阀门用金属波纹管的选型及应用.pdf

文章编号 100225855 2007 0120029204 作者简介林国栋1971 - ,高级工程师,现主要从事金属波纹管的设计、制造和专业管理工作。 阀门用金属波纹管的选型及应用 林国栋,李敏,张大林 沈阳仪表科学研究院,辽宁 沈阳110043 摘要 介绍了金属波纹管在截止阀、闸阀、调节阀、安全阀和球阀等阀门中的应用、设计和 选型。对阀门用金属波纹管在使用中出现的问题给出了解决办法。 关键词 阀门;金属波纹管;选型应用 中图分类号 TH136 文献标识码 A Choice and application of the metal bellows for valves LIN Guo2dong , LI2Min , ZHANG Da2lin Shenyang Academy of Instrumentation Sciences , Shenyang 110043 , China Abstract This paper introduce that application of the metal bellows for valves , how to design and chose type of the bellows for stop valve、gate valve、regulating valve , safety valve , ball valve and so on , and several problems which should be paid attention to in choosing type and application in practice for the bellow. Key words the metal bellows for valves; design and chose type 1 概述 随着世界范围内环保意识的增强,人们对阀门 的密封要求越来越高,特别是核装置以及石油和化 工等特殊场合,要求阀门必须实现“零泄漏” 。因 此,前苏联、德国、美国和日本等国家率先将金属 波纹管应用于阀门领域,使波纹管阀门作为一个新 产品首先在航空、航天、舰船和核工业等军工领域 得到应用,并迅速在石油和化工等行业得以推广。 金属波纹管的作用主要是实现测量、连接、转 换、补偿、隔离、密封和减振等功能。在波纹管截 止阀和闸阀中的作用主要是隔离、密封和补偿功 能,在自力式调节阀中,还与弹簧配套起到输出力 和开启关闭阀门的作用。 用于波纹管阀门的金属波纹管主要有液压成型 和焊接成型两种,要根据实际使用的阀门阀体高 度、位移量、耐压能力以及刚度要求综合考虑选择 何种形式的金属波纹管。金属波纹管的材料主要是 奥氏体不锈钢以及高温合金钢等,材料的选择主要 根据阀门实际使用介质腐蚀性和使用温度决定的。 由于近年来国内阀门行业发展非常迅速,如何 在波纹管阀门设计时选择合适的金属波纹管成为行 业上迫切需要解决的问题。 2 术语 在对金属波纹管设计选型时,首先要明确金属 波纹管的行业术语。 波纹管 一种弹性、薄壁、有多个横向波纹 的管壳零件。 波纹管组件 由二个或二个以上零件组成, 其中之一是波纹管,波纹管是一个或多个串连,其 他是法兰等配件。 壁厚 成形波纹管的原始金属管的管壁厚 度,对多层波纹管则是各层壁厚的总和。 行程 以原始长度为基点,波纹管压缩位移 与拉伸位移之和。 扭曲 长波纹管进行轴向压缩时产生的柱失 稳。 公称压力 与波纹管机械强度有关的设计给 定压力。 公称载荷 正常工作条件下允许的最大载荷 或满量程值。通常是预期设计值。超载载荷一般限 922007年第1期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 定在额定载荷的125 ～150 。 额定位移 额定载荷下引起的位移,是正常 使用条件下允许产生的工作位移。不产生塑性变形 达到的位移为允许位移,工作位移一般是允许位移 的40 ～50 。 波纹管刚度 使波纹管产生单位位移所需要 的力,设计计算得出的刚度称为公称刚度或额定刚 度,一般情况,公称刚度不直接采用设计值,而是 产品原形经过测试后的修正值。 一次循环 波纹管随阀杆从全开到全闭再到 全开的运动过程。 循环寿命 波纹管在规定压力、温度和轴向 行程下往复运动而不破坏的最大循环次数。相同产 品的寿命与波纹管工作状态、循环次数、频率、压 力和温度等有关。 有效面积 弹性元件在单位压力作用下,位 移为零时转换的集中力的大小。但有效面积随压力 增加而变化,因此具有不恒定性,在力平衡式仪表 中,要配对筛选,做到有效面积尽量一致。 3 结构 311 U型波纹管 常用U型波纹管结构见图1 ,波纹管端部接口 型式见图2。接口表示方法为外配合用 W 图1 a中d1尺寸、沿波峰切边用QD图1 a中 D2尺寸、内配合用 N 图 1 b中D1尺寸。 推荐采用图2中a、b、c端部接口型式。 图中D 波纹管外径 d 波纹管内径 a 波厚 q 波距 n 波纹数 δ0 单层壁厚,波纹管管坯的单层壁厚 Z 层数 d1 端部外配合直径 D1 端部内配合直径 D2 沿波峰切边直径 l1 端部内配合长度 l2 端部外配合长度 L 波纹管总长 L0 波纹管有效长度 a常用结构1 b常用结构2 图1 常用波纹管结构要素 a WW型 b QDW型 c QDQD型 d WN型 e NQD型 f NN型 图2 波纹管端部接口形式 312 波纹管组件典型结构 波纹管组件典型结构见图3。 图3 波纹管组件典型结构 4 选型 411 波纹管阀门典型结构 03 阀 门 2007年第1期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 应用波纹管组件是为阀杆与阀体内的工艺流体 之间提供一个可轴向变形的金属隔套,形成动密 封,以消除阀杆处的泄漏。装有波纹管组件的阀门 典型结构见图4。 图4 装有波纹管组件的阀门典型阀杆密封结构 412 选型要求 1根据阀杆的直径选择波纹管内径,波纹管 的内径应大于阀杆直径115 mm。波纹管的外径根 据波纹管内径来选择。外径和内径通过外径与内径 的比值相联系,一般情况下,外径与内径的比值为 113～115。 2波纹管的壁厚、层数、波纹数及长度等 应能满足波纹管的耐压、行程、循环寿命等要求。 一般情况下,压力越大,波纹管的壁厚越厚,为了 增大位移或者降低波纹管刚度,提高寿命,可以采 用降低单层壁厚,增加波纹管层数的办法实现。 3应设计导向结构,以防止波纹管的扭曲。 同时还应避免波纹管与阀杆或阀体之间的局部接 触,以防止磨损和过早失效。应设计防扭转结构, 防止波纹管扭转变形。 4设计阀门时,应限制波纹管压缩和拉伸的 行程,以防止波纹管承受超出循环寿命试验限定的 压缩位移和拉伸位移。一般情况下,波纹管的行程 不应超过自由长度的25 ,否则会影响波纹管的 循环寿命。特别是高温高压环境下的波纹管阀门。 5波纹管采用与阀门相同的压力和温度等 级。波纹管应能承受主体阀门38℃ 条件下的公称 压力和38℃ 条件下115倍的公称压力的压力试验。 进行压力试验时,焊缝不能开裂、泄漏,波纹管不 应发生扭曲。 6波纹管组件材料应在允许的使用温度范围 内选择,同时波纹管用材料具有良好的成形性能、 焊接性能和与介质的相容性。 413 阀门用波纹管选型标记 按照波纹管应用阀门公称通径不同分类,根据 G B/ T 10471995第4条公称通径系列规定,波纹 管应用阀门的公称通径可分为15 mm、20 mm、25 mm、32 mm、40 mm、50 mm、65 mm、80 mm、 100 mm、125 mm、150 mm、200 mm、250 mm等。 按照波纹管公称压力不同分类,根据GB/ T 10481990第4条公称压力系列规定,波纹管公 称压力可分为 116 MPa、215 MPa、410 MPa、 613 MPa、1010 MPa、1510 MPa、1610 MPa等。 波纹管标识如图5所示。 图5 波纹管标识 5 阀门用波纹管的检验 阀门用金属波纹管的检验项目主要有表面质 量、几何尺寸、密封性、压力及循环寿命等。 511 表面质量 在标准照明条件下,目测观察波纹管表面及外 形,其质量应满足JB/ T 61691992中711和712 规定。 512 几何尺寸 用分度值为0102 mm的卡尺或与其精度相当 的其他量具和仪器,检验波纹管几何尺寸,波纹管 132007年第1期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的几何尺寸和公差应符合图样要求。图样未要求的 公差应符合表1的要求。 表1 波纹管及配合尺寸允许公差 序号公称尺寸名称允许公差 1波纹管外径D1 2 IT17 2波纹管内径d1 2 IT17 3端部配合直径D1、D2、d1h13、H13 4端部配合长度l1、l21 2 IT17 5有效长度L0a1 2 IT17 6总长度L1 2 IT17 a参考尺寸。 513 密封性检验 由承制方组焊的波纹管组件应进行密封性检 验,检验可用气泡检漏法。波纹管及其组件内充入 016 MPa的压缩空气或其他无腐蚀性非可燃洁净的 气体,保压3 min ,在水槽中检查不应有泄漏现 象。也可根据用户要求用氦质谱检漏仪检漏,不应 呈现可探测出的渗漏。 514 压力试验 压力试验可在专用设备或阀门上进行。试验用 水的氯离子含量不得超过2510 - 7。按JB/ T 9092 - 1999第517和518条规定,波纹管组件在室温 或38℃ 条件下,以115倍公称压力进行水压试验。 每个波纹管组件应固定在某一长度,此长度为 常规阀门壳体试验时阀门开启位置的长度。在试验 过程中应防止波纹管被拉伸和压缩。压力施加应与 波纹管工作时受压方式一致。进行压力试验时,焊 缝不能开裂或泄漏,波纹管不应发生扭曲。 515 循环寿命试验 可在专用设备或阀门上进行试验,当主体阀门 需要时,应按照相关标准进行高温循环寿命试验。 循环的频率应考虑不正常的快速循环可能产生 的过热。循环频率不应超过每秒一次。 循环试验应在室温或38℃ 时的公称压力下进 行。加压方式同压力试验一样。 每个波纹管组件在循环试验之后应进行密封性 试验,不应呈现可探测的渗漏。 除合同另有规定,波纹管的循环寿命应符合表 2的规定。 表2 波纹管最小循环寿命 阀门规格最小循环寿命/次 公称压力MPa公称通径mm闸阀截止阀 PN≤1410 PN 1410 DN≤502 0005 000 50 DN≤1002 0005 000 DN≤1001 0002 000 DN≤502 0002 000 50 DN≤1001 0002 000 DN≤1001 0001 000 516 出厂检验 出厂检验的项目和顺序按表3规定执行。出厂 检验中有不合格项的波纹管,为不合格品。 表3 检验项目 序号检验项目出厂检验型式试验 1表面质量●● 2几何尺寸●● 3密封性●● 4压力试验● 5循环寿命● 注● 必检项目; 不检项目。 6 结语 阀门用金属波纹管是波纹管阀门的核心器件, 波纹管的设计及选型,关系到阀门的使用安全,特 别是波纹管阀门的应用领域都是重点工业领域和军 工领域,在新产品试制时应进行型式试验,在选用 时应适用于阀门使用系统的工况条件及金属波纹管 的结构特性。 参考文献 〔1〕 JB/ T 10507 - 2005 ,阀门用金属波纹管 〔S〕. 〔2〕 徐开先,波纹管类组件的制造及其应用 〔M〕.北京机械 工业出版社, 1998.收稿日期 20061081 10 上接第13页 比直通单座阀大,通过合理设计,调节比能够达到 50∶1以上。 ⑦ 新型套筒调节阀阀瓣有导向,克服了传统套 筒调节阀的阀瓣和套筒易刮伤、卡塞,泄漏量大, 不适合用于切断,结构复杂等的缺点。该阀动作平 稳,大大降低了阀瓣振动的可能性。 6 结语 新型套筒调节阀采用模块化设计,结构简单, 性能可靠,大大降低了各种成本和费用。当阀门大 于DN150用于高压差时,更能充分体现出其良好 的性能和优点。 参考文献 〔1〕 陆培文.实用阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2002. 〔2〕 成大先.机械设计手册 〔M〕.北京化学工业出版社, 2000. 〔3〕 吴国熙.调节阀使用与维修 〔M〕.北京化学工业出版社, 2000.收稿日期 20061091 12 23 阀 门 2007年第1期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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