控制阀软阀座密封件的改进.pdf

肄 _ 1 ． 前言 控制阀软阀座密封件的改进 有振 每 在现代动力工 厂中通过控制 阀门的 压力降 越来 越高 ， 使 阀r J 在各 种严 峻工况 下长期 存在 的泄漏 问题越来越受到 人们 的关 注 。流体控 制 阀 门的 泄漏造成 的经济损 失很 大 ， 它不仅造 成 能 源的 浪费 ， 更重要 的是 由于泄漏会 引起密 封 面的 冲蚀和气蚀 ， 并 由此 引起 阀门很 快失 效和 损坏 ， 使整个生产过程 中断 。 本 文介 绍一种无 泄漏 阀门的使用范例 。这 是在给 水泵再循 环系统 中 ， 该 阀在整 个使用 过 程 中大多是 处于关 闭状 态 ， 通过 阀门的压 力降 程大 。 阀门在这 种工况条件 下 ， 如 果产生 泄漏就 会出现 一条泄遭 。当阀门密封 件表面 出现这种 泄道时 ， 由于阀门前后 的压差很大 ， 流体就 会 以 提 高 的流速冲刷 阀座表面 ， 即使泄漏 通道 相 当 微小 ， 也会 由于流 体高速 冲刷而产生严重磨蚀 ， 使密 封表面很快 地 出现 蚀沟 ， 造成 阀 门功 能失 效 。 在现代 工厂 中， 单级 给水 泵再循 环 系统 阀 门泄漏所造 成的能 量损失是 相 当可观 的， 大约 每年浪费 1 0万美元 。 如果再将 因阀门报废 而造 成 的停工 维惨带来 的损失 考虑进 去 ， 则 会大 大 超过这个数值。 人们发现金属 阀座 的阀门已经 不能适 应这 种使用要求 ， 而过 去采 用的软 密封 阀座 也 只能 有效地被 用在少数 的情况 这 主要是 受到 密封 材料本 身的 限制 和软 阀座在流 体中冲刷 作用下 难 以定 位的影响 。 为解决 这方面 的难 题 ， 近些年 来人 们 在软 密封结构 设计方面 进行 了很多 努力 ， 也取得 了 一 些进展和成功。现将一种新颖的能保证关闭 性 能 的软 闽座密 封结构 介绍如 下 ， 它 能在 阀门 长期使用中保证泄漏量为零 。 2 ． 金属对金属 的闫座密 封 当前在 阀座密封方 面有 两种常 用 的方式 ． 即金属对金属和金属对软材料阀座的密封 。 金 属对金 属的密封 结构 图 1 是在 密封塞 T H； 体和阀座之 间采用不 同的角度 来实 现线接触密 封的 。 采用这 种方法时 ， 驱 动装置 的推力是 作用 在一个 很小 的窄条 上 ， 因此在 阀座 上所 产生的 应 力也只是 作用在 很 小的面积 上 ， 其局部应力 值很大 。这种 阀座接触 表面的微观结构 中存在 着 许多各 种各 样 的 凸峰 和 凹淘 图 2 ， 为了 实 现关 闭时 阀座 完全 不泄漏 ， 其关 闭力必须很大 。 以足 够使那 些 凸峰 部位 压入到 阀座表面 里去 ， 只有这样才 能保证塞 体四周各 部位形成 完全 密 封接触 。 这 种密封接触方式虽然能够傲到 ， 但要 想保证在几次 重复 关闭中都能实现可靠的密封 是不可能 的。 如果一旦出现 了泄漏 ， 则很快就会 在密 封面 上发 生冲蚀 和气蚀 现象 ， 特 别是 阀门 用在压 力降很大的情况 下 ， 这 种现 象更会很快 出现 图 1 金 属阀座 密封状 况 】 ． 阀作2 ． 闲座 环3密 封部位4 - 节 流套5 塞悼 图 2金 属 阀座微观 结构 1 ． 阀 座2 ． 泄潺 通道 3 表面 粗糙度 l 6 ～ 3 2散 英寸| ． 塞件5 密封部 位 虽然采用硬质合金或硬 化金属 阀座能够具 有 良好 的 耐 冲 蚀 能 力 ， 但在 压 力 降 为 ] 2 5 1 a r 1 2 ． 5 MP 丑 的工 况 下 ， 要想找 到 一种 能保证 不 泄漏的金属阔座材料是很 难的。 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 悯 门 1 9 9 2年 第 4期 从 外 一 厅 ． 要 想 做 到 一 点 不 泄 漏 ． 必 须 要使 关闭塞 作和 座的 j 台 } J 分理 想， 这也 是 很 难 办 到 的 ， 勾 口前 的 讥 械 加工 能 力 不 可 能制造 出这样 的理 想表面 当前 ， 金属对 盒 膳密 封的 座结构 应用十 分广泛 ， 而 Ⅱ大 多数都能获得满意效果 ． 但是把 这 种密 封副结 构使 用在 力差很大的 场合时 ， 就会 出现 众 多的 问蹈 。 其 中主要 的一点是 ， 这 种 工况使 用条件 F． 必顼要符合 A NS I B1 6 ． 】 [ 】 l4中 关 于 6级泄漏 标 要求 ． 而 金膈 密封 副对于这 样 的标准是 很难 达到 的 参 见附录 A中的允许 泄 漏率 ． 该 泄漏 率是 } 述 标准觇定的 。正是 基 于这科r 原 因 ， 使 得阀 门制造 厂家 开始转 向对 弹 性 软材 料的关 注 ． 相继 研究 出 一些不同材质 的 阀座密 封副 ， 它 们 町 满足 在较 高压力降下 的 6级泄漏标准要 求和有足够的寿 命。 3 ， 早期的软阀座 结构 所 i 再软 阀窿} 构 将掸 ． _ } 于 料 与关闭件做 密封配 合 图 3 。 阀 f j 处 F关闭状 态时 ， 塞体 的 凸起 表 面嵌 入到弹 E 材 } 巾， 浚处的弹性 材 料 则变 形包 围住 塞伴 表 面． 由此 来确保可靠 的 密封效果 ． 同时阀杆 电不敢 下受 到过大的推 力 由此 可 见 ． 阀 门在 关 闭时仅 用适 当的力就可 以 确 保密封 ． 而弹性 _材料本 身 也能够持 久地支承 住这 个关 闭力 ， 这一 点对 于开 启长期 处于关 闭 的阀门特 别有意 义 。 舟 莹封 l | 一 j ． 节 流套2 塞体 阳雎 蛔4闷庵虾5 ． 阀体 由于 软 鹰表 面 通 常 易发生 永 久性 变 形 ， 所 以能保证 塞体和 阀座 多次重 蔓启 闭时的 密封性 。此外 又因 为弹性材 料的 阀座能够修正 密封副在 同轴 度方面 的较 小偏差 ， 所 以对于 阀 座 和塞体 的制造 位置 精度要 求可 以较低 。 但 是 ， 这 种形 式的软 阀座 结构也 有一些 弊 端 ， 首先是难于限定关 闭力的大 小 ， 即使 当关 闭 件 接触到 弹性 阀座时 ， 关闭 动作也 不能适 时停 止 ， 因而使弹性材料容 易出现永久性变形 。 尤其 是 当 阀门长期 处于关 闭时 ， 阀座长期 受到过 载 压 力而使 其 出现永久性变 形 ， 一旦 开启后再 关 闭时就 容易失效 。 其 次 ， 在 阀门开启过程 中 ， 由于 阀座最外层 表 面起到 节流 作用 ． 而此时 软 阀座要承受很 大 的压力 降 ， 使 得 阀门在刚一打 开 的短时 间 内出 现介质 的高速流动 。 这将使 阀座表面 产生冲蚀 ， 造 成软阀座 表面的迅 速破 坏 。 早 期研 制使用 的这种 软阀 座结构 ， 在现 代 工厂中的一般工况下 ， 仅仅能维持几次开关 ， 而 且 只限于使用在公称通径 5 0 mm 以下和压力 降 小于 l 7 5 b a t 】 7 ， 5 Mp e 的情 况 。在公称通径 和 压力降大 于上 述参数 的条 件 下 ， 是会 很快发 生 问题的 ， 较大 口径 的阀座往往很快出现沟蚀 ， 并 且 由于高流速和大流量的原 因还会造成 阀座嵌 入 部位 的脱离 ， 而使整个阀座损坏 。 4 ， 自压式软 阀座 结构 随着动 密封技 术和所用 材料 的不 断发展 ， 人们也试图将这 些技 术和材料应用在阀 门密封 件 上 。实践 证明在有 些场 合下 压力平衡 和软 阀 座的应用得到了成功 。 图 4为 自压式 密封 件 的典 型结构 ， 它是 一 种 软阀座的平衡 式单 阀座 。在这种结构设计 中 是 用一种弹性 密封座 来代 替支承套 中的金属 阀 崖 ， 并 在其 中安置 了一个支承弹簧 。 其工作原理 是 这样的 当在 阀体 内腔表面有 压力作用 时 ， 密 封阀座膨胀 ， 使其与壳体和塞体底部接触 ， 这样 就可 以利 用 阀体 内部介 质 的压 力 实现 自压 密 封。 从 图 4可以明显看 出 ， u形弹簧嵌入在软 阀 座之 内． 在其受内压作用撑开时 ， 可使 阀座与 阀 体和塞体紧紧相连 ， 并实现 6级的标准密封 。 这 种 U形 的弹簧 密封 阀 座不仅 能提 供 一定 的初 始 密封力 ， 而且 当阀门开 启时 阀座的外 缘能够 保证离开塞体下端 ， 使介质 畅通 。 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 1 9 9 2年第 4 朋 阀 门 图 d 目出式 封 的戟 嘲座 1 ． 弹性 密封2 ． 嵌入 弹簧 虽然 U形 弹簧 能 够提供 初始 的 密封接 触 负载 ， 但 是 主要的 密封 作用力 还是来 源于进 口 流体 压力 ， 流体 进入 u形 件 中所产 生 的张 力 ， 才确保 可靠 的关 闭作用 。 为 了防止 阀 门关 闭 时 出现 过大 的 关闭 压 力， 在 阀体 中腔 密封件 中安装 了一个机械止 动 块 ， 该 止动块在 阀门实现适 当关 闭时能保 证塞 体轻 轻地 与密封座接触 。如果一旦出现软密封 失效 时 ， 该止动块 还可以起 到补 偿的作用。 这 种密封形式可以成功地应 用在 7 f rom 口 径 以 上 的 阀 门，压 力 降 可 以 达 到 3 0 0 b a r 3 0 Mp a 。但是 ， 这 里有 两 个 问题 应 该 引起 注 意 ， 一是塞体与支承套之 间的间隙不能太大 ， 过 大会导致密封失效 | 二是 当阀门开 启的瞬间 ， 在 密 封件外缘 处 由于介质 产生较 急的 湍流 ， 会造 成密封件的振动 ， 使密封材料出现疲劳破坏。 上述同题 目前 已通 过在 阀座 环的内径 上方 增 设一 个护唇 而得到解 决 图 5 ， 这 样 就可 以 起到 保护软 阀座 的作 用 ， 这 种方法 完全可 以用 在上述 口径和压力的阀门中 。 圉 5 带有护 唇的 自压式 密封 的软 阀座 5 ． 最近 的研究情 况 在给水 泵再循 环 系统的 阀门使 用过程 中 ， 由于阀 门泄漏造 成的经济损失 已经 引起人们的 极大关 注。 随着对 于阀门泄漏 问题 的全面解决 ， 使 得用 户节约 r丈 量能源 ， 同时这方 面 的课题 研 究也越来越受到重视 通 过有关阀门设计人 员的不断 研究 ， 使其认 识到 要想全 面成功地 解 决泄漏 ， 还必须要 想办法将 节流 面远离软 阀座 ， 图 6则是基 于这种 想法 的设 计结构 匿 6 二级 软阔 艇密封件 1 ． 闻盖2 ． 平衡苘3阔体4 ． 塞体 5 ． 外壳6 ． 内塞体7 ． 阙座嵌入物8 ． 阀座环 ． 在此 种结构 中 ． 阀 门的关 闭组 件是 由一个 外塞体和一个内塞体组成 ， 其 中内塞体是由一 组弹簧和带肩螺栓 来支 承的 。 当阀 门关闭时 ， 内 塞体 在弹簧 作用 下从外塞 体 中伸 出 ， 使 其前部 的金 属与 阀座环 的金属部位 相接 触 ， 实现 阀门 的关闭密封 。 在阀座环本体 中嵌入 了一 个弹性 内环 ， 构 成 阀座组件 ， 当阀 门关闭时 ， 该 内环被隔离于流 体 的节流 区域 。 阀 门达到关闭位置时 ， 关闭作用 是 由于 内塞 体接 触鹰环 内表 面实现 的 ， 是属 于 金属对金属的 关闭， 基本 上阻 止了介质 的流动 。 这 时如果继 续 向下关 『羽阀门 ， 则会压缩 介于 内 外 塞体 间的 弹簧 ， 使外 塞体的 密封 表面开始接 触 阀座环 的弹 陛 纠 ， 得到 呵常的密封 ， 可满足 AN S I B 1 6 ． 1 0 4有 关 6级 的密封要求 。 阀门开启过 程是这 样的 驱 动装 置开始 上 升提起外塞体 ， 使其离开阀座的弹性 内环 ， 此时 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阀 门 1 9 9 2年第 4期 借 助于 内塞体与 阀座 环金属部位的接触而保持 密封性 能 。继续 实施 开启动作就使 内塞体脱离 阀座 ， 介质 流通 。 采 用这种结构可以实现二次启 闭动作 ， 从而保 护了阀座和组件 的内环 ， 使其 免 受 因介质 流动而造成 的湍 流和冲蚀的损伤 。 这种 软 阀座 密封 结构 的成 功运 用 ， 主要 是 利用 了热塑 聚合 物技术 的发展 ， 目前这种热 塑 材料 在机 械性能方 面 已经 能够与铝相似 。因此 可以用 它作 为主要 的弹 性材料 用于 密封元 件 。 附录 B中列 出了 一种 这 样 材料 的主 要 机械性 能 。 6 ． 介质 中夹带有 固体颗粒 对 于 阀门设计 人员来 说 ， 当考虑 将这种 软 密封技 术应 用在流 体输送 中时 ， 有一个 问题 是 应 该 引起注意 的 ， 这 就是流体 介 质中所夹带 有 固体颗粒 。虽然这种 现象 对于所有的阀门在设 计时 都应给 予考 虑 ， 但对 于软阆座 的阀 门则是 关系更为重要 。这主要是 因为介质 中的固体颗 粒极 容 易卡 在塞 体和 阀座 中间 ， 妨 碍 了阀座 的 密封 ， 会 引起 泄漏 ， 继而 由于介质的高速冲刷而 使 阀座表 面被冲蚀 破坏。 对于 上述具有 二级 关闭作用的软阀座 密封 结构 ， 即使 出现 了这 种 固体 颗粒 卡在 内塞体 的 金属 与 阀座金属 部位之间 ， 也不 会有什么危害 ， 因 为还有 外塞 体与 软 阀座 能起 到补 充 密封作 用 。 大 多数软 阀座结构 的阀 门能够适用 于密度 不大 ， 直径 小于 1 ． 5 m m 的 固体颗粒 。对于金属 阀座 来说 ， 如果遇 到固体颗粒 的硬 度大 于塞体 或 阀座表面 硬度 时 ， 就会 完全 破坏 阀门的关 闭 性能 。 一般来 说 ， 处 理这种问题可以采 用泵进行 抽空 过滤 ， 但这 种办法 的主要 缺点是在 滤 网下 游的管子 中的铁锈 和焊 渣都 会借此进入到 阀门 中， 这种现 象在开 始抽 滤 阶段 就可 以在 阀座上 明显表现 出来 。 要 想防止 上述 现 象 的发生 ， 可以在 阀座上 设置 一个过滤 元 件 ， 可以将它 作 为整 个阀门密 封 组件 的一部分 图 7 。 从 图中可以看到 ， 这个 过 滤元 件位于 阀座 环 的下面 ． 是 被一组 凹头带 肩的螺钉 固定的 。该过滤 元件能够挡住对阀座 有 损 害的较大尺 寸 的固体颗 粒 ， 而一些 细小 的 颗粒 虽 然能够通 过该 元件 ， 但不能 引起 阀座损 坏 ， 因为前面 已经提到 ， 软阀座能够适应直径小 于 1 ． 5 ram的 固体颗粒 。 圉 7入 口过滤 1阀体2 ． 过滤 元件3 ． 塞 体 4 ． 阎 座环5 ． 内塞悻6 ． 带 肩凹 头螺 钉7 ． 滤 网盖 圉 8 再循 环 回流 阔 1 ． 阀盖2 ． 垫 片3 ． 塞悻 阎杆 组件 4 ． 节漉 套衬套5 ， 阔 件6 可谓密 封7壳体 组件 8 - 阀座 嵌物9 ． 密封垫 片1 0阎座组 件1 l _ 过滤元 件 这种过滤元件在设计 时应该考虑 到它的可 拆性 ， 以便进行清洗 。 对于给水 泵再循 环系统来 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 1 9 9 2年第 4 期 阀 门 说这一点很重要 ， 因为介质始终要保持一定的 小 流量 。 除此之外 ， 还要考虑到过滤元件具有安 全保险性能 ， 即一旦滤 网存有 一定量 的颗粒 ， 滤 阿上的压力 降可 能影响到通 过 阀门的流量 时， 则滤 网能够 自动破裂 ， 因为只有这 样才 能保 证 整个再循 环系 统阀门 的主要 功 能 ， 即保证 泵 的 最小流量 。 7 ． 结论 随着 阀 门产 品苛 刻的使用条 件不 断增强 ， 对阀 门结构 设计 的要 求也不 断提 高 ， 同时也促 进了工 程材料的发展 。由于对 阀门各种特殊需 求 ， 要求生产厂家不断地研制密封部件 ， 以满足 附录 A 根据 AN S I B 1 6 ． 1 0 4的规定 ， 通 过阀 门密 封件时所允许的最 大泄率为 试验条 件 试验 舟质空气或 氯气 温 度1 0 5 2 ℃ 压 力介质 的公 称压力或 3 5 lit 0 3 5 Mp a 现代工业发展的需要 。 ． 图 8是一种用于给水泵再循 环系统中的最 新结 构阀门。该 阀的密封 内件是 根据 压力分布 原理而设 计 的， 当流 体流经 密封组 件产生压力 降时不 出现涡 流现 象 压力 降一般容 易引起 涡 流 。 该密封件利用金属阀座和软阀座二次密封 来实现 6 级 密封的关闭性能， 同时还装备了过 滤元件 以避 免 因其他物 体而造 成的设备 损坏 这种特殊的阀 门目前 已经成功地披大量应用 在 给水泵再 循环 水的控 制系统 中 ， 而且 考虑将其 用于节能方面。 附录 B 一 种软阀座用弹性材料的主要物理 性能 项 目 数值 结 果 拉 伸强 度 届鼹 N／ ram2 1 0 5 ． 2 拉伸 强度 屈 眼 6 忡长 率 断 裂 3 5 弯 曲摸量N／ 叫 。4 3 9 9 剪切强 度Nl m m 8 2 ． 7 埃左 冲 击 无 凹 口 不断裂 热变 形 1 8 ． 2 b a r ℃ 1 8 2 热膨 胀 系数mm／ mm C1 0 - 1 5 0 C一夏6 1 1 5 0 “ C 5 ． 9 9 暇术 卓 2 4 h 0 1 4 比重t 3 0 抗压强 度N／ 叫 1 1 8 摩擦系 数0 ． 3 4 沈阳阀门研 究所肖振海 译 自 第 2届 国际流体控制 阀门及驱动装置技采发展研讨 备 1 9 8 8 ， 3 上接第 d 3页 食 品工 业 阀 门在我 国有 着广 阔 的应 用 前 景。我国 目前极大多数生产厂家仍然在使用一 般通用 产品 ， 这 些厂家现 已认识到 改造原有管 道 阀门对 于提高工 艺水平 ， 参 与市场竞争 的重 要性和 紧迫性 ， 正在采取各种办法 ， 逐步更 新换 代 ， 这方面的市场潜力很大 。 食品工业阀门在国 外往 往 称 作不 锈 钢卫 生 阀 门， 即 S a n i { a y S t a i n l e s s S t e e l V a l v e s ，本意 是具有 可靠 的卫 生性 能 、 流遭平 缓光 滑、 无清淡死角和积液 部位 、 不 污染 工艺介质和产成品及内外表面各部分易于清洗 去污 。 因此 ， 它 在微生物和菌种培殖 、 发酵 、 灌装 等 工位 用途 广泛 ， 在 医药 和精 细化工等系统 中 同样具有重要意义 。为 了更进一步发展我国的 食 品工业 阀 门， 首先要 求 阀门厂家树立竞争 意 识 ， 注重投入 ， 完善工艺 ， 把 目光 放远 一点 ， 并 在 现有 基础 上发 展产品规格 品种 ， 扩大产 品适应 市场的能力 也要求主管部门运用调控手段 ， 控 制进 口， 提倡以国代进 ， 使 引进项 目的消化和吸 收， 在现阶段更上一层楼 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载