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浮动球阀的密封原理及结构简介

更新时间:2013-12-10      浏览次数:5826

球阀的问世是第二次世界大战以后的事,虽然它的发明可以追溯至20世纪初期,但是这一结构 由于当时材料工业和机械加工业的限制,未能完成其商品化的步骤。一直到1943年,美国杜邦公司发明了一种高分子材料聚四氟乙烯(PTFE)塑料,这种材料具有足够的抗拉和抗压强度,一定的弹塑性,良好的自润滑特性,以及优良的耐蚀性能,十分适宜作为密封材料,可获得十分可靠的密封效果。另一方面,由于车球机和磨球机的进步,可以加工高圆度和表面光洁度的球体作为球阀的启闭件。这样,一种全通径,90°角行程回转的阀门新品种进入阀门市场, 引起广泛的关注,逐步取代传统的阀门产品截止阀、 闸阀、旋塞阀和蝶阀,并不断地扩大其应用领域,从 小口径到大口径,从低压到高压,从常温到高温、到低温。目前,球阀的zui大口径已发展至60in,zui高压力等级为4500磅级,zui低温度可达液氢温度 -254°C,zui高温度可达850〜900°C,适用于各种介质以及气-固,液-固两相流,成为zui有发展前景的一 种阀门类型。

球阀就结构原理言,可以分为浮动球固定阀座球阀,简称浮动球球阀(floating ball valve)和固定球浮动阀座球阀,简称固定球球阀(trunnion mounted ball valve)两大类。

按阀体的结构形式分,可以分为上装式球阀和侧装式球阀。侧装式球阀又可分为整体式、两段式和三段式,即阀体是整体的,阀体由主、副阀体组成的和阀体由一个主阀体、两个副阀体组成的三种结构形式。

按阀门密封材料分,可以分为软密封球阀和硬密封球阀。软密封球阀的密封材料为:聚四氟乙烯 (PTFE)、增强聚四氟乙烯、尼龙等高分子材料和橡胶;硬密封球阀密封材料为金属。

按阀门的功能分,可以分为二通开关阀、三通和四通换向阀,以及调节型球阀。

按操作方式分,可以分为手动、蜗轮传动、气动、气液联动、电动、电液联动、液动等。

按阀门的连接方式,可以分为法兰端连接、焊接端连接和螺纹端连接。焊接端又可以分为承插焊和对焊焊接连接。

另外,根据用户的工况需要直接命名的特种球阀,如管线球阀用于长输管线;夹套球阀用于管线加 热、保温;衬塑球阀用于防腐蚀;锁猹球阀用于煤气化炉渣液排放,以及用于电厂高温高压蒸汽的疏水球阀等。

按球阀启闭件球体的形状与大小,可以分为V 形球阀,半球阀,全通径和缩径球阀等。

按照使用的介质温度,可分为高温球阀,低温球 阀和深冷球阀。

按照阀体材料,可以分为碳钢球阀,不锈钢球阀,钛合金球阀,蒙乃尔球阀,塑料球阀,铜球阀, 铝合金球阀等。

不管对球阀进行如何分类,从球阀产品的制造和应用角度看,zui重要的是从阀门结构和密封材料来分类,即浮动球球阀和固定球球阀,软密封球阀和硬密 封球阀是两个zui重要的分类方法。其次是按服务工况需要直接命名的特种球阀,下面按照这一分类方法进一步来讨论球阀的结构原理以及它们的应用。

3.2.1浮动球球阀的密封原理和结构特征

(1)浮动球球阀密封原理

浮动球球阀的启闭件是一个球体,中间有一个与管道通径相等的通孔,进口端和出口端各置一个用PTFE制造的密封座,并被包容在一个金属的阀体 内,当球体内的通孔与管线通道重合时,阀门处于开启状态;当球体内的通孔与管线通道垂直时,阀门处 于关闭状态。阀门从开启至关闭,或者从关闭至开启球体回转90°角行程(图3-1)。

当球阀处于关闭位置时,进口端的介质压力作用在球体上,产生一个推动球体的力,使球体紧压出口 端的密封座,在密封座的锥面上产生一个接触应力, 形成一个接触带,接触带单位面积上的作用力称为阀门密封的工作比压g,当这一比压大于密封所必需的 比压时,阀门就获得了有效的密封。这种不是靠外力的密封方式,由介质压力密封的,称为介质自密封。 在设计中,应满足:

式中qb——密封必需的比压,与密封材料和球体的加工精度有关,MPa;[g] 密封材料的许用比压([qCIptfe^SO,[9]尼龙=40),MPa。

应该指出,传统的阀门如截止阀、闸阀、中线蝶阀、旋塞阀是靠外部施加的力,作用在阀座上来获得可靠的密封,这种借外力施加而获得的密封,称之为强制密封。外部施加的强制密封力带有随意性和不确定性,不利于阀门的长期使用。球阀的密封原理是作用在密封座上的力,由介质的压力产生的。这一作用力是稳定的,是可以控制的,由设计时确定。

①为了保证球体在关闭位置时,能产生一个介质的作用力,事先在阀门装配时,球体必须紧贴密封座,而且需要过盈,产生一个预紧比压,这个预紧比压为0.1倍工作压力且不小于2MPa。这个预紧比压的获得,*靠设计的几何尺寸来保证。如果设球体 和进口、出口密封座组合后的自由高度为A;左、右 阀体组合后内腔容纳球体、密封座的宽度为B,则装配后产生必需的预紧比压所需的过盈为C,必满足: A-B=C0这个C值必须由零件加工的几何尺寸来保证。可以设想这个过盈C是很难确定和保证的。 过盈值的大小直接决定阀门的密封性能和操作力矩。

②应该特别指出,早期国产的浮动球球阀(图3- 2)由于装配时过盈值难于控制,常常用垫片调整,很多制造商甚至在手册中把这一垫片称为调整垫。这样, 装配时主、副阀体的连接平面之间存在间隙,这一间隙的存在,由于使用中介质压力波动和温度的波动,以及外部管线载荷作用,会使螺栓松弛,引起阀门外漏。

③当阀门处于关闭位置时,进口端的介质力作 用在球体上,会使球体的几何中心产生一个微小的位移,与出口端阀座紧密接触,增加密封带上的接触应力,从而获得可靠的密封;而进口端阀座与球体相接触的预紧力将减小,影响进口密封座的密封性能。这 种球阀结构,就是在工作状态下,球体几何中心有微小位移的球阀,称之为浮动球球阀。浮动球球阀是出口端密封座密封,进口端阀座是否有密封功能是不确定的。

④浮动球球阀结构是双向的(bi-direction),即两个介质流动方向均可密封。

⑤球体相接的密封座是高分子材料制造的,球体转动时,可能产生静电,如无特殊的结构设计—— 防静电设计,则静电可能在球体上积聚。

⑥对于由两个密封座组成的阀门,阀腔可能积聚介质,某些介质可能由于环境温度和使用工况变化而异常升压,引起阀门压力边界的破坏,应予以注意。

(2)浮动球球阀结构特征

进一步分析球阀的结构,并与传统阀门做一个简明的比较。

①全通径,就是与管线的流道直径相等,具有zui大的流通能力,zui大的流量系数Cv值,或者说流阻zui小。这在工程上应用具有十分重要的意义,特别是从节能环保的角度而言,球阀是一个节能产品。对 于一个2in的阀门,球阀与其他结构形式的阀门,如 闸阀、截止阀、蝶阀、旋塞阀,其流量系数比较如表 3-1 所 7K。

 

水,在lpsi (0. 07bar)的压差下,流经阀门每分钟的加仑(美制)数。

至于球阀的流量特性,即开度与流量系数的关系为等百分比特性(图3-3)。球阀的开度为50%时, 其流量系数仅为额定值的10%,开度为80%时,仅为额定值的40%。球阀作为调节阀使用具有近似于 等百分比流量特性。

②球阀的启闭阀杆做回转运动,和蝶阀、旋塞 阀一样,不同于做直线运动的闸阀和截止阀。回转的角度是90°角行程,与直线运动的阀门比较,启闭方便,便于实现阀门操作的选用电动装自动化。如果置,直线行程的阀门选用的是多回转电动装置,做 90°角行程的阀门选用的是部分回转角行程回转的电动装置。

球阀的两大特点是球阀的发展以及在工业领域中不断替代传统阀门的动力。因此,在球阀问世之后其市场的占有量每年以20%的速度递增,是发展zui为迅速的一个阀门品种。但在球阀的发展中,对于阀门高的密封要求和低的操作力矩要求始终是产品追求的两个目标,而这两个目标是一对矛盾,这一矛盾的对立与统一,进一步促进球阀的发展。其中zui重要的发展是密封座结构的改进。

球阀填塞式密封结构(图3-4)是早期球阀密封座的标准设计,一个形状简单的由PTFE制造的圆环装在球体和阀体之间,这种密封座结构称为“填塞式” 密封(jamseal)。可以设想,这种结构设计很难来控制装配过盈量C,或者说,装配时预紧比压值对过盈 量C的变化十分敏感,制造的球阀不是过盈量太小而容易泄漏,就是过盈量太大而转矩太大,制造不出品质优良的产品。特别是当阀门用在过程工业中,阀门 要经受压力波动和温度波动,这时填塞式密封的球阀的缺陷被显示出来。因为填塞式密封的塑料应变发生在球体与密封座和阀体与密封座之间,这两个区域的 接触应力大小,决定阀门的密封性能。在阀门使用中,不希望这一接触应力会产生松弛而引起内漏。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

因此,希望密封材料像橡胶一样,受压时可以发生较大的变形,来填补金属表面的微观不平度,而当应力消除后又能回复其原来的形状,这种现象被称为材料的“记忆特性”,一个较好的例子是橡皮筋,可以被拉得很长,应力一旦消失,就回复到其原来的形状,所以工程上很多场合选用橡胶密封圈作密封材料,但PTFE就不具备这种“记忆特性”,它的弹性范围很小,塑性范围很大。而且当应力达到一定程 度,就产生“冷流”现象,就是发生了宏观的形状变化。例如PTFE在常温下,产生“冷流”的极限应力为42MPa。温度上升时,这一值迅速降低,当温度为150°C时,产生“冷流”的极限应力值为4. 7MPa。

另一个缺陷是热膨胀特性,通常希望密封材料的热膨胀系数和金属材料接近,这样环境或者工况温度

 

 

 

变化时,密封材料的“过盈”量不会发生明显的变化,遗憾的是PTFE的热膨胀系数是钢的7. 5倍,这 就使当温度升高时,密封材料的过盈量增加,阀门的关闭转矩增加,开关失灵。当温度下降时,密封材料收缩,保持密封的过盈量消失,阀门就产生泄漏。

如果把PTFE的“冷流”特性和热膨胀特性结合来考虑,问题就变得更加严重,就是一旦发生较大的热循环现象,由于PTFE的膨胀比金属膨胀大得多, 过盈量增加,压缩应力增加,超过冷流极限,密封材料就产生“冷流”,温度下降后,其他材料回复到其原来的形状,而密封材料PTFE例外,产生了“冷 流”,发生了严重的变形,装配时的密封座PTFE的过盈量消失,阀门就产生了不可恢复的泄漏。

(2)唇式

基本上述情况,就要设计一种密封座的形状,克服PTFE的“冷流”和热膨胀特性的缺陷来改善其记忆特性。这种密封结构称之为具有挠性的唇式密封技

术(lip~seal)0

有许多种的挠性设计可以来解决这一问题,从而出现各种各样的密封结构被申请了,这已是20 世纪60〜70年代的事。而它的设计技巧和原理并未被工程师们所认识。图3-5所示是唇式密封座的一种结构,它有一个特别的形状,有两个密封接触点,一 点与球面接触,另一点与阀座接触。在介质力水平方向作用下,密封座的形状发生变化,产生一个恢复原 始形状的挠曲力。当介质力消失后,恢复原来的形状,获得了 “记忆特性”,这种密封座称为挠性唇式密封座。

对于挠性唇式密封座可以做一个压力和变形的实 验(图3-6),图中的曲线表示2 in球阀密封座的效率曲线。区域A的面积表示密封座的zui大变形能,区域B的面积表示压力去除后变形的回复。同时又可以看到,设计的2in球阀唇式密封座的zui大初始变 尺寸可达到2. 5_。装配后唇式密封座弹性变形尺寸可达到1. 5mm为了使唇部的变形量不致过大,防止可能发生的*变形,所以在唇式密封座设计时考虑有一个支撑点来限制其过度变形的发生。如图3-7所示。这一改进使密封座具备下列功能:

①球体保持在阀腔中心,球体浮动是微小的;

②装配后,唇部发生变形,能储存弹性变形能, 实现低压下的密封;

③密封座上有一支撑点,当压力升高,温度升高时,平衡部分作用在密封座上的介质力;

④防止材料可能产生的“冷流”。

这种截面形状的唇式密封座装配前的形状如图 3-7 (a)所示。装配后的形状如图3-7 (b)所示,有四个接触点,B点是与球体接触的密封点,A点是与阀体接触的密封点,C点是与球体接触的支撑点,D 点是与阀体接触的支撑点。装配前后唇缘的形状变化,储存了材料的弹性变形能,像弹簧一样。而且当温度或压力升高时,进一步吸收弹性变形能,当温度或压力下降时,泄放弹性变形能来获得记忆特性。

 

另外,还有一个阀腔内压力夹持的问题,就是 ANSI B16. 34-2009《法兰、螺纹和焊接端阀门》标准中,第2. 3. 3节提出的介质热膨胀。“在某些情况 下,一些双密封座的阀门结构可能会同时对中腔至相邻管线的压力差造成隔离,当中腔充满液体或部分充 满液体,并受到温度升高的影响,就会造成中腔压力的异常升高,从而导致压力边界的失效。如果发生这种情况,购方应要求供方提供设计、安装或操作程序 以确保阀腔中的压力不超过本标准规定的材料压力- 温度许可值。”

解决这一问题可以在球体上钻一个孔,当球阀关闭时,腔体与进口端管道相通,夹持在腔体中的液体可以向进口端排出,但球阀失去双向流动的优点,在某些工程中不能被接受。也可以在壳体上装一只安全泄放阀,将增加麻烦,因此希望密封座具备自泄放功能。当腔体压力升高时,自动向进口侧或出口侧排放。

为说明这一结构的实施过程,先参考图3-7 (a) 所示是未装配前密封座状态;图3-7 (b)所示是装配后密封座发生了变形,变形后根部C与球体接触, 原来根部与球体的间隙消失,唇缘被压缩而弯曲,这一变形使整个环向中心有一个弯矩,B、C两点是两条密封线。A、D两点是在阀体上与密封环接触的两条密封线,腔体内的压力与进口、出口介质压力相隔 离。如果在密封座外缘开泄放槽,如图3-7 (c)中虚线所示,腔内的介质合力方向是增加密封的可靠性。 如果再在根部幵泄压槽,如图3-7 (d)中虚线所示, 介质合力的方向改变,倾向于将唇边弯曲,当腔内压力异常升高时,唇边处将使阀门内压力泄放。这就是 为满足ANSI B16. 34第2. 3. 3节压力泄放的要求而

设计的唇式挠性密封座,被广泛用于现代浮动球球阀的产品中。

另外,在介质压力升高和环境温度升高时外缘的 槽和根部的槽减轻了密封座对球体夹持力的增加,亦减少了操作力矩。

阀门在使用中有一个阀体材料的压力-温度额定值,这一数值是由标准ANSI B16.34给出。例如, 一个Class 150的碳钢A105球阀,在常温一29〜 38°C时的zui高工作压力为19.6bar,但在200°C温度 时,zui高工作压力为13. 8bar。表3-4是Class 150, Class 300,Class 600浮动球球阀阀体压力-温度额定值的数据。

另外,不同密封材料制作的密封座在使用中也有一个额定值,这个值与压力、温度、口径以及结构形式有关。因此,这一数值由制造厂提供,对于一个给定的密封材料和密封结构,一般都以图表形式来表示产品的压力和温度的使用范围。

图3-8所示是上海耐莱斯•詹姆斯伯雷阀门有限公司提供的9000系列球阀密封座的压力-温度额定值。T表示传统PTFE,M表示增强PTFE,B表示 PFA塑料,1/表示聚乙烯,L表示PEEK, i?表示旦林,V表示Polymide,一组虚线表示Class 150, Class 300阀体的压力-温度额定值。曲线表示水蒸气 的饱和蒸汽压(saturated steam) 0

 

PTFE的发明对球阀的发展起着很大的作用,没有它恐怕不会有球阀的巨大发展。但随着时间的推进,PTFE在具有许多优点的同时逐渐显露出一些缺点,如前面提到的“冷流”和热膨胀,以及压力-温 度使用等级的限制。因此,有必要讨论密封材料的发展以及它们的适用范围

密封材料就大范围而言可以分为两类,一类是高分子材料PTFE及其他聚合物,能保障可靠的密封; 第二类是金属,一般情况只能保障低泄漏率,金属密封材料将在金属密封球阀中讨论,这里只介绍高分子材料聚合物的软密封材料。

某些聚合物密封的球阀,工厂试验可以达到无可见气泡泄漏,即“零”泄漏。而且在许多场合,在使用的持续时间内保持这一性能。影响密封性能重要的因素是使用的介质,如果阀门的使用条件十分严峻, 如腐蚀性介质,高温、高压等则密封性能会受很大影响。

密封性能的寿命受下列因素影响:压力、温度、压 力的波动程度,介质流速,阀门操作速度与启闭频率。 在实际使用中,这些因素是交叉影响。因此,要获得长期的使用寿命和严酷的工况,就要发展密封材料。

①聚四氟乙烯(PTFE)纯的PTFE是球阀zui基本的密封材料,它既具有一定的耐温范围,从低温 至zui高350下(177°C),又具有优良的抗化学稳定性

和自润滑特性,适用范围较广。

②填充PTFE填充的或者增强的PTFE塑料, 实际上具有纯PTFE的一切特性,而其温度的适用范围增大,对4in以下的球阀可扩大至400T (205°C)。 填充的材料一般是玻璃纤维、碳、石墨等。

③金属增强的PTFE填充的材料铜粉或其他金属粉末,设计这种密封材料是专门用于较强的压力波动的场合,主要用于纸浆厂蒸煮器的放料系统。

④特种尼龙特种尼龙密封座适用于FTFE不 能适应的更高压力的场合,根据阀门的类型和尺寸大小zui高可以达到4500psi,但它的抗化学稳定性较低, 广泛用于高压液体、空气及其他气体(不包括氧气) 的系统中。

⑤旦林是聚甲醛的商品名称,具有类似金属的硬度、强度和刚性。较宽的温度和湿度下有很好的自润滑性,摩擦因数低,富有弹性,对大多数溶剂有较好的耐蚀性,其缺点是对强酸、强氧化剂敏感。适用温度一40〜116°C,抗拉强度为69MPa,剪切强度 65MPa,弯曲强度97MPa,线胀系数为(9.6〜 12.8)X10-5 • °0-!,成形方法为注塑,zui高压力可达

 

图3-12是上装式阀体浮动球球阀的外形图。阀 体是整体结构,上部开孔具有很好的刚性,与密封座相接的面是两个有3°倾角的斜面,球体与密封座组成后由上部装入,为了使密封座与球体组装后有一个 3°倾角的斜面,球体通道的中心线偏离球体中心,也有一个3°的倾角。球体与阀杆可以在球体与阀盖之间设置一弹簧,增加密封座的预紧力。这种结构的优点是可以在线维修,缺点是整体重量大,工艺复杂, 成本高。对于浮动球结构的适用于Classl50, Class300, Class600,通径 NPS8 以下的规格。

 

 

 

来源:上海自动化仪表销售网(www.40017.net)

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