金属密封球阀（精选四篇）
金属密封球阀 篇1
随着现代工业对流体控制的要求越来越高, 球阀的许多问题日趋凸现。近十多年来, 欧美等发达国家, 各类球阀的发展速度很快, 应用已非常广泛。而国内球阀的设计与制造技术还很不成熟, 特别是用于高温蒸汽工况中的金属密封球阀, 仍存在许多问题。
1 结构简述
目前, 用于高温蒸汽工况中的金属密封球阀绝大多数采用固定球金属密封结构, 如图1所示, 球体固定于阀腔内, 介质作用力通过球体上下阀轴及轴承传递到阀体及管线上, 球体的自重和承受的介质作用力不会作用于阀座密封面上, 以保护阀座密封面。阀座设计为活塞式, 受弹簧力和介质压力的共同作用, 可以沿通道的轴线方向移动, 以达到密封作用。阀座初始密封比压的建立是依靠阀座后面的弹簧力, 即使在极小压差的情况下, 也能确保足够的密封比压。由于阀座与阀体间的密封外径大于阀座密封面与球体密封的外径, 介质压力的作用会进一步加强阀座的活塞效应, 以确保阀门的高压密封。当阀门处于全开或全关状态时, 一旦阀腔内压力升高, 此高压会自动压缩弹簧, 推开阀座, 释放阀腔内的超压, 使阀腔内的压力与管线内的压力保持平衡, 确保管线的安全。
2 原因分析
密封泄漏、启闭动作困难、球口被拉伸破坏等是用于高温蒸汽工况金属密封球阀经常发生的问题。笔者通过分析部分发生问题的球阀, 发现主要是由于下列因素造成: (1) 材料的蠕变变形、中法兰螺栓的热拉伸、中法兰垫片热态弹性力的降低引起阀体、阀盖连接密封的渗漏或失效; (2) 高温差、高压差变化, 以及阀门动作时石墨材料的流失引起填料密封的渗漏或失效; (3) 材料的热膨胀使阀座的径向运动受阻, 球口拉伸失效, 在阀门动作时损坏阀座密封面, 引起阀座与球体之间密封泄漏; (4) 阀座与阀体之间石墨密封圈是脆性材料, 如果阀座、阀体与石墨密封圈接触的密封部位表面粗糙度较差, 在高压差下石墨密封圈就很容易被击穿, 或引起材料流失, 从而导致阀座与阀体之间的密封泄漏; (5) 阀体、阀盖等部件形状较复杂, 大多是铸造或锻造成形, 很多部位材料的厚度等分布不均, 不同配合部位的尺寸大小也不尽相同, 加上热膨胀引起的尺寸变化也不均匀, 就容易引起相互运动的部件发生卡阻或卡死现象; (6) 阀座的热伸长与球体的热膨胀会使球体与阀座之间抱紧, 造成阀门启闭力矩增大, 动作困难; (7) 个别部件表面粗糙度较差, 表面硬度在高温状态下降低, 相互运动时发生咬合现象, 导致阀门动作不灵活; (8) 球阀启闭瞬间, 球体与阀座密封面之间形成的最小流通通道是一个很小的点, 流体通过时被瞬时加速, 高速通过的流体造成球体端口热拉伸, 损坏球体端口。操作阀门时, 阀座密封面与球体紧贴在一起, 经过已损坏的球体端口处, 就会破坏阀座密封面, 造成密封失效。
3 解决上述问题必须综合考虑的因素
3.1 设计应力值
高温条件下受载荷作用的阀门部件, 即使使用应力低于相应温度条件下材料的屈服极限, 也会发生弹性变形和不可恢复的蠕变变形。应力不变时, 温度越高蠕变速度越高;温度不变时, 应力越大蠕变速度越大, 同一种材料的蠕变速度是应力和温度的函数。因此, 用于高温蒸汽管线中的阀门, 设计时应依据管线系统的参数, 从材料的蠕变特性、断裂性能、耐温特性、强度、硬度等方面进行综合考虑, 合理确定材料的许用应力和设计应力值。阀门中各部件设计应力的选取, 应当以保证阀门在使用寿命期内, 不至于因材料蠕变而影响阀门使用性能为前提。从制造成本角度来考虑, 也不宜无节制地放大部件的结构尺寸, 这样会导致制造成本过高。
3.2 配合间隙
在高温工况条件下使用的金属密封球阀, 设计中还应考虑材料热膨胀对阀门性能的影响。阀门各配合尺寸的间隙影响阀门的密封性能与动作性能。在热态工况条件下, 阀体 (尤其铸造阀体) 的热膨胀系数受外形尺寸和壁厚的影响很大, 如果阀体与阀座配合尺寸间的热膨胀间隙不相匹配, 在高、低温和高、低压变化的情况下, 就会影响密封的可靠性和动作的灵活性, 甚至发生密封泄漏和阀球抱死现象。阀轴与轴套间的配合也有同样的问题。
3.3 热交变的影响
交变应力会加剧阀门零件的疲劳老化, 设计时应予以综合考虑。同时, 热交变会引起螺纹连接的零件和过盈配合的零件发生松弛, 设计时也应采取相应措施, 防止零件脱落或失效。
3.4 密封比压及密封力的确定
金属密封球阀密封比压的设计是否合理以及密封力的大小, 直接影响阀门的密封可靠性和使用寿命。设计金属密封球阀的密封比压时, 在一定的密封面宽度范围内, 应尽可能地降低密封比压值, 以提高阀门的使用寿命。但是, 为了保证阀门的密封可靠性, 就必须保证球阀的设计比压要大于必须比压和小于密封面材料的许用比压。
金属密封球阀的密封力是流体在阀座上的作用力、弹簧预紧力、阀座滑动摩擦力的合力。流体在阀座上的作用力受阀座与阀体之间密封直径的影响, 该直径与阀座密封面内径的比值越大, 阀座作用在球体上的力就越大, 阀门的密封性越好, 但过大将会引起阀座密封过载及阀门启闭力矩过大。因此, 在阀座壁厚满足使用应力要求的情况下, 不宜设计过大。弹簧预紧力的作用是保证球阀低压密封性、克服柔性石墨密封圈的摩擦力以及保证高压密封性。设计的弹簧预紧力必须满足公式:Q=0.785qmin (D2-Dn2) +Fj, 其中, Q为弹簧预紧力 (N) ;qmin为必须的最小预紧比压 (MPa) , 取0.1倍公称压力;D为阀座外直径 (mm) ;Dn为阀座内直径 (mm) ;Fj为柔性石墨密封圈摩擦力 (N) 。
3.5 转动部件的表面硬化
用于高温工况的大口径金属密封球阀, 采用固定球结构设计, 阀轴上下均应设计有轴套, 阀轴和轴套的转动部位必须进行硬化处理, 以防止高温工况条件下发生咬伤。球体与执行机构的自重和阀门启闭过程中产生的侧向冲击力作用在阀轴上, 阀轴上下的保护轴套能消除作用在阀轴上的不平衡力, 避免了填料腔承压受到破坏, 也避免了因阀轴受不平衡力挠度增大而导致阀门扭矩增大。
球体表面喷涂碳化物硬化, 根据喷涂材料的不同, 其硬度在HRC58~72之间。阀座密封面可喷涂碳化物, 也可采用堆焊硬质合金材料。由于球体比阀座的制造成本高, 制造工艺复杂, 因此一般选择硬度略低的阀座密封面作为易损件。试验表明:当球体与阀座密封面的硬度值, 其中有一个或两个同时低于HRC50时, 应当考虑将两密封面之间的硬度差控制在一个合理的范围内, 这个差不宜过大, 也不宜过小, 正常应控制在HRC5~9之间。如果两差值过大, 会造成阀门操作力矩过大和阀座密封面过度磨损;两差值过小, 将有可能造成球体磨损或损坏。当球体与阀座密封面的硬度值都超过HRC50时, 可不考虑两密封面之间的硬度差, 只要保证阀座密封面的硬度值比球体略低即可。
球体、阀座等零件经过表面硬化处理后, 必须进行磨削加工和精研磨, 才能保证其制造精度。磨削加工需要选用合适的磨削参数, 如磨料粒度和硬度、进给速度、吃刀量以及冷却液等。磨削材料选择不当极易造成硬化层龟裂, 以及球体表面几何形状不完整。特别注意, 在磨削碳化钨硬化层时, 应当选择不含有胺的冷却液, 否则可能会腐蚀碳化钨硬化层。磨削加工后的球体和阀座密封面还应进行相互无规则对研, 以减小因测量误差带来的两配对密封面间几何形状的误差, 确保球体和阀座密封面的表面粗糙度以及整体几何形状完全一致。
3.6 阀座与阀体之间的密封
阀座与阀体之间的密封是用于高温工况金属密封球阀设计的难点之一, 在采用柔性石墨环填料密封结构设计时, 常常会出现3种密封泄漏情况: (1) 预紧力过小, 常温时阀体与阀座间的密封泄漏; (2) 预紧力偏大, 常温状态下密封性能很好, 热态工况下石墨密封环膨胀, 阀体与阀座间胀紧, 阀座难以轴向运动, 低压密封泄漏; (3) 石墨密封环的外圆周在高温差、高压差变化下作轴向运动时, 容易发生流失, 经热态试验后的阀门再进行常温状态下密封试验, 密封性能不稳定, 有时会发生泄漏。此时, 应从以下几个方面进行研究:加载弹簧预紧力的确定;阀体内孔与阀座外径尺寸精度和表面粗糙度的控制;柔性石墨密封圈结构的合理性以及材料的保证。阀座与球体两密封面之间以及柔性石墨密封圈初始密封比压的建立, 依靠阀座后面的弹簧力。如果弹簧力不足或弹簧性能不稳定, 就不能促使柔性石墨密封圈与阀体、阀座之间实现密封。因此在设计制造弹簧时, 应从选材、设计计算、加工工艺以及热处理工艺上进行严格控制。
3.7 阀轴密封系统
用于高温蒸汽工况的金属密封球阀, 阀轴密封系统设计时应考虑采用碟簧加载结构, 以防止高温差、高压差变化条件下密封比压变化, 引起阀轴密封失效, 确保阀轴密封更可靠。
3.8 防护切口
球阀开启和关闭瞬间, 形成的流道截面为一条线, 在高冲刷和高压降状态下, 容易造成球体前缘冲刷与拉伸, 使球体损坏。在球体流道孔端口处, 设计一个与阀座密封面内径尺寸一致的圆弧切口, 增大阀门开启瞬间的流通面积, 形成较宽的前缘, 可避免球体启闭瞬间可能造成的破坏。
3.9 凝水泄放
由于系统停止运行后, 残余在阀腔中的蒸汽会发生冷凝, 产生冷凝水。如果冷凝水不及时排出, 当系统再次运行时, 就可能会发生“水锤”现象。高速流动的蒸汽推动冷凝水, 使冷凝水在管道壁、阀门内腔壁及其他蒸汽使用设备上进行强烈的撞击, 严重时会造成管道和阀门等设备损坏。因此, 在设计时应当考虑设计冷凝水泄放机构, 防止“水锤”发生, 确保阀门的可靠性。
4 应用示例
4.1 设计参数
设计1台公称通径为DN200、工作压力为16.5 MPa、工作温度为350℃、工作介质为饱和蒸汽的固定球金属密封球阀。阀体材料为WCB, 阀轴材料为17-4PH;球体、阀座、轴套的主体材料为F304。结构与图1一致。
4.2 关键部位设计计算公式
4.2.1 阀座密封力计算
(1) 密封面上的计算比压及总作用力:
(2) 密封面上的必须密封力:
(3) 柔性石墨密封圈与阀体间的摩擦力:
(4) 加载弹簧的合力:
4.2.2 阀座的平均圆周应力计算
4.2.3 球体分析
球体的直通道与阀体通道一样, 考虑阀体内腔、阀门力矩、轴承负荷等达到最小值, 阀球的外直径和实际需要的一样小, 其最大承压边缘只在阀球关闭时发生在阀座通道的内径圆周上, 如果将阀座内腔部分的球体圆周表面视为均匀负载的平圆板, 对球体进行简单而保守的分析, 则球体的最大应力为:
4.2.4 阀门力矩计算
(1) 密封面间的摩擦力矩:
(2) 阀杆轴承的摩擦力矩:
(3) 填料的摩擦力矩:
(4) 阀杆肩台与止推轴承的摩擦力矩:
(5) 介质压力产生的力矩:
(6) 阀门总力矩:
4.2.5 阀杆计算
(1) 阀杆的剪应力:
SSS<[τ] (合格)
(2) 阀杆的弯曲应力:
SW<[SW] (合格)
(3) 阀杆头部的扭转应力分析:
4.2.6 阀座装配间隙的计算
以上计算公式中, 字母代表的含义:q为密封面计算比压 (MPa) ;P为公称压力 (MPa) ;D为阀座外直径 (mm) ;Dn为阀座密封面内直径 (mm) ;Dw为阀座密封面外直径 (mm) ;R为球体半径 (mm) ;H为密封面的投影宽度 (mm) ;α为阀座密封面中心线与球体流道中心线的夹角 (°) ;Fm为密封面上总作用力 (N) ;Fj为密封面上的必须密封力 (N) ;qmin为必须的最小预紧比压0.1P, 但不小于2 MPa;Mft′为柔性石墨密封圈与阀体间的摩擦力 (N) ;ψ为系数 (与hT/bT有关的系数) ;df为柔性石墨密封圈外直径 (mm) ;bT为柔性石墨密封圈厚度 (mm) ;hT为柔性石墨密封圈高度 (mm) ;Q为加载弹簧的合力 (N) ;Sn为阀座的平均圆周应力 (MPa) ;Di为阀座内径 (mm) ;t1为阀座最小壁厚 (mm) ;S为圆周许用应力 (MPa) ;St为球体的最大应力 (MPa) ;m为1/V (V为材料泊松比) ;t为包含在阀座密封面中径的球体之间平均厚度 (mm) ;Sm为球体材料许用应力强度 (MPa) ;Mm为密封面间的摩擦力矩 (N·mm) ;qMF为必须密封比压 (MPa) ;fm为密封面间的摩擦系数;Mc为阀杆轴承的摩擦力矩 (N·mm) ;Qc为作用在轴承上的载荷 (N) , Qc=3.14×D2×P/4;fm′为轴承与阀杆间的摩擦系数;dp为轴承内径 (mm) ;MT为填料的摩擦力矩 (N·mm) ;φ为填料系数 (与ht/bt有关的系数) ;ht为填料高度 (mm) ;bt为填料宽度 (mm) ;MP为阀杆肩台与止推轴承的摩擦力矩 (N·mm) ;fm″为摩擦系数;dP′为阀杆肩台最大外径 (mm) ;Mj为介质压力产生的力矩 (N·mm) ;T为阀门总力矩 (N·mm) ;SSS为计算剪应力 (MPa) ;r为阀杆半径 (mm) ;J为极惯性矩 (mm4) ;[τ]为许用剪应力 (MPa) ;SW为计算弯曲应力 (MPa) ;M为弯曲力矩 (N·mm) , M=0.5×FS×HS;FS为阀座总负荷 (N) , FS=d2×3.14×P/4;HS为作用在阀杆弯曲矩上的距离 (mm) ;I为惯性矩 (mm4) , I=3.14×dP4/64;C为矩心距离 (mm) , C=dP/2 (mm) ;[SW]为许用弯曲应力 (MPa) ;τN为扭转应力 (MPa) ;ω为抗扭转断面系数 (mm3) , ω=β×K3;β为与阀杆扁头形状有关的系数;K为阀杆扁头厚度 (mm) ;[τN]为许用扭转应力 (MPa) ;X大为最大装配间隙 (mm) ;XY为最大工作间隙 (mm) ;d为配合的公称直径 (mm) ;dZ为轴材料线胀系数 (℃-1) ;t轴为轴的工作温度 (℃) ;t0为装配时工作温度 (℃) ;dR为孔材料线胀系数 (℃-1) ;t孔为孔的工作温度 (℃) ;X小为最小装配间隙 (mm) ;XP为最小工作间隙 (mm) 。
4.3 试验结论
阀门样机进行了如下试验:基本性能试验、热态性能试验、冷热交变试验、阻断试验和静压寿命试验。试验检测结果满足运行工况的使用要求。
5 结语
固定球金属密封球阀样机消除了高温状态下密封泄漏、填料函泄漏、动作卡阻、球口与阀座密封面被拉伸等诸方面的问题, 阀门整体性能和使用寿命得到了显著提高。目前, 批量制造的固定球金属密封球阀产品应用到实际工况中已有两年多, 未再发生此类问题, 得到了用户较高的评价。
摘要：总结了应用于高温蒸汽工况中金属密封球阀存在的问题, 阐述了问题产生的原因, 提出了这类球阀在设计制造过程中应注意的关键问题, 介绍了阀门结构、选材、密封面的配对、内件材料的匹配、相对运动部件之间配合间隙的确定与控制方法, 以及对特殊部位的制造和加工要求, 并通过实例设计与试验, 对提出方法的有效性进行了验证。
关键词：高温蒸汽,金属密封,球阀结构,表面硬化,配合间隙,加工方法
参考文献
[1]沈阳阀门研究所编.阀门设计[M].沈阳阀门研究所, 1976
[2]高清宝, 等.阀门堆焊技术[M].机械工业出版社, 1994
[3]刘鸿文.材料力学[M].高等教育出版社, 2004
[4]孙训方, 方孝淑, 关来泰, 等.材料力学:上册[M].高等教育出版社, 1987
金属密封球阀 篇2
关键词：煤制油工艺,金属密封球阀,耐磨阀门
0 引言
在我国, 由于能源表现出煤多油少的总特征, 导致我国在发展社会主义市场经济中出现了不少的阻碍。在我国, 已探明的煤炭总储量达到了一千二百万亿吨, 已探明的石油总储量为三十多亿吨, 仅为煤炭总储量的四百万分之一。而当今社会经济发展的一个显著特点就是以石油能源使用为主的工业化时代, 我国每年原油的开采水平仅为1.5亿吨左右, 而我国原油消耗量每年在3亿吨左右, 出现了巨大的差距。可见, 我国煤多油少的局面必然会对我国社会经济的发展带来一定程度的阻碍。因此, 为了有效解决我国原油生产和消耗之间的差距, 我国化工企业就有必要进行煤制油工艺的发展, 进而缓解这种石油能源供不应求的局面。而在煤制油工艺中, 对金属密封耐磨球阀选择和应用又有其特定的标准和要求。基于此, 本文从分析煤制油工艺、金属密封耐磨球阀的作用和类型出发, 探讨我国煤制油工艺对金属密封耐磨球阀的类型和应用的要求。
1 煤制油工艺
煤制油工艺是通过化学技术加工煤炭, 使之生产出油类产品的技术。煤制油工艺之所以可行, 是因为煤炭和石油都是化石燃料, 都是由碳、氢、氧等化学元素构成, 在一定程度上来说, 煤炭和石油只是碳、氢等化学元素不同结合、组合形态而已。因此, 煤制油通过化学加工过程, 完全可以实现。当前煤制油工艺在我国和国际上的发展概况主要由直接液化技术和间接技术为主导。而国内国家政府的调控对煤制油工艺则有着很大的影响力。
煤制油工艺目前发展的良好状况, 不得不归功于党中央、国务院以及发改委的有力、高效地政策调控。从2006年到2011年这五年期间, 国家发改委通过政策指导和调控, 一方面在抑制煤制油小型项目的发展, 一方面又在鼓励煤制油工艺的发展。这不仅有利于我国煤制油高效健康的发展, 实现产业规模的突破, 还抑制了煤制油产业的盲目发展, 避免了产能过剩而造成的资源浪费, 保证了我国煤制油产业的科学可持续发展, 从而促进了我国社会主义市场经济能源需求的平衡发展[1]。
2 球阀
球阀, 顾名思义, 是以球体为主要关闭开关, 利用驱动装置驱动球体而实现开和关的阀门。按照使用的球阀结构, 可以分为固定式球阀和浮动式球阀。固定式球阀之所以成为固定式球阀, 原因则在于球体是和转轴一体, 这种类型的球阀的优点就是在球阀进行开和关时, 不受压力的影响而使球体向阀门移动的效果。因而, 固定式球阀主要应用于高压、大孔径设备中。固定球阀在进行工作时, 阀前流体压力在球体上产生的作用力全部传递给轴承, 不会使球体向阀座移动, 因而阀座不会承受过大的压力, 所以, 固定球阀的转矩小、阀座变形小、密封性能稳定、使用寿命长, 因而能适用于高压、大孔径场合。浮动式球阀, 主要包括驱动装置、阀杆、阀座、球体、阀体等几个部分, 这种类型的球体由于没有转轴连接, 只是受阀座支撑, 与阀杆连接, 当受到流体较大的作用力时, 会向阀门出口浮动, 从而实现密封阀门的效果。但是浮动式球阀的使用场合有限, 这是因为随着阀门孔径的增大, 球体直径也会随着增大, 导致球体的重量增加, 并且由于流体所产生的作用力不均匀, 使得浮动式球体会出现密封效果不好的情况。因此, 浮动式球阀只适合阀门孔径不超过20厘米的场合[2]。
在煤制油技术中, 球形阀门的使用又有一定的特殊性, 主要体现在, 煤炭原料和石油产品都具有一定的腐蚀性、冲蚀性、气蚀性等, 使得球阀在使用过程中也会出现摩擦, 造成球阀一定的损失。因此, 在煤制油过程中, 选择一个合适的球阀就有了充分的必要。
3 煤制油工艺中金属密封耐磨球阀的选型及应用
目前, 我国煤制油工艺主要有两种类型, 一种是直接液化技术, 另一种则是间接液化技术, 这两种类型的主要区别就在于煤制油工序的差别。煤制油直接液化技术主要是通过在煤液化中直接加氢来完成液化, 而煤制油间接液化技术主要是把煤气化, 再净化, 之后再高温、高压、催化剂作用下生产油类产品。因此, 这两种类型的煤制油工艺就要求使用不同类型的球阀。煤制油直接液化技术工序便捷、反映条件比较温和, 主要是气体和液体等, 因而在选用球阀时, 应该选用固定球阀, 进而增强其密封性。而煤制油间接液化的对煤种的要求不高, 对任何一种煤种都可以液化, 而且合成条件要求不高, 煤制油转化效率也比较高。但是, 煤制油间接液化技术却存在着投资大、加工过程、工序复杂等不利因素, 而且间接液化比直接液化多出了两个问题, 即腐蚀问题和摩擦问题。因而, 在选用球阀方面, 可以根据实际情况采用浮动球阀或者是固定球阀。可见, 无论是煤制油直接液化技术还是煤制油间接液化技术, 在煤制油工艺中, 对球阀的要求是密封性要好、耐磨性要好。这主要是因为, 在煤制油过程中会产生大量的气体和液体, 尤其是在液化过程中, 为了保证液体的质量和炼制效率, 必须要加强煤制油设备的密封性。而强调耐磨性主要是因为, 在煤制油工艺中, 在煤炭经过化学反应之后, 会产生大量的介质, 即煤渣。煤渣的大量存在, 在对球阀产生摩擦后, 并使球阀的密封性降低, 因此, 在强调球阀的作用时, 耐密性也就成为了必须考虑的因素之一, 也就成为选择球阀的标准之一。而球阀之所以选择金属性质的, 这主要是因为金属具有耐磨性, 质量可靠, 可以长久地使用。此外, 金属的质地坚硬, 可以有效地防止腐蚀的发生。所以, 在煤制油工艺中, 金属密封球阀就成为了球阀应用的主要选择[3]。
针对煤制油工艺的流程, 即间接液化技术和直接液化技术, 因为二者的工艺程序不同, 因此, 在选择阀门时, 就会出现不同的侧重。在间接液化技术中, 由于先要把煤炭气化之后再净化, 得到的是气体 (氢气和一氧化碳) , 因此, 在选择金属密封耐磨球阀时, 就应该选用能保证密封达到理想效果的固定式球阀。之后在反应处理和液化过程中, 由于对反应处理的密封效果要求不高, 因此可以选用浮动式球阀, 而液化过程是产品成油的最后阶段, 为了保存效果和控制效果, 通常会选用孔径较大的阀门, 这就使得这一阶段必须选择固定式球阀。而在直接液化技术中, 由于是直接加氢完成液化, 因此, 在这一过程中, 就必须使用固定式球阀。
现阶段, 针对化学工业中所使用的球阀相关处理保护技术, 主要是表面硬化处理技术, 包括热喷涂技术、表面镀铬技术、超音速喷涂技术等。采用这些表面处理技术, 可以增加球阀的表面的耐磨性, 提高球阀的密封性, 而且, 在煤制油过程中, 还存在腐蚀现象, 因此, 采用球阀表面保护技术, 也有利于防止球阀的腐蚀。而更为重要的一点是, 金属密封耐磨球阀的选择, 可以增强整个液化设备的使用寿命, 在一定程度上提高生产的质量和效益。
4 结语
综上所述, 我们可以看到, 煤制油工艺有效地缓解了我国煤多油少的局面, 而金属密封耐磨球阀完全可以满足煤制油工艺的各种要求和标准。在煤制油这种环境比较苛刻的工艺中, 只有选择适当的、使用高质量材料的金属密封耐磨球阀, 才能保证煤制油工艺稳定健康的发展。也只有选择适当的、高质量的金属密封耐磨球阀, 才能提高煤制油工艺的水平和质量, 从而保证煤制油工艺持续为缓解我国能源紧张的不利局面作出贡献, 使我国社会经济发展畅通无阻, 更上一层楼。
参考文献
[1]刘君瑞, 梁涛.煤化工产业及其硬密封球阀的选型运用探讨[J].中国高新技术企业, 2015.04:84-85.
[2]张娜, 丁红, 乐精华, 张满栓.PTA装置用高温耐磨金属密封球阀的研究[J].阀门, 2013.05:25-26.
金属密封球阀 篇3
用长输管线输送气、油等介质时,都具有量大、压力大、材料要求高等特点。长输管线在传送流动介质时需要对它们进行控制,因而在管线上设置大量阀门。阀门的作用分两种:1)各系统干线的出入口,开启和关闭的作用;2)中部增压站等,控制介质的输送。目前阀门的种类较多,有平板闸阀、球阀、止回阀等。阀门的连接形式有法兰和对接焊连接两种。目前球阀由于其结构紧凑、密封性能好、开关速度快等优点而被广泛应用。如图1所示为其中一种球阀。
球阀的组成一般有阀座、阀体、球体、阀杆和转动装置五部分。其中阀体的形式有:两段式螺栓连接阀体、三段式螺栓连接阀体、全焊接式阀体和上装式阀体。介质温度范围为-29℃~200℃;球阀的结构长度标准为API6D、API608;适合介质有石油、天然气、煤气等;操作方式为涡轮转动、手动和电动等。
1.1 工作原理
球阀就是用阀杆带动圆形通道的球体绕轴线旋转的阀门。主要负责接通和切断流体通道,所以球阀一般是闭路阀,也可以用于控制和调节流体。球阀是一个有孔的球体,借助手柄等装置在阀杆上施加转矩使其沿着和通道的轴线垂直方向旋转90度,完成分配、切断或改变介质流向的管道和动作。近年来随着其技术的发展,它又具备了节流和控制流量的作用。
1.2 球阀特点
球阀结构简单、体积小、重量轻、密封性好和操作简单,近些年来发展迅速,在各行业都得到广泛应用,成为主导的阀门之一。
1)密封性能好:大部分球阀的阀座选用弹性材料聚四氟乙烯等制造,紧急注脂的密封性较好,对密封表面的粗糙程度和表面的加工精度的要求也不高。
2)使用寿命长:管线投入使用是不允许停止的,聚四氟乙烯的自润滑性很好,对球体的磨损较小,加上先进的加工技术,使其粗糙度降低,延长其使用寿命。
3)流体阻力小:球阀为全流量型,其管道内径就是整个通道直径,因此管内阻力很小,是所有阀门中流阻最小的一种。
4)开启关闭方便迅速:只要手柄转动90°就能很轻松的控制球阀。
5)阀体内光滑平整:对于输送粘性流体、固体颗粒、浆液都很适宜。
2 球阀结构
下面具体介绍本文所选用的固定球球阀的结构,图2为本文介绍的固定球球阀弹性阀座结构。
1)球体支撑结构形式
通常球阀按照球体的支撑方式可以分为有浮动球和固定球球阀两种,而浮动球球阀的球体中并无支撑轴,球体的支撑依靠阀门进口、出口的阀座来控制。固定球球阀就具有支撑轴,相比浮动球球阀所能承受的重力要大得多,所以我们选择固定球形式的球阀。固定式受压后球体不会移动,而是浮动的阀座移动,使密封圈紧压球阀,确保其密封性。
2)密封形式
这里我们选择弹性密封阀座,这样球体的弹力在介质压力和弹簧预压缩的双重作用之下,能够满足密封力和密封比压的要求,获得较好的密封比压。如图1所示,在沿着阀门的通道横截面周围布置一组压缩弹簧,作为其推力,这样就能保持阀座和球体的预紧状态。
3)减速器的结构
考虑到轴减速器在球阀中的形式以及其安装的位置,考虑用体积较小、传动比大的蜗轮-蜗杆减速器,球阀球体只需要旋转90°,用扇形的蜗轮来取代全蜗轮减速器。
4)轴承端盖的结构
轴承端盖也是十分重要的一个零件,用途广泛。主要用作轴承外圈的固定、防尘和密封、调节轴承间隙并承受轴向力,使得主轴箱平稳转动。它可分为嵌入式和凸缘式,选择凸缘式轴承端盖效果更好,密封性能好,调整轴承间隙方便。
3 设计过程
3.1 设计规范
按照上面关于球阀的介绍,依据GB12221-2005决定用PN40、DN500来做球阀金属阀门结构长度,其结构长度l=1250mm,由计算确定钢质阀体的壁厚最小t=30mm;球阀连接法兰的尺寸为D=755mm,d=500mm;球阀力Q=247793.7N,弹簧的预紧力Q1=35168N;驱动装置的输出转矩M=7701348N/mm,选择蜗轮-蜗杆传动作为减速器;用联轴器连接驱动装置和阀杆。此外还需要增加防静电装置、防火装置、紧急注脂等,满足特殊场合下使用的要求。
3.2 强度计算及材料
1)计算密封力
(1)流体压力在阀座密封面上引起的作用力:
为流体静压力在阀座密封面的作用力。
为流体静压力在密封面余隙中的作用力;
预紧力不但确保低压球阀的密封性,同时补充流体作用力,确保使用时高压球阀的密封性。固定球球阀的预紧力靠弹性元件达到。
(2)弹簧预紧力Q1的计算:
公式中,qmin为最小比压,qmin=0.1Mpa。D1、D2分别表示阀座的内径和外径。
(3)计算阀座滑动摩擦力Q2:
公式中,d1为支座的外径;F0为0形圈开始弹性压缩在接触面上的摩擦力;F0为0形圈在流体压力下的摩擦力。
2)球阀转矩的计算
计算球体和阀座密封圈摩擦转矩的公式:
滑动或者滚动轴承能够降低球阀旋转时所产生的巨大摩擦力。轴承的结构和轴颈连接方式,由球阀的通径、压力、工作介质等因素决定。
轴承摩擦转矩Mc的公式:
公式中,QC为轴承的径向作用力,固定球球阀,预紧力和阀座摩擦力对轴承的总推力相互抵消。
3)主要零部件的校核
校核的范围包括牙嵌式离合器的强度、阀杆的强度、键的强度、中法兰用双头螺栓的强度。
4)选择球阀材料
选择球阀的材料要考虑到球阀的具体用途和使用所需的条件。主要考虑介质的温度、介质的腐蚀性、输送介质的性质等方面。本文中选择球体A105,侧阀体和中阀体为WCB,阀杆、蜗杆轴、蜗轮轴选择40Cr,蜗轮的轮毂型号为TH200、轮芯型号为ZCuSn10P1,轴承端盖采用HT150,减速器的箱体选用HT250。
4 未来发展趋势
管线球阀今后的发展趋势呈现为:1)大型化管线球阀的大型化将带去更大的经济效益。2)高耐腐蚀材料阀门技术的发展,要求高强度的耐腐蚀材料与之适应。3)多重密封结构阀门想要更长的使用寿命,需要多重复合材料。4)快速关闭及高可靠性。5)高自动化能够预知事故的发生,紧急关断球阀。
5 结束语
本文设计的对象为管线球阀,球阀由于开关迅速、阻力小、密封性好等特点而被广泛采用。对于球阀的球体支撑结构、密封形式、减速器等进行了详细设计,确定了结构较好的固定式软密封球阀,并给出了结构图;又详细给出了零件所用材料和强度校核的计算。最后指出了球阀今后的发展趋势。这种球阀结构合理,性能较好,能够满足长输管线的要求。
摘要：本文主要阐述了阀门在长输管线中的重要作用及其分类,其中球阀由于良好的密封性能等优点而被广泛使用。本文选择的是固定式软密封球阀,描述了球阀的结构、球阀的特点、材料的选择和强度计算等,最后设计出了一种新的系统,同时提出了球阀今后的发展方向。
关键词：管线球阀,弹性密封,阀座
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,2007.
[2]高惠,侯晓辉.管道球阀密封原理及泄漏分析[J].油气储运,2006,25(3):57-60.
[3]章华友,陈元芳.球阀设计与选用[M].北京:北京科学技术出版社,1994.
金属密封球阀 篇4
1 超低温球阀瞬态传热过程分析
1.1 瞬态温度场分析的有限元理论基础
超低温球阀的内部流体和流道的对流换热是超低温球阀的主要热量来源, 当流体进入到阀内时, 流体会作为热量与其内部流道进行对流换热, 而球阀的外部会与环境温度进行对流换热。当流体刚进入阀内时, 该球阀的温度场分析属于无内热源问题的瞬态热分析。阀门内无流体通过时, 阀门的各个部位会维持常温状态。而当低温流体突然流入阀内时, 阀内壁面的温度会很快地下降, 而传热需要一定的时间, 阀外壁面的温度依然是常温状态, 因此阀门壁内外会形成温差, 让阀体受到冷冲击, 进而产生非定常的热应力, 导致超低温阀门失效。
1.2 超低温球阀正常运行状态瞬态过程分析
运用ANSYS软件对低温流体进入阀内导致球阀温度及应力稳定的变化过程进行计算分析。环境温度设定为22℃, 选取瞬态分析模式, 滴水板上部与空气发生自然对流。换热系数设定为10W/m2·℃, 阀体在滴水板下, 外表包装好保温层, 保温层的导热系数很小, 可将其视作绝热边界。然后设定载荷子步, 完成时间为1450s, 载荷步为60s, 然后运用ANSYS软件对低温流体进入阀内导致球阀温度及应力稳定的变化过程进行计算分析。
结果显示, 超低温球阀整体温度达到稳定所需要大约1000秒钟左右的时间, 并且其填料函底部的温度始终0℃以上, 满足低温工况下的传热要求。而阀芯中间部位、两端流道内部以及阀体底部的应力随时间的变化规律为:前60秒内因为温差大, 会产生较大的温差应力, 但随阀体内外温差的逐渐减小, 约1000秒钟左右时其应力分布会逐渐趋向于稳定的状态。从整体应力变化的情况中可以看出, 阀壁厚度变化的地方, 容易产生较大的应力, 并且容易出现疲劳裂纹。而阀壁较厚且分布均匀的地方热应力会比较小。
2 液化天然气超低温球阀密封研究
2.1 球阀的密封原理研究
球阀的密封原理是通过不同的途径来阻止介质的渗漏。金属软密封是目前广泛采用超低温阀门密封方式, 该方式是将金属与非金属材料通过复杂的工艺复合到一起。这种密封形式的优点在于能避免阀门开闭时阀座与球体之间的硬性擦伤, 减小密封副之间的摩擦力, 提高了密封面的耐磨性和使用寿命, 同时也能保证其密封效果。软密封球具有价格偏宜、泄漏率低等优点, 但其缺点是只能适用于小口径的低压工作环境。
2.2 密封材料研究
LNG阀门正常的工作温度在-163℃左右, 在这样的超低温工作环境下, 一般的材料其强度和硬度都会有所升高, 塑性和韧性都会大幅度下降, 这将会严重影响到阀门使用的安全性, 超低温环境下保证阀门安全的材料便会因此而成为阀门领域的重点研究对像。现今低温填料主要有聚四氟乙烯、石棉、浸渍聚四氟乙烯石以及棉绳等。石棉容易出现渗透泄露, 聚四氟乙冷脆冷流较为明显, 相比之下, 聚三氟乙烯 (PCTFE) 脆裂现象发生少, 无渗透情况, 不助燃, PCTFE能耐受-196℃的超低温。伴随着温度的降低, 分子链的排列会更加紧密, 其体积会相应变小, 空隙率会逐渐降低, 分子链之间的作用会逐渐增强, 其硬度、弯曲度以及抗拉强度也会有相应的提高, 在液化氦、液化氧以及液化天然气中不容易发生脆裂, 也不会发生蠕变。PCTFE材料在超低温下的抗拉强度及弹性模量与PTFE等材料要好很多, 是较佳的密封聚合物, 在目前密封材料选择和应用中较为广泛。随着门阀材料研究, 柔性石墨也逐渐被应用, 柔性石墨耐低温、抗腐蚀, 具有极佳的密封性能。另外在设计低温门阀的时候, 通常温度不高于负70摄氏度时不再采用非金属密封材料。
3 讨论
近年来国际石油价格不断上涨, 而石油和煤炭的大量使用对地球生态环境的破坏性也不断增强[2]。天然气的开发和使用可以大大减少煤炭和石油的使用量, 进而可改善环境污染的问题。液化天然气是我国的朝阳产业, 对建设可持续发展及环境友好型社会起着至关重要的作用。而LNG超低温阀门是保证液化天然气装置安全运行的关键性环节, 根据相关报告显示, 阀门虽然占LNG产业总投资的比率不高, 但其维修费用约为总维修费用的一半以上。LNG超低温阀门被广泛应用于液化天然气生产工厂、接收站、运输装置以及气化站等地方。由于LNG具有易燃易爆并且容易气化等特点, 因此LNG超低温阀门必须具有自动泄压、防静电、防火等结构, 并需要采用多重密封保证长颈阀盖处填料函的密封性能。在超低温的环节中, 液化天然气阀门阀座泄露等问题时有发生, 温度分布的情况、低温热应力和密封性能的好坏对门阀是否能够安全运行有着直接影响。
参考文献
[1]那丽, 吕赟.超低温球阀的结构设计特点及安装要求[J].煤化工, 2013, 41 (02) :65-67.
