新型氟塑料襯里蝶閥設(shè)計(jì)、制造與工藝
1、前言
在人類進(jìn)入“低碳”發(fā)展時(shí)代，用最“低碳”設(shè)計(jì)思維，用最合理的制造工藝，用最經(jīng)濟(jì)的材料，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最優(yōu)化，效益最大化，滿足工業(yè)發(fā)展的不同需求，是每個(gè)制造商應(yīng)盡的責(zé)任。
隨著現(xiàn)代石油化工工業(yè)的快速發(fā)展，早先年出現(xiàn)的襯橡膠、搪瓷閥門已不能滿足日新月異的工業(yè)需要。人們?cè)诓粩嗟膶で笞罱?jīng)濟(jì)、最合理最低碳的方法來解決這些工業(yè)需要，因此出現(xiàn)了各種材料的襯里閥門，其中氟塑料襯里閥門是襯里閥門中的一朵奇葩。
本文介紹了一種新型氟塑料襯里蝶閥的設(shè)計(jì)制造與工藝。
2、氟塑料襯里蝶閥的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
1.閥體 2.閥座襯里層 3.蝶板襯里層 4.蝶板 5.O型密封圈 6.防塵密封圈 7.驅(qū)動(dòng)裝置
圖1 雙法蘭式連接蝶閥
2.1、結(jié)構(gòu)及主要零件名稱
氟塑料襯里喋閥的結(jié)構(gòu)及主要零件名稱如圖1和圖2所示。
1.閥體 2.閥座襯里層 3.蝶板襯里層 4.蝶板 5.O型密封圈 6.防塵密封圈 7.手柄
圖2 對(duì)夾式連接蝶閥
2.2、適用范圍
公稱壓力確定為≤PN16。氟塑料的承受壓力最高可達(dá)到2.5MPa，選公稱壓力PN16為保險(xiǎn)值。公稱尺寸選定DN50～1200。襯里蝶閥最小公稱尺寸為DN50，最大公稱尺寸DN1200，也有做到1200以上的。
適用溫度：按所選用的不同材料(金屬材料和非金屬材料)能承受的溫度綜合評(píng)定。如鋼制襯氟塑料(WCB+F46)材料，使用溫度為-29℃～150℃。限定最高值不超過150℃。
適用介質(zhì)：低黏度酸、堿類腐蝕性介質(zhì)。主要指酸性、堿性、有機(jī)和無機(jī)溶劑等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)。低黏度是相對(duì)濃度較高的顆粒狀介質(zhì)而言，氟塑料襯里閥門應(yīng)盡量避免使用固體顆粒的介質(zhì)。
2.3、結(jié)構(gòu)長度與法蘭尺寸
氟塑料襯里蝶閥結(jié)構(gòu)長度和法蘭尺寸，按鋼制閥門的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。結(jié)構(gòu)長度按GB/T12221-2005標(biāo)準(zhǔn)中表10的規(guī)定，不論是雙法蘭連接的結(jié)構(gòu)長度還是對(duì)夾連接結(jié)構(gòu)長度，均優(yōu)先按短系列選用。如用戶有要求，按合同協(xié)議選用其他結(jié)構(gòu)長度。結(jié)構(gòu)長度包括法蘭密封面襯氟塑料厚度。法蘭連接尺寸一般按GB/T9113.1的規(guī)定。如用戶有要求，可按其他的法蘭標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造。并限制在法蘭端和卡箍連接，不允許采用焊接端連接。因?yàn)楹附舆B接會(huì)損壞襯里層而影響產(chǎn)品質(zhì)量。
圖3 閥體的上下結(jié)構(gòu)
2.4、閥體設(shè)計(jì)
2.4.1、閥體結(jié)構(gòu)
閥體的結(jié)構(gòu)為中線密封式，為了適合氟塑料襯里蝶閥的工藝要求，可將閥體設(shè)計(jì)分為上下兩部分，如圖3，采用沉頭螺栓將上下閥體聯(lián)接在一起。
2.4.2、殼體壁厚與襯里層厚度的確定
氟塑料襯里蝶閥鋼制殼體的最小壁厚依照GB/T12224-2005標(biāo)準(zhǔn)中最小壁厚的給定值作適當(dāng)加厚，也可參照表1給出的壁厚選取，但必須保證殼體在壓力試驗(yàn)及模壓工藝條件下不發(fā)生任何有害變形。表1所采用的殼體壁厚，適合于碳素鋼和不銹鋼，也適合球墨鑄鐵，按照這個(gè)壁厚設(shè)計(jì)制造的氟塑料襯里蝶閥經(jīng)過多年的使用，安全可靠。金屬殼體壁厚不包含氟塑料的厚度。氟塑料襯里層厚度的確定既是一個(gè)科學(xué)問題，又是比較現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)問題。應(yīng)慎重對(duì)待，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，確定襯里層厚度δ≥2mm比較合適。并且隨著閥門公稱尺寸的增大而增加。設(shè)計(jì)時(shí)襯里層厚度按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。也可參照表2的厚度選取。
2.4.3、閥體與閥座流道尺寸
閥體密封圈(閥座)與閥體的連接應(yīng)保證閥門在使用過程中不會(huì)松動(dòng)、不發(fā)生泄漏，對(duì)于短結(jié)構(gòu)的閥體法蘭連接(或?qū)A式連接)的蝶閥，允許有帶螺紋的螺栓孔。閥座流道最小尺寸見表3。
2.5、蝶板與閥軸的設(shè)計(jì)
2.5.1、蝶板的形狀設(shè)計(jì)
氟塑料襯里蝶閥的蝶板設(shè)計(jì)，在強(qiáng)度允許的前提下，應(yīng)盡量輕薄，呈流線型，如蝶板形狀設(shè)計(jì)為鐵餅形，蝶板迎水面和出水面設(shè)計(jì)成流線型，為了不減小蝶板的強(qiáng)度，可增加一些沿流體流動(dòng)方向的加強(qiáng)筋。從理論上說，蝶板強(qiáng)度應(yīng)保證在1.5倍最大允許工作壓差下，不發(fā)生變形和損壞。
2.5.2、蝶板的厚度與計(jì)算
(1)蝶板厚度(圖4)的設(shè)計(jì)公式：
式中：b—蝶板最大直徑，mm；D—蝶閥流道直徑(一般b/D=0.15～0.25)，mm；H—最大靜壓水頭(水擊升壓介質(zhì))，m
H=100(P+△p)
P—設(shè)計(jì)壓力(常取p=PN)，MPa
式中
△p—蝶閥快速關(guān)閉時(shí)，在管路中產(chǎn)生的水擊升壓值，MPa
式中：qv—體積流量(查表)，m/h；A—閥座通道截面積，mm2；t—蝶板從開全到全關(guān)所經(jīng)歷的時(shí)間(查表選擇)，s
(2)蝶板強(qiáng)度
圖4 蝶板尺寸與受力分析
如圖4所示，應(yīng)對(duì)蝶板的A-A斷面積和B-B斷面進(jìn)行強(qiáng)度校核。
�、貯-A斷面的強(qiáng)度效核，A-A斷面的彎應(yīng)力按式校核：
式中：σWA—A-A斷面的彎應(yīng)力(MPa)；MA—A-A斷面的彎矩，(N•mm)；WA—A-A斷面的抗彎斷面系數(shù)(mm3)
MA按下式計(jì)算：
式中：p—介質(zhì)中壓力(MPa)，設(shè)計(jì)時(shí)可取p=PN。
WA按下式計(jì)算：
式中：JA—A-A斷面的慣性矩(mm4)
②B-B斷面的強(qiáng)度效核，B-B斷面的彎應(yīng)力按下式校核：
式中
σWB—B-B斷面的彎應(yīng)力(MPa)；MB—B-B斷面的彎矩(N•mm)；WB—B-B斷面的抗彎斷面系數(shù)(mm3)。
MB按下式計(jì)算：
WB按下式計(jì)算：
式中：JB—B-B斷面的慣性矩(mm4)。
式中
2.5.3、蝶板的最大直徑
為了防止蝶板在開啟時(shí)，不碰撞連接的法蘭管道內(nèi)壁，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)合同要求，按下列公式，來確定蝶板尺寸，如圖5。
a—蝶板弦長 c—徑向間隙 d—管道內(nèi)徑 D—蝶板最大直徑 W—最小安裝結(jié)構(gòu)長度
圖5 中線式蝶閥的尺寸位置
首先用下列方程計(jì)算蝶板的弦長：
a=d-2c
然后將a值代入方程式確定蝶板的最大直徑：
式中：a—通過閥體安裝面與平面的交線確定的開啟位置的蝶板弦長，(如圖5)單位為毫米。C—當(dāng)?shù)搴烷y門通道處于同軸位置時(shí)，蝶板與連接法蘭端面內(nèi)徑間隙，(如圖5)，單位為毫米。一般徑向間隙：DN50-DN150間隙為1。5毫米，DN200-DN500間隙為3毫米;DN600-DN1200間隙為6.4毫米。D—連接管道或法蘭的內(nèi)徑，單位為毫米;D—蝶板最大直徑，單位為毫米;W—閥門的最小安裝結(jié)構(gòu)長度，單位為毫米。
2.5.4、閥軸直徑的確定
閥軸的最小直徑見表4。最小直徑是根據(jù)蝶閥閥軸計(jì)算結(jié)果，參照AWWAC504相關(guān)規(guī)定進(jìn)行修改確定的，經(jīng)過多年的使用，證明是可靠的。
2.5.5、蝶板與閥軸的連接
(1)蝶板與閥軸，常規(guī)閥門的設(shè)計(jì)是分開的，如圖6(a)，通常采用鍵或花鍵連接，也有采用方形軸或銷連接。如果氟塑料襯里蝶閥采用這樣的連接方式，不僅襯氟工藝性不好，使用效果上也有問題。蝶板與閥軸連接的部位在反復(fù)交變受力過程中，容易損壞襯里層，導(dǎo)致鋼制骨架受到腐蝕性介質(zhì)的腐蝕而失效，從而縮短閥門使用壽命。所以氟塑料襯里蝶閥的閥軸與蝶板通常設(shè)計(jì)成連體形，如圖6(b)，實(shí)踐證明，這樣的設(shè)計(jì)使用效果較好。
圖6 氟塑料襯里蝶閥的閥軸與蝶板設(shè)計(jì)
(2)蝶板與閥軸的連接應(yīng)牢固可靠，在有壓力的工況條件下應(yīng)保證閥軸的任何部分不致從閥門內(nèi)射出。蝶板與閥軸的連接應(yīng)在氟塑料
襯里前完成。連接的方法多樣。蝶板與閥軸可以整體鑄造，也可將蝶板與閥軸焊接連接或鉚接。前提是牢固可靠，不松動(dòng)。
(3)為了保證蝶板上的氟塑料層與基體緊密結(jié)合，可采用φ6毫米的小麻花鉆頭均勻地鉆些穿孔，孔的數(shù)量根據(jù)蝶板的面積大小確定。如圖7。
圖7 蝶板上的小麻花鉆孔
(4)由于氟塑料的絕緣性特別好。蝶板與閥座之間在開啟與關(guān)閉時(shí)，摩擦所產(chǎn)生的靜電難以釋放。因此，蝶板與閥軸之間以及與閥體之間應(yīng)設(shè)計(jì)成靜電連通結(jié)構(gòu)，從而通過管道接地，消除靜電積累。
2.6、流阻與流量系數(shù)
流阻與流量系數(shù)的大小是衡量氟塑料襯里蝶閥質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。我國JB/T53171標(biāo)準(zhǔn)將ISO/TC153/SCIGT8-37的流阻與流量系數(shù)列入其中(見表5)作為考核閥門性能的一項(xiàng)指標(biāo)，供用戶選擇。氟塑料襯里閥門應(yīng)將流阻與流量系數(shù)值列入閥門性能指標(biāo)中，以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.7、閥門扭矩
啟閉扭矩小是氟塑料襯里蝶閥的一大特點(diǎn)。在國外很多產(chǎn)品的說明書上，都將閥門扭矩作為一項(xiàng)技術(shù)參數(shù)列入其中。在我國一些知名品牌的閥門樣本上，也將本公司設(shè)計(jì)制造的閥門啟閉扭矩列入，方便用戶選用。一些開啟靈活，扭矩小的閥門深受用戶歡迎。
蝶閥扭矩可由下列公式近似計(jì)算得出：
MD=MM+MC+MT
式中：MD—蝶閥閥軸扭矩，N•Mm；MM—密封面間摩擦力矩，N•mm
qM—密封面必須比壓，MPa；R—蝶板半徑，mm；bM—密封面接觸寬度，mm；fM—密封面間摩擦系數(shù)；h—閥軸與蝶板中心的偏心距，(中線式為0)，mm；Mc—閥軸軸承摩擦力矩，N•mm
MC=QCfCdF/2
QC—作用在閥軸軸承上的載荷，N•mm；fC—軸承摩擦系數(shù)；dF—閥軸直徑，mm；MT—密封填料的摩擦力矩，N•mm
MT=QT•dF/2
MT—閥軸與填料的摩擦力，N；QT=φdFbT；φ—系數(shù)；bT—填料深度，mm；p—計(jì)算壓力，MPa
蝶閥的扭矩也可采用扭矩試驗(yàn)機(jī)直接測(cè)得。將計(jì)算值與測(cè)量值比較，驗(yàn)證產(chǎn)品的性能。
值得說明的是，受加工工藝及材質(zhì)選用等因素的影響，閥軸實(shí)際扭矩與計(jì)算扭矩公稱尺寸小于DN300時(shí)略有差別，公稱尺寸大于等于DN300時(shí)扭矩差別較大。表6所列數(shù)據(jù)系國內(nèi)外生產(chǎn)商的典型個(gè)案，只限于DN65～DN300之內(nèi)，供設(shè)計(jì)制造時(shí)參考。
3、殼體材料與襯里材料
金屬材料按表7選用，襯里材料按表8選用。
4、氟塑料襯里層的質(zhì)量要求
氟塑料襯里閥門的表面應(yīng)當(dāng)光滑平整、無氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。法蘭的翻邊處及其他轉(zhuǎn)角處應(yīng)色澤均勻，無泛白現(xiàn)象。并符合GB/T23711.1-2009和GB/T23711.6-2009的規(guī)定。氟塑料是高分子材料，有數(shù)據(jù)表明，氟塑料密度越大滲透系數(shù)越小，它們之間有線性關(guān)系。氟塑料襯里層的密度應(yīng)≥2.16g/cm3，且不允許有雜質(zhì)存在。
氟塑料的防腐蝕性能，必須達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。如不能確定氟塑料的防腐蝕性能，必須按GB/T1763的規(guī)定做試驗(yàn)確認(rèn)。特別是在更換新牌號(hào)氟塑料時(shí)要作試驗(yàn)。用于食品、醫(yī)藥、衛(wèi)生級(jí)閥門的襯里材料，還應(yīng)無毒、無菌、無雜質(zhì)清潔衛(wèi)生的材料，符合GB/T17219的規(guī)定。
氟塑料與基體的結(jié)合強(qiáng)度，是衡量襯里質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。氟塑料襯里層應(yīng)與基體貼合，法蘭面的襯里層應(yīng)襯滿密封面，并且有扣緊基體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，襯里層在負(fù)壓0.08MPa條件下，氟塑料襯里層不出現(xiàn)凸起現(xiàn)象。
5、制造工藝
5.1、氟塑料襯里前的表面處理
閥門襯里前，應(yīng)將受襯面毛刺、油污清除干凈、修磨平整，盡可能使受襯面達(dá)到GB8923中規(guī)定的St2級(jí)，還可以采用機(jī)械加工的方法，將受襯面加工出T形槽和螺紋溝槽，增加襯里層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，防止襯里層脫殼。將襯里面內(nèi)部轉(zhuǎn)角處的棱角銳邊倒鈍，內(nèi)圓角R>2mm，外圓角R>3mm，減少應(yīng)力，防止襯里層被銳角刺破。應(yīng)盡量滿足襯里工藝的要求。
5.2、模壓成型
將需要模壓的蝶閥零件放入模具中，送入加熱爐內(nèi)加溫，加溫到一定溫度，如將氟塑料加熱到290℃～370℃使其熔融，在7～12MPa壓力下，使熔體充滿模具、壓實(shí)，冷至150℃脫模即待到制品。見工藝流程圖。
圖8 模壓成型工藝流程圖
5.3、模壓工藝
模壓(如圖8)是氟塑料襯里跌蝶閥最常用的一種方法，適合于多品種小批量的生產(chǎn)方式。它是將一定量的氟塑料(粉狀、粒狀、纖維狀、片狀和碎屑狀等)放入成型的模腔中，然后閉合，放在加熱爐內(nèi)加熱到一定溫度，取出來，放在壓力機(jī)中在壓力作用下熔融流動(dòng)，緩慢充滿整個(gè)型腔而取得型腔所賦予的形狀。隨著在模具內(nèi)塑化、混合和分散，熔體逐漸失去流動(dòng)性變成不熔的體型結(jié)構(gòu)而成為固體，并不斷用冷水冷卻，冷卻到一定溫度打開模具，而成為成品，從而完成模壓過程。氟塑料襯里層的質(zhì)量主要取決于氟塑料原料質(zhì)量、襯里模壓工藝和模具的設(shè)計(jì)。
氟塑料襯里閥門成型質(zhì)量包括襯塑層的內(nèi)在質(zhì)量和外在質(zhì)量。內(nèi)在質(zhì)量包括襯塑層的物理和化學(xué)性質(zhì)及其均勻性;它不僅要求氟塑料具有相應(yīng)的物理和化學(xué)性能。在模壓過程中，還要注意塑化的溫度和壓力，正確掌握模壓工藝。外在質(zhì)量包括襯塑層的尺寸、外觀和色澤等。襯塑層的外表面質(zhì)量主要取決于模具的設(shè)計(jì)和氟塑料在模具內(nèi)的塑化、混合和分散的能力。塑化效果與模具結(jié)構(gòu)以及工藝配方、原料質(zhì)量和加工工藝條件的控制有直接的關(guān)系。
1.主柱 2.活動(dòng)橫梁 3.上橫梁 4.油缸 5.油管 6.壓頭 7.模具與料筒 8.閥體 9.操縱箱 10.下橫梁
圖9 油壓機(jī)與閥體模壓示意圖
塑料塑化成型對(duì)溫度和壓力的要求非常嚴(yán)格，掌握氟塑料的塑化時(shí)間非常重要。塑化時(shí)間太短，氟塑料未成型就已分解交聯(lián);若塑化時(shí)間太長，則生產(chǎn)效率低，需要很長時(shí)間才能固化脫模，生產(chǎn)周期長。在生產(chǎn)中，控制塑化時(shí)間的關(guān)鍵因素就是溫度和壓力。若不能控制好塑化溫度和壓力，則很可能產(chǎn)生諸如襯里層表面硬度低、表面光亮度不足;襯塑尺寸控制困難;熔接痕難以消除;襯塑層沿氟塑料流動(dòng)方向有“魚鱗”樣凸凹不平的有規(guī)則的波紋，或表面箭頭狀波紋等問題。值得一提的是在加壓過程中放氣次數(shù)、放氣時(shí)間、間隔時(shí)間都對(duì)襯塑層的外觀質(zhì)量有直接影響，在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制，并做好生產(chǎn)記錄。工藝人員可以在生產(chǎn)前對(duì)氟塑料擬訂其塑化曲線，掌握其塑化時(shí)間，然后在實(shí)踐中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行工藝調(diào)整。因每種產(chǎn)品的公稱尺寸、公稱壓力不同，氟塑料配方、原材料質(zhì)量、要求各異，其溫度、壓力，放氣等工藝控制也不盡相同，根據(jù)具體情況決定，從而制訂出符合本企業(yè)的模壓工藝。
6、結(jié)語
氟塑料襯里蝶閥在設(shè)計(jì)制造工藝上與常規(guī)蝶閥相比，有相同的地方，也有不同的地方，本文力求全面介紹氟塑料襯里蝶閥的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、制造方法、工藝特點(diǎn)，幫助讀者了解襯氟蝶閥。
氟塑料襯里蝶閥的出現(xiàn)，是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物，是對(duì)常規(guī)蝶閥產(chǎn)品的創(chuàng)新，不僅節(jié)約了大量的稀有金屬，合理的利用了資源，而且還節(jié)能、環(huán)保。滿足了石油化工工業(yè)對(duì)特殊閥門的需求，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益特別顯著。值得推廣應(yīng)用。
