閥和低溫球閥。低溫球閥工作介質的溫度可達20K(液氫)，甚至更低。與常溫球閥相比，低溫球閥的結構以及材料選擇上有很大不同。除了閥體需采取保溫結構，如真空絕熱或發(fā)泡保溫外，主密封結構，即閥座結構及其材料的選擇是影響低溫球閥工作性能的重要因素，尤其是大口徑低溫球閥。

　　本文對常溫狀態(tài)下常用結構型式的閥座進行了低溫試驗，在分析試驗結果的基礎上提出了滿足大口徑低溫球閥使用要求的閥座結構型式。

　　1 常溫狀態(tài)下閥座常用的結構型式

　　常溫狀態(tài)球閥常用的閥座結構型式有剛性閥座、帶彈性元件的閥座、聚四氟乙烯唇式閥座和組合型閥座(彈性脹圈與聚四氟乙烯唇式密封座組合)。唇式閥座的唇形結構具有較好的彈性，可保證密封面的預壓縮量并對密封面的預壓縮量進行補償;組合型閥座依靠彈性脹圈良好的彈塑性變形能力，增強閥座的變形能力和補償能力，提高了球閥的密封性。常用密封結構見圖1～圖5。

　　圖1 剛性閥座

　　圖2 唇式閥座

　　1-導向套筒2-支承環(huán)3-蝶形彈簧

　　4-套筒5-密封座6-中間環(huán)

　　圖3 帶蝶形彈簧的閥座

　　1-圓柱螺旋彈簧2-活套3-密封座

　　圖4 帶圓柱螺旋彈簧的閥座

　　1-彈性脹圈2-聚四氟乙烯唇式密封座

　　圖5 帶彈性脹圈的組合型閥座

　　實際使用中，選用哪種閥座結構需視球閥的工作壓力范圍、介質、工作流程要求等情況確定。

　　2 閥座低溫試驗及結果分析

　　2.1 低溫試驗閥座的結構型式選擇

　　所涉及低溫球閥的工作介質一般為液氧、液氮和液氫，低溫試驗閥座的材料需具有介質相容性又滿足低溫工作要求。金屬材料一般為不銹鋼或銅、鎳基合金材料;密封材料一般為聚四氟乙烯(PTFE、F4)。

　　在分析的基礎上，確定選擇3種閥座作為低溫試驗的樣本，即整體式剛性閥座(圖6a)、帶彈性脹圈的組合型閥座(圖6b)、嵌入式剛性閥座(圖6c)。

　　圖6 閥座結構型式

　　嵌入式剛性閥座是將聚四氟乙烯密封圈以過盈配合嵌入金屬座的溝槽中。金屬座溝槽的內圓面有5°的斜角，使得密封圈壓入后單邊局部有0.5mm的間隙，作為密封圈的收縮空間。

　　2.2 閥座低溫試驗

　　1)試驗流程

　　閥座低溫試驗時，將不同結構型式的閥座裝配在DN150的氣動球閥上，分別進行低溫介質試驗，測試相關性能。試驗參照QJ2474《低溫球閥通用技術條件》的規(guī)定，采用通流法試驗。試驗流程見圖7。

　　圖7 閥座低溫試驗裝置原理圖

　　試驗流程如下：

　　(1)預冷。預冷時球閥處于開啟狀態(tài)。

　　①按原理圖連接試驗件;

　?、诖蜷_截止閥K1、K3、K4;

　?、圩⑷胍旱?，預冷球閥;

　?、墚敊z測口有液氮溢出時，關閉K4繼續(xù)預冷;

　　⑤當閥體絕大部分表面結霜或有液氮溢出時，關閉K3，預冷結束。

　　(2)外泄漏試驗。外密封試驗檢查球閥填料函的密封狀況。

　?、僖揽恳旱獨饣?，使球閥內壓力自動增至2.0MPa;

　?、诒?min(注意：若出現(xiàn)超壓，需打開K3泄壓);

　?、郾哼^程檢查外泄漏情況。

　　(3)內泄漏試驗。

　?、訇P閉球閥，打開K3、K4放空;

　?、谟眉儍舻牡獨獯蹈沙隹谇?，吹除時間約5min，以氮氣接入口處無霜為準。吹除結束后，靜置3min;此時需保證球閥出口腔無壓力，且入口腔壓力為2MPa。然后打開檢測口，將測試管道浸入無水酒精容器的液面下5mm，檢查泄漏情況;

　?、墼囼炌瓿珊螅蜷_球閥卸壓。

　　2)試驗結果

　　(1)整體式剛性閥座。外泄漏試驗結束時，在額定操縱壓力下球閥不能關閉，未再進行后續(xù)試驗。分解檢查，閥座聚四氟乙烯密封圈有少量磨損，其余零件完好。

　　(2)帶彈性脹圈的組合型閥座。外泄漏試驗合格;內泄漏試驗時，球閥開關靈活。氮氣吹除結束后，檢測口持續(xù)有白煙冒出并伴隨漏氣聲，存在內泄漏。分解檢查發(fā)現(xiàn)閥座的密封圈斷裂，如圖8。

　　圖8 閥座斷裂后的照片

　　(3)嵌入式剛性閥座。試驗結束時，外泄漏和內泄漏均符合要求，啟閉動作靈活。

　　產品在系統(tǒng)中安裝后，進行了8次實際工作介質的調試，累計低溫液體通流時間10h以上，保持了良好的密封，動作靈活順暢。分解檢查，除聚四氟乙烯密封圈有少量磨損外，零件完好無損。

　　2.3 試驗結果分析

　　1)球閥工作時的扭矩

　　球閥的基本結構見圖9。對工作過程的受力分析可知，球閥工作過程的扭矩由3部分組成，即：

　　(1)填料與閥桿的摩擦扭矩。

　　填料函的V形填料受預緊力或介質的作用力下變形，擠壓閥桿和閥體形成密封副，球閥啟閉閥桿轉動時產生摩擦力矩。在低溫狀態(tài)下填料徑向收縮，閥桿和填料間的擠壓力增加，將導致摩擦力矩增加。

　　圖9 球閥結構簡圖

　　(2)球體與閥座密封面的摩擦扭矩。

　　閥座為聚四氟乙烯制成的密封圈，線膨脹系數(shù)為10～12×10-5/K;球體材料為06Cr19Ni10，線膨脹系數(shù)為16×10-6/K，可見閥座的線膨脹系數(shù)遠大于球體的線脹系數(shù)。在低溫狀態(tài)下，閥座的收縮量比球體的收縮量要大。在閥座結構未考慮收縮補償時，球體和閥體會限制閥座的收縮，對閥座產生限制力F1，作用方向與球面和閥座接觸的圓弧面相切，指向閥座，如圖10所示。F1增加了球體與閥座間的摩擦力，從而增加閥桿的扭矩。

　　圖10 F1的作用

　　(3)閥桿臺肩接觸面的摩擦力矩。分析認為，球閥在低溫介質下工作時，溫度變化將對填料與閥桿的摩擦扭矩和球體與閥座密封面的摩擦扭矩產生影響影響，進而影響閥的性能。

　　2)結果分析

　　(1)整體式剛性閥座。整體式剛性閥座聚四氟乙烯密封圈體積較大，受2.3中1)所述影響 為突出，在低溫狀態(tài)下扭矩增大，導致操縱力不足以克服存在的扭矩，使閥門不能靈活啟閉。

　　(2)帶彈性脹圈的組合型閥座。帶彈性脹圈的組合型閥座聚四氟乙烯密封圈形狀復雜，壁厚差異大，易形成應力集中。低溫狀態(tài)聚四氟乙烯密封圈收縮量大，而彈性脹圈收縮量小，限制了聚四氟乙烯密封圈的收縮，致使聚四氟乙烯密封圈的形變應力超過了許用抗拉強度，產生斷裂。

　　(3)嵌入式剛性閥座。嵌入式剛性閥座在限制聚四氟乙烯密封圈收縮的同時考慮了溫度變化產生的應力的釋放，為聚四氟乙烯密封圈的收縮預留了空間。既避免了聚四氟乙烯密封圈收縮量過大，使球體與閥座間的摩擦扭矩增加的問題，又有效地釋放了聚四氟乙烯密封圈的應力，防止了聚四氟乙烯密封圈產生斷裂。

　　2.4 對比分析

　　裝配整體式剛性閥座的球閥試驗過程發(fā)生不能關閉的現(xiàn)象，其主要原因是由于在低溫狀態(tài)下閥座收縮量遠大于球體球，使閥座和球體間的摩擦力大幅度增加，導致閥桿操縱扭矩顯著增大所致。

　　裝配帶彈性脹圈的組合型閥座的球閥的彈性漲圈限制了聚四氟乙烯密封圈在低溫狀態(tài)的自由收縮，同時密封圈結構又存在應力集中的現(xiàn)象，是密封圈斷裂失效的根本原因。

　　嵌入式剛性閥座在結構上實現(xiàn)了既限制其徑向收縮，又保證了在允許范圍內的徑向收縮，使操縱扭矩控制在了允許范圍，既達到了可靠密封又保證了操作靈活。

　　3 結語

　　通過對三種不同結構的閥座進行低溫驗證試驗，分析認為：

　　(1)低溫球閥的閥座結構設計需考慮限制聚四氟乙烯密封圈的徑向收縮量，防止球體與閥座的摩擦力過大;在限制密封圈徑向收縮的同時，還需考慮釋放低溫狀態(tài)下產生的應力。

　　(2)閥座聚四氟乙烯密封圈的徑向尺寸，在保證密封比壓不超過許用比壓的前提下應盡量減小，且結構型面不宜過于復雜，壁厚應盡量均勻;在結構允許的情況下，密封圈的厚度應盡量大，增加抗拉應力的能力。

　　(3)在限制聚四氟乙烯密封圈徑向收縮的同時需考慮釋放其在溫度大范圍變化狀態(tài)下產生的應力。

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