浮動球球閥密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

2014-08-06 李鐵東浙江力諾流體控制科技股份有限公司

　　介紹了鑄鋼浮動球球閥的密封和耐火結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，論述了檢測結(jié)果及性能。

1、概述

　　近些年來，石油和石化等苛刻工況及企業(yè)嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范對球閥的質(zhì)量要求越來越高，對球閥的閥座密封、閥桿密封、閥門啟閉扭矩和閥門耐火性能等技術(shù)指標(biāo)要求越來越嚴(yán)格。經(jīng)過分析，根據(jù)API 6D 標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化了鑄鋼浮動球球閥的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了閥座和閥桿的密封性能，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)計算后發(fā)現(xiàn)相對于結(jié)構(gòu)改進(jìn)前閥門啟閉扭矩降低了30% ～ 40%。

2、結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)

2.1、閥座密封結(jié)構(gòu)

　　閥座改進(jìn)前其球形密封面或V 形密封面( 圖1) 與球面吻合形成密封副。所產(chǎn)生的密封力F1為

浮動球球閥密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

　　式中F1———改進(jìn)前閥座密封面上介質(zhì)作用力，N

　　D1———閥座密封面最大直徑，mm

　　P———設(shè)計壓力，MPa

　　由于球形密封面和V 形密封面較寬，在工作壓力或最大的設(shè)計壓力作用下，閥門的啟閉扭矩較大。在高壓情況下，當(dāng)閥座材料采用尼龍時，由于尼龍吸水率大會造成閥座膨脹，容易使閥座壓緊球體的力過大，增大了閥座預(yù)緊力，進(jìn)而加大了閥門啟閉扭矩，容易使閥桿變形，甚至扭斷，使閥門啟閉失效。

改進(jìn)前閥座密封結(jié)構(gòu)

(a) 球形密封面閥座(b) V 形密封面閥座

圖1 改進(jìn)前閥座密封結(jié)構(gòu)

　　為了改善閥座的受力情況，將閥座密封面改為雙重斜面結(jié)構(gòu)( 圖2) 。根據(jù)實(shí)際工況和閥座的設(shè)計預(yù)緊要求，利用聚四氟乙稀的冷流和彈性，在整機(jī)裝配后，只要很小的預(yù)緊力就能實(shí)現(xiàn)低壓氣密封。隨著介質(zhì)壓力逐漸增加，閥座密封面逐漸加寬，同時閥座的密封力隨著介質(zhì)工作壓力變化而改變。在實(shí)際工況中，介質(zhì)的工作壓力比設(shè)計壓力要小，則密封力F2為

浮動球球閥密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

　　式中F2———閥座結(jié)構(gòu)改進(jìn)后密封面上介質(zhì)作用力，N

　　Dm———閥座密封面最大有效直徑，mm

　　相對比較，Dm小于D1，而改進(jìn)后的D1斜面與球面不構(gòu)成密封副，因D1環(huán)形斜面上有球形圓弧槽，使其不產(chǎn)生密封力，而在介質(zhì)壓力作用下起到支撐球體的作用。閥座結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，由于F2小于F1，則摩擦轉(zhuǎn)矩T2小于T1。

浮動球球閥密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

　　式中T1———改進(jìn)前球體與閥座的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·mm

　　U———球體與閥座的摩擦系數(shù)

　　R———球體半徑，mm

　　α———密封面與球接觸夾角，( °)

　　T2———改進(jìn)后球體與閥座的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·mm

改進(jìn)后閥座密封結(jié)構(gòu)

圖2 改進(jìn)后閥座密封結(jié)構(gòu)

2.2、閥座耐火結(jié)構(gòu)

　　普通的浮動球球閥無法通過API 607 耐火試驗。①球體無支撐，因自重下垂( 圖3) 。②閥座硬面防火凸臺很薄。如果加厚防火凸臺，閥座內(nèi)徑要加大，球體要加大，閥門外形同時也加大，成本增加，所以防火凸臺尺寸一般僅為1 ～ 3mm 寬。在燃燒期間，防火凸臺軟化變形，和球面接觸部分不能達(dá)到密封要求。球體失去閥座支撐后球體下垂，閥座防火凸臺上沿與球體之間出現(xiàn)很大的流通面積，降低了介質(zhì)壓力，僅為0. 2MPa 的介質(zhì)壓力無法推動球體與閥座防火凸臺形成密封副，實(shí)現(xiàn)密封比壓，導(dǎo)致耐火作用失效。

改進(jìn)前球體無支撐

圖3 改進(jìn)前球體無支撐

　　為防止球體下垂，在閥體內(nèi)設(shè)一條環(huán)形支撐帶( 圖4) . 并在球體下端增加小鋼球和圓柱彈簧，彈簧能防靜電，又能起到支撐球體的作用。將閥座防火凸臺改為弧形圓角，燃燒后不變形。改進(jìn)后，球體由環(huán)帶支撐，防止燃燒后下垂，依靠介質(zhì)壓力將球體推向弧形圓角閥座密封面實(shí)現(xiàn)密封。因采用R 形圓角閥座的內(nèi)徑縮小，球體縮小，閥體外形也隨著減小，使閥門結(jié)構(gòu)湊，自重降低，機(jī)加工和檢測方便，加工精度容易得到保證，從而降低生產(chǎn)成本。

改進(jìn)后球體支撐結(jié)構(gòu)

圖4 改進(jìn)后球體支撐結(jié)構(gòu)

2.3、閥桿密封結(jié)構(gòu)

　　閥桿密封填料磨損或預(yù)緊比壓不夠等原因會造成閥桿部位泄漏。不易燃介質(zhì)及沒有耐火要求的閥門，填料可以采用聚四氟乙烯或石墨。有耐火要求的閥門，填料必須采用石墨，但石墨密封件啟閉容易泄漏。改進(jìn)后的閥桿密封增設(shè)一道O 形圈密封( 圖5) ，使閥桿具有雙重密封功能，在正常使用狀態(tài)實(shí)現(xiàn)密封。在O 形圈燒毀時，石墨起到防火作用，達(dá)到了API 607 的耐火要求。

改進(jìn)后閥桿密封

圖5 改進(jìn)后閥桿密封

3、檢測試驗

　　(1) 閥座密封和扭矩測試

　　改進(jìn)后的閥門按照API 6D 規(guī)定，采用低壓0. 6MPa 氣體進(jìn)行閥門密封測試，測試結(jié)果100% 零泄漏。

　　扭矩測試采用5 臺4in. ( 100mm) - 150 磅級球閥進(jìn)行檢測。在腔體帶壓下，通孔一端帶壓，一端通向大氣，閥門由關(guān)閉到開啟。試驗合格后，采用相同的方法對另一端通孔進(jìn)行試驗( 表1) 。

表1 球閥扭矩測試值N·m

球閥扭矩測試值

　　API 6D 標(biāo)準(zhǔn)要求，加在扳手上的最大操作力不應(yīng)超過360N，扳手的長度應(yīng)小于閥門結(jié)構(gòu)長度的2倍，對于4in. ( 100mm) - 150 磅級的球閥，扳手的最大長度為458mm，設(shè)計手柄長度L 為360mm。根據(jù)測試結(jié)果，最大扭矩T = 52N·m，作用在手柄上的最大操作力為F = T /L 為145N，符合API 6D 操作力F < 360N 的要求。

表2 耐火試驗的泄漏量ml /min

耐火試驗的泄漏量

　　(2) 耐火試驗

　　耐火試驗閥門是在一批( 50 臺) 4in. ( 100mm)- 150 磅級的球閥中抽取5 臺進(jìn)行試驗( 表2) ，其結(jié)果與API 607 耐火試驗規(guī)定的要求比較。燃燒期間允許通過閥座的泄漏標(biāo)準(zhǔn)值是400ml /min，實(shí)測最大泄漏量為40ml /min。燃燒后允許通過閥座的泄漏標(biāo)準(zhǔn)值是160ml /min，實(shí)測最大泄漏量為20. 2ml /min。燃燒期間允許外泄漏的標(biāo)準(zhǔn)值是100ml /min，實(shí)測最大泄漏量為0. 7ml /min。燃燒后允許外泄漏的標(biāo)準(zhǔn)值是100ml /min。實(shí)測最大泄漏量為13. 5ml /min。所有項目均符合API 607 耐火試驗的要求。