关于气瓶阀门阀瓣密封材料变形问题的探讨.pdf

文章编号 100225855 2006 0620027202 作者简介严仁兴1946 - ,男,上海宝山人,高级工程师,从事气瓶阀门的研究。 关于气瓶阀门阀瓣密封材料变形问题的探讨 严仁兴,蔡燕昕 上海气体阀门总厂,上海 宝山200949 摘要 相关的气瓶阀门规定指出,阀门密封面不允许发生塑性变形,但是在进行了4 500多 次超负荷的启闭试验后,即使阀瓣密封件产生了严重的塑性变形,气瓶阀仍然密封良好。因此, 通过大量的试验,从理论上分析了气瓶阀阀瓣密封材料必然会产生塑性变形,也只有产生了塑性 变形才能保证阀门实现气密封。 关键词 气瓶阀;密封;塑性变形;材料 中图分类号 TH136 文献标识码 A Inquiry into the deation problem on the sealing material of cylinder valve YAN Ren2xing , CAI Yan2xin Shanghai General Gas Valve Factory , Baoshan 200949 , China Abstract Some anthoritative persons inland think the sealing surface of the valve isn’t allowed to be plastic deation ; but we find the valve can remain in good sealing after excessive opening/ closing test up to more than 4500 cycles even though the shutter sealer become plastic deed seriously; In theory , the shutter sealing material of the cylinder valve becomes plastic deed inevitably.It can ensure tightnessonly when the plastic deation occurs.Test and research on the valve sealing make us leap in our understanding of sealing theory which should innovate and develop. Key words cylinder valve ; seal ; plastic deation ; material 1 概述 我厂生产的高压气瓶阀在4 000次启闭的使用 寿命下能确保阀门的有效关闭,该阀在国外做试验 检测时,其密封材料在15 MPa工作压力下状态良 好,但是在20 MPa下密封面出现压痕,显得偏 软。相关资料中规定,只有qMF密封面上的必须 比压≤q密封面上的计算比压≤〔q〕密封 面上的许用比压时设计才算合格 〔1〕。也有资料 指出,为了保证有效的关闭目的,主要依靠在比较 窄的环形密封面上施加压力,以及密封副应研磨至 镜面般光洁。如果密封面太窄,接触压力便超过允 许限度而发生塑性变形。如果密封面太宽,则接触 压力不够,不能保证密封〔 2〕。这些观点均表明 , 在确保阀门密封的情况下,不允许密封材料发生塑 性变形。而我厂生产的工作压力为20 MPa、25 MPa、30 MPa和35 MPa等的气瓶阀阀瓣密封面均 存在塑性变形的问题。为了分析气瓶阀密封材料塑 性变形对阀门密封性能的影响,对常用密封材料进 行了大量试验和研究。 2 试验分析 对三种不同通径的气瓶阀门用F3、F4和导电 尼龙66等密封材料做了一万多次的启闭试验。F3 和导电尼龙66两种材料在经过了4 500多次的超 负荷关闭,材料表面留下了很深的环行凹槽,产生 了严重塑性变形之后,密封凹槽表面未被压溃,很 光滑,阀门密封良好,关闭力矩与未做寿命试验的 阀门相近。F4材料较软,经过了几十次超负荷启 闭后,塑性变形更严重,但仍能密封,关闭力矩变 722006年第6期 阀 门 化不大表 1 。 表1 关闭力矩测试记录 QF2d0 4 阀瓣编号及 密封材料 压力 MPa 力矩 Nm KJ28Ad0 10 阀瓣编号及 密封材料 压力 MPa 力矩 Nm 3号导电尼龙6616117510号F316104185 151501604 000多次启闭1518415 4 000多次启闭后151711054 500多次启闭16135175 又6 Nm500次启闭14191113号导电尼龙6616104165 7号导电尼龙6615181105 6 Nm启闭10次1517017 2215 Nm350次 1715 Nm150次 16125175 注11QF2 3号阀瓣4 500次启闭试验10 Nm 10次,2 N m 1 000次,3 Nm 500次,4 Nm 500次,5 Nm 2 000次,6 Nm 500 次。 21KJ28A 10号阀瓣4 500多次启闭试验 22 15 Nm 20次, 1715 Nm 1 500次,15 Nm 2 000次,1215 Nm1 000次。 高压气瓶阀的阀座密封面大部分采用带圆弧型 的结构形式图1 ,此结构在开始关闭时是线接 触。如果不用软密封,假定接触宽度为0105 mm , 即使通径4 mm的氧气瓶阀在气压15 MPa时,能 关闭的最小轴向力在密封面上产生的计算比压已达 598 MPa以上。而HPb59 - 1的许用比压在密封面 间无滑动时仅是80 MPa ,这显然是不行的。因此 不能用平面许用比压的概念来分析,而应采用许用 接触应力的概念。 参照资料 〔3〕,钢在循环次数N 107时,许 用接触应力为 〔 σC〕 。当材料硬度 ≤350 HB时, 〔 σ C〕 2 15 HBMPa ,气瓶阀的循环次数为 4 000次,所以 〔 σC〕 6 107 4 000 215 9 12 HB MPa。根据密封材料实测硬度,其 〔 σC〕如表3。 表2 两种气瓶阀密封面上的计算比压〔 1〕 序号名称符号单位公式或索引QF2KJ28A 1密封面宽度bMmm0105011201050120 2公称通径dOmm设计给定441010 3密封座圆弧半径Rmm设计给定01750175016016 4密封面内径DMNmmd0 2R-bM514551381111511 5计算压力PMPa设计给定15151515 6密封面处介质作用力QMJNπDMNbM 2p/ 4 3561435614147718147718 7密封面的必须比压按中等硬度橡胶qMFMPa114014 016P / b M/ 101861112011186119311 8密封面上的密封力QMFN πDMNbMbMqMF 16017249113271565418 9密封面的总作用力QMZNQMJQMF5171160515180513213216 10密封面的计算比压qMPaQMZ/πDMNbMbM598152921010261230310 图1 阀座密封面 阀瓣用了软密封,在关闭过程中软材料逐步加大变 形,当材料的变形抗力与关闭轴向力平衡时变形停 止。根据密封面上压痕环宽度计算表2 ,此时 计算压力仍大于软密封的许用接触应力,所以关闭 后软材料上产生的塑性变形是必然的。由于阀瓣与 阀座密封副螺纹轴线与密封面加工的不垂直度,所 以刚接触时密封面之间有倾角,而且密封副螺纹的 间隙也造成每次关闭时接触不一致,所以只有在产 生了一定塑性变形后才能密封良好,而且关闭力矩 减小。 表3 密封材料的许用接触应力MPa 密封面材料 硬度 邵氏D布氏HB 许用接触应力〔 σC〕 MPa 铜HPb59 - 180～85736～782 导电尼龙6678～8013～14119～129 聚三氟氯乙烯 F 378～8013～14119～129 3 结语 通过反复试验和理论分析,进一步认清了气瓶 阀门与通用阀门的异同性,即气瓶阀的密封面产生 了塑性变形,也能确保气密封。 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〕 〔 英〕GHPearson.阀门设计 〔M〕.合肥安徽科学技术 出版社, 1983. 〔3〕 许镇宇.机械零件 〔M〕.北京高等教育出版社, 1965. 收稿日期 20061071 10 82 阀 门 2006年第6期