截止阀上密封可靠性的试验研究.pdf

文章编号 100225855 2007 0620012203 作者简介于巍1971 - ,男,辽宁沈阳人,工程师,从事阀门产品设计工作。 截止阀上密封可靠性的试验研究 于 巍,吴利坤 沈阳阀门研究所,辽宁 沈阳110142 摘要 论述了如何在确保简单、合理、适用和可靠的前提下解决截止阀上密封寿命的研究过 程,对提高阀门上密封寿命进行了试验分析,并给出了最佳解决方案。 关键词 截止阀;上密封;寿命;试验 中图分类号 TH134 文献标识码 A Experiment research on reliability of globe valve back seat YU Wei , WU Li2kun Shenyang Valve Research Institute , Shenyang 110142 , China Abstract Discourses upon the research processes of how to solve sealing life of back seat for globe valve by the premise that simple , reasonable , applicable and reliable practice are ensured; conducts experiment analyses on improving back seat life and proposes optimal solving s. Key words globe valve ; back seat ; life ; experiment 1 概述 截止阀是目前大量使用的截止类阀门之一。为 了保证截止阀的性能可靠,标准中规定产品出厂前 必须经过强度、密封和上密封检验。然而,阀杆螺 母固定式截止阀的上密封却在使用中出现因密封副 擦伤而引起上密封泄漏的质量问题,极大地影响了 该类截止阀的质量可靠性和用户的使用。 2 结构分析 在主体材料为碳钢的J41H系列截止阀中,阀 杆螺母固定式结构是最基本而使用又最广泛的型式 之一图 1 。国内外较先进的标准对内件中的上 密封均做出了规定。 截止阀结构简单,可通过阀杆既旋转又升降的 原理,达到阀门的开启或截断,并确保阀门的密封 和上密封功能。由于该结构特殊的运动原理,也造 成对阀门上密封副间受力极为不利的后果形成既 有密封副间必须的垂直压力,又有密封副间相对滑 移的摩擦。实践证明,阀门的上密封往往只启闭 几次,就因为密封副间的擦伤而引起泄漏。擦伤轻 微的需拆开修复,擦伤严重的均因损坏而报废,这 样的后果不但增加了企业的制造成本,而且影响阀 门的性能。为解决此类问题对阀门上密封的结构和 材料做了试验和改进。 图1 J41H系列截止阀 3 改进 ① 将阀杆的上密封部位移动到阀瓣上目的是 在受力过程中,使阀瓣上的上密封面相对阀盖上的 上密封面处于静止无滑移状态。此改进虽然可提 高上密封的寿命,但由于要增加一道阀瓣盖与阀瓣 间的密封使得结构较复杂,性价比较低。 21 阀 门 2007年第6期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表1 截止阀内件标准规定 标准材料 最小硬度/ HB 阀杆上密封座 GB/ T 122351Cr13 ,2Cr13200250 BS 187313Cr200250 ② 改变上密封副材料。在阀杆密封锥面上堆焊 抗擦伤性能好的司太立硬质合金,此方法虽然取得 了较好的效果,但一方面因为司太立合金成本太 高,另一方面由于阀杆基本材料为13Cr马氏体不 锈钢,可焊性差,堆焊时须焊前预热,焊后保温和 焊接工艺复杂。另外,为保证阀杆的尺寸精度,还 要增加粗加工工序。综合分析,除特殊要求外,此 方案其性价比也不好。 为了获得既符合相关产品设计与制造的标准, 又对企业适用的解决方案,进行了试验研究。 4 试验 411 试验产品 选择J41H - 16C - DN100阀门,阀盖上密封 采用可拆螺纹连接的上密封座,阀杆与上密封座材 质均为1Cr13 ,调质处理。 412 试验方法 ① 将截止阀阀瓣部分拆除。 ② 按试验需要,更换相应的阀杆和上密封座。 ③ 试验前,对所有配对的密封副零件均编号, 并测出其相应硬度值不少于3点 , 并作记录。 ④ 试验前,所有上密封副的密封面均要经液体 渗透探伤检验合格。 ⑤ 试验时,将阀门二端封闭,松开填料压盖, 并浸入水中保持填料函端面在水面下30mm左 右 , 然后向体腔内加压至调定值。 ⑥ 采用压力P≥1176MPa的空气作试验介质。 ⑦ 按标准规定,采用一人双手直接旋转手轮进 行启闭。 ⑧ 每启闭一次,按规定用秒表控制持续保压时 间60s ,然后观察,以上密封处无气泡泄漏,为 合格一次。否则终止试验,并计算累计合格次数。 然后对阀门解体,观察其破坏型式,分析原因。 413 试验结果 1结果分析 首先对原始状态下的阀门上密封进行启闭试 验。通过观察其破坏形式和启闭次数,进行分析, 并以此作为下步工作的对比基准表 2 。 表2 初始试验结果 序号 阀杆 编号硬度/ HB 上密封座 编号硬度/ HB 试验参数 压力/ MPa时间/ s 启闭 次数 破坏 型式 平均启 闭次数 10012030012601176605阀杆完好,上密封座局部擦伤 20022060022631176605阀杆与上密封座均局部擦伤5 30032050032561176605阀杆完好,上密封座局部擦伤 ① 破坏形式 通过对3次阀门上密封试验失效 后的观察,上密封副损坏时,上密封座的密封面首 先局部塑变擦伤。随着启闭次数的增加,上密封座 密封面塑变擦伤程度扩大,导致阀杆塑变擦伤,密 封副失效。 ② 失效原因 上密封副的擦伤失效是一个从微 观向宏观过渡的破坏过程。 对于内件为1Cr13的不锈钢,其优点是调质处 理后即有足够的强度,又有一定的韧性,适于作为 阀门受力杆件。但缺点是当它作为密封副使用时, 其耐擦性,抗塑变趋势差。 对用于阀杆螺母为固定式的截止阀上密封副, 阀杆是主动件,而上密封座为静态被动件。当密封 副受力接触时,局部的微观不平度首先产生塑变擦 伤,在接续下来的相对运动中,对已破损的擦伤点, 阀杆锥面由于相对位移较长,并且上密封座的硬度 高于阀杆硬度硬度差 ≥50HB ,则阀杆锥面上的 破损处得到不断强化修复。相反,对于上密封座, 其破损点被阀杆未破损面连续挤擦而逐渐扩大。 密封副间的硬度差过低,也是导致密封副间的 塑变和擦伤的另一主要外因。 2改进方案 根据试验结果及其破坏型式的分析,提高密封 面间的硬度差,或在密封部位堆焊耐擦伤的硬质合 金材料,是比较有效的解决方法。 根据企业生产的具体情况,决定采用增大上密 封座的硬度,提高阀杆锥面处硬度,改变密封副材 料以及在密封面上堆焊硬质合金等不同组合配对, 进行不同的对比试验,以便寻找出最佳组合方案 由于堆焊司太立硬质合金成本高,除非特殊情况, 一般不予采用为好,因此本研究未列入此方案。 具体配对和试验结果见表3。 312007年第6期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表3 改进方案试验结果 方案 编号 方案内容 零件 序号 阀杆 编号硬度/ HB 上密封座 编号硬度/ HB 试验参数 压力/ MPa时间/ s 启闭 次数 破坏 型式 平均启 闭次数 A 阀杆材料改为10042550042601176606阀杆完好,上密封座局部擦伤513 2Cr13 ,调质处理,20052510052581176606阀杆与上密封座均局部擦伤 上密封座不变30062480062571176604阀杆完好,上密封座局部擦伤 B 阀杆材料不变,10072590073101176609阀杆与上密封座均局部擦伤817 提高上密封座硬度20082460083011176607阀杆与上密封座均局部擦伤 300926100930511766010阀杆与上密封座均局部擦伤 C 阀杆材料不变,上101026601037111176608阀杆密封面压出塑痕,上密封座局部擦伤913 密封座堆焊D507Mo2011256011371511766011阀杆密封面压出塑痕,上密封座局部擦伤 301225101237131176609阀杆密封面压出塑痕,上密封座局部擦伤 D 阀杆材料为1Cr13 , 101338001325511766097阀杆完好,上密封座局部擦伤9217 高淬火处理,上密封201437501425611766092阀杆与上密封座均局部擦伤 座不变301537201526011766089阀杆与上密封座均局部擦伤 注当判定上密封泄漏后,若再加大关闭力仍可达到上密封不漏。但很快导致阀杆和上密封座塑变擦伤加剧,密封副间彻底破坏而报废。 经上述配对组合,对比试验后分析发现,方案 A、B和C耐擦伤及抗塑变趋势效果均不明显。而 方案D由于增大了阀杆锥面硬度,并且密封副间 的硬度差加大,对提高上密封寿命效果显著。与此 同时,也弥补了因为阀杆密封锥面相对较宽在受力 状态下容易产生塑变压痕不足。试验结果证明,方 案D配对是合理的。 3选用方案 经过对改进方案中各种配对组合试验结果的分 析。决定结合企业的现状和产品的特点,将提高阀 杆锥面硬度的方案作为研究的重点。 ① 阀杆整体仍按标准规定先进行调质处理目 的是确保阀杆必须的强度和韧性→ 精加工 → 采用 高频热处理对锥面进行局部强化处理可能情况 下,尽量保证较高的硬度→ 局部抛光处理,此方 法简单易行,增加的成本不高。 ② 上密封座也按标准规定调质处理保持符合 规定的硬度不变→ 精加工,此措施具有较好的零 件通用性闸阀,截止阀均可用。 为了充分验证此方案的准确性,小批生产20 台产品。经随机抽取3台阀门进行试验。其试验结 果见表4。 表4 选用方案试验结果 序号 阀杆硬度/ HB 芯部锥面 上密封座 硬度/ HB 试验参数 压力/ MPa时间/ s 启闭 次数 破坏 型式 平均启 闭次数 1225425258117660150阀杆与上密封座接合处光亮,无擦伤150 2229411254117660150阀杆与上密封座接合处光亮,无擦伤 3233415257117660150阀杆与上密封座接合处光亮,无擦伤 注①20台阀门的阀杆为同一锻造批次,同一热处理炉次。调质后硬度实测值为220～240HB。 ②20台阀门的上密封座为同一棒材批次,同一热处理炉次。调质后硬度实测值为250～280HB。 ③ 阀杆锥面高频热处理后,对每根阀杆均进行硬度检测。其硬度实测值为400～440HB。 ④ 对试验的3台阀门,分别启闭150次后,拆开检查一切正常。 4 结语 通过对提高截止阀上密封寿命的试验,最后选 定的试验方案初步达到了预期的效果。实践证明, 提高阀杆锥面硬度是提高截止阀上密封寿命的可行 办法。按此方案生产的阀门,使用效果良好。 参考文献 〔1〕 全国阀门标准化技术委员会 1 中国机械工业标准汇编-阀门 卷 〔M〕1 北京中国标准出版社, 20021 〔2〕 BS 1873 - 1975 R1990 ,石化用钢制截止阀、截止止回阀 〔S〕. 收稿日期 20071071 08 41 阀 门 2007年第6期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.