氣動高溫密封球閥選型分析

氣動高溫密封球閥選型分析

氣動球閥控制是自動化控制在工業(yè)里的終端控制元件，氣動球閥調節(jié)流動的流體（介質），以補償負載流動并使得被控制的過程盡可能地靠近需要的設定點，基于其在工業(yè)自動化領域里的重要性，使得氣動球閥的設計及制造尤為重要，特別是某些嚴格苛刻的工況，如高溫、高壓差、高流速、氣蝕等，將從材料、結構、制造等方面加以論述。左右球座密封圈尤其采用調節(jié)蝶簧；球座密封圈與閥體間由增強PPL合成密封材料作為襯墊；定位塊作為填料壓環(huán)在組合填料之上，(有孔)的定位塊位于填料壓環(huán)之上。

工作過程如下圖所示，通過氣動控制裝置輸出旋轉驅動力矩到閥桿，帶動閥桿，旋轉球體閥芯，這樣就可以實現(xiàn)閥門流量通道的開或關，從而進行對管路的控制。通過調整螺栓，很方便地與法蘭、螺紋、焊接等各種方式連接接頭(下連接接頭)連接。環(huán)形密封座與閥體的安裝部位設有一O型密封圈。本實用新型涉及一種球閥,尤其是一種氣動防火高溫硬密封球閥.一種氣動防火高溫硬密封球閥,包括球體,閥座,閥桿,閥體,球體與閥桿固定連接,球體,閥座設置在閥體內,閥座為雙閥座結構,雙閥座結構包括內閥座,外閥座,內閥座與外閥座套接.上述結構采用雙金屬閥座的結構,外閥座與內閥座套設,并在外閥座與內閥座結合的頂部和底部均設置了防火密封圈,這樣的結構,在熱膨脹的時候,熱膨脹一致,密封性不會受到破壞,因此即使在高溫或者意外發(fā)生火災的時候也能保證閥門能可靠的關閉密封,安全性很好.

一、氣動高溫密封球閥選型分析材料的選擇：

1、金屬材料；材料是至關重要的因素，如材料的性能、蠕變、熱膨脹率、抗氧化性、耐磨性、熱擦傷性及熱處理溫度等，這些是首先應注意的事項。在高溫狀況下，蠕變和斷裂是材料破壞的主要因素之一，特別是碳素鋼，當暴露在425°C以上時，鋼中的碳化相可能轉變?yōu)槭?，而對于奧氏體不銹鋼只有當含碳量超過0.4%時，才可以用于528°C以上。因此，在高溫下使用時，應分別計算閥體材料的抗拉強度、蠕變、高溫時效等參數(shù)。而對于閥內件的設計，還應該附加考慮材料在高溫的硬度、配合部件的熱膨脹系數(shù)、導向部件的熱硬度差、彈性變形、塑性變形等。在設計中，應給予相應的安全系數(shù)和可靠系數(shù)，以確保避免在多因素下所產生的破壞。并要熟悉高溫下材料的蠕變率，以選取合適的應力，使材料總的蠕變在正常使用壽命范圍內不擴展至斷裂或允許其產生微變形而不影響導向零件的正常使用。

為避免氣動球閥內件（閥芯、閥座）表面的磨損、沖蝕及氣蝕，高溫情況下要考慮材料的熱硬度，防止金屬硬度變化。在高壓差下，流體的大部分能量集中于閥內件進行釋放，對閥門內件有超負載的可能，而高溫下，大部分材料的機械性能變差，材料變軟，大大影響了閥內件的使用壽命。因此，應正確選擇合適的材料，延長閥門的使用壽命。另外，還要考慮高溫時效對材料物理性能的影響，如韌性和晶間腐蝕的變化。當使用溫度達到或超過熱處理溫度時，閥內件會產生退火，硬度降低等問題，為防止材料硬度發(fā)生變化，溫度極限的選擇必須在一個安全的范圍內。而相同的介質，在高溫狀況下，其分子的活動性相對活躍，某些具有一般腐蝕性的介質可能對閥體及閥內件金屬材質帶來嚴重的腐蝕破壞，介質以高速的離子狀態(tài)滲入金屬內部，使材料的特性發(fā)生改變，如熱膨脹性、晶間腐蝕等，因此，對材料的選擇，除了性價比之外，還應考慮多因素下所產生的失效性。
高壓差、高流速情況下，即使溫度是常溫，也應評估材料的特性，使材料可以滿足該工況。一般來說，常溫下，當壓差超過15bar時，應將閥芯、閥座的材料由316調整為司太立合金堆焊或更高要求的合金，對于弱腐蝕性的介質，可選用420QT（淬火+回火）、440QT等。高壓差、高流速會帶來嚴重的沖蝕或氣蝕，這對閥內件材料的傷害非常大，因此，對閥體及閥內件的材料要求非常高，對于閥芯應考慮使用不銹鋼表面滲氮（HRC70）處理，使之具有較強的耐沖蝕性，提高閥門流量的精度和使用壽命。高溫下材料的抗氧化能力，也是一個非常重要的參數(shù)。在溫度循環(huán)變化中，所選用的材料應避免發(fā)生材料表面重復氧化，產生氧化皮等問題。一般情況下，奧氏體不銹鋼系、硬質合金系及特種合金系的材料有較好的高溫穩(wěn)定性，可根據(jù)不同的高溫工況選用合適的材料。

2、非金屬材料

一般的非金屬材料無法承受高溫（300°C以上），但柔性石墨可以承受700°C以上的高溫，因此高溫工況下，無論是靜密封還是動密封，一般可以選取柔性石墨或復合材料，但應注意摩擦系數(shù)會增大。

二、氣動高溫密封球閥選型分析零部件的結構和導熱系數(shù)的選擇：

高溫高壓差氣動球閥設計中，必須仔細考慮不同零部件的熱膨脹對閥內件動作的影響。當高溫介質流過閥門時，由于閥體的線膨脹系數(shù)往往小于閥座的線膨脹系數(shù)，所以閥體限制了閥座的徑向膨脹，閥座只能向內徑膨脹，使得在高溫下，閥芯與閥座的工作間隙小于常溫下標準閥門設計的間隙，造成閥內件卡死。閥芯與導向套也會產生同樣的現(xiàn)象。因此，閥門在高溫下使用時，常溫下標準閥門的設計間隙（包括閥芯、閥座間；導向套、閥桿間）應當適當增加，這樣使其在高溫下工作也不會發(fā)生卡死現(xiàn)象。因此間隙的設計顯得非常重要，因材料，尺寸及溫度差等參數(shù)的確認對設計人員非常重要，目前，可從《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅱ材料D篇性能》中得到相應的數(shù)據(jù)。

對泄漏量要求較高的場合下閥體和閥座盡量采用相同的合金鋼制造，并采用單座或籠式結構，盡量避免采用雙座閥結構，還要在密封面進行硬化處理，以免高溫下閥門泄露量大幅度增加。另外還應考慮閥體、閥蓋及連接件承受由于高溫帶來的附加載荷造成的破壞。

溫度的循環(huán)變化會使閥座和導向套松動，因此必須采用密封焊和搭接焊來防松或壓緊結構。閥座墊片的密封是在密封力大于墊片的屈服極限才能夠獲得，而在高溫、高壓及熱循環(huán)工況下，密封材料發(fā)生蠕變而產生滲漏，可采用整體閥座，由閥體上直接制成閥座并使之硬化。對于大口徑閥門，可在閥體上焊接閥座，去除墊片來避免不必要的泄漏。根據(jù)介質的溫度高低，還要考慮填料函中填料可承受的溫度及執(zhí)行機構可承受的溫度。填料函結構和使用溫度之間的關系：

三、氣動高溫密封球閥選型分析高溫高壓差周期性變化工況下密封結構：

用于高溫周期性變化的閥座密封面結構可采用自對中契狀結構。該結構用于零件膨脹造成密封線不圓及閥座的磨損，有自動對中和補償作用。在高溫高壓差且溫度循環(huán)變化的情況下可有良好的密封效果，其密封是依靠柔性閥座密封部位的彈性變形實現(xiàn)的。高溫情況下計算材料的密封比壓，應考慮到其密封材料的強度極限、屈服極限在高溫情況下都有所下降，來選用合理的數(shù)值。

閥體整體采用鍛造結構，保證整體的強度，整個球閥的長度只有普通球閥的1/2；采用增強PPL合成密封材料+O型密封圈組合結構，保證球閥在高壓工況條件下的密封性。采用O型密封圈與密封墊、填料三重密封。采用調整蝶簧加載的閥座密封結構，能確保球閥可靠的密封；采用螺紋接頭連接方式，可方便的在儀表管路、液壓系統(tǒng)中的任意角度安裝。采用集成氣動控制裝置，可以更好的實現(xiàn)就地控制和遠距離集中控制，在控制室里就可以控制閥門的開關，不需要跑到現(xiàn)場或者高空和危險地帶來手動控制，在很大程度上節(jié)約了人力資源以及時間和安全性。

四、氣動高溫密封球閥選型分析高溫情況下，材料硬度的變化：

在高溫情況下，各種材料的硬度都有不同程度的下降，硬度下降增加了材料塑變和擦傷的可能。表面硬化材料鎢鉻硬質合金、鉻硼合金及部分不銹鋼熱硬度比較。

有益效果：本發(fā)明閥體等整體采用鍛造結構，保證整體的強度，整個球閥的長度只有普通球閥的1/2，節(jié)省大量成本，安裝簡便，能以任意方向安裝于管道中的任意部位。保證密封。采用增強PPL合成密封材料+O型密封圈組合結構，保證球閥在高壓工況條件下的密封性。保證密封可靠，使用壽命長。流體阻力小，開關迅速、方便，只要閥桿轉動90o，球閥就完成了全開或全關動作，實現(xiàn)快速啟閉。采用O型密封圈與密封墊、填料三重密封。保證在高壓工況條件下的密封可靠。球體閥芯，使密封面的既有球體又大大縮短了閥的長度，球體閥芯空間運動軌跡理想，密封面相互之間無磨擦、無干涉、加之密封材料選擇得當，從而使球閥的密封性、耐腐蝕性、耐高溫性和耐磨性等得到了可靠的保證。采用調整蝶簧加載的閥座密封結構，能確保球閥可靠的密封；采用螺紋連接方式，可方便的在儀表管路、液壓系統(tǒng)中的任意角度安裝。采用集成氣動控制裝置，可以更好的實現(xiàn)就地控制和遠距離集中控制，在控制室里就可以控制閥門的開關，不需要跑到現(xiàn)場或者高空和危險地帶來手動控制，在很大程度上節(jié)約了人力資源以及時間和安全性。

五、氣動高溫密封球閥選型分析材料的塑變：

塑變是指一種金屬表面被其它材料擦傷，粘結在一起或表面滾成球形。它和溫度、材料、表面光潔度、硬度、載荷有關，會受流體的影響，高溫會使金屬軟化，增加其塑變趨勢。塑變會引起：卡住閥門；損壞密封面；增加摩擦力，引起閥芯定位不準。管線流體中如夾有較大較硬的顆粒，會使閥內件磨得粗糙不平，產生塑變。

設有支架在組合填料上通過上端螺釘固定在閥體上蓋上；支架上方為氣動控制裝置。氣動控制裝置輸出旋轉驅動力矩到閥桿。本發(fā)明閥體等整體采用鍛造結構，保證整體的強度，整個球閥的長度只有普通球閥的1/2。采用增強PPL合成密封材料+O型密封圈組合結構，保證球閥在高壓工況條件下的密封性。保證密封可靠，使用壽命長。流體阻力小，開關迅速、方便，只要閥桿轉動90度，球閥就完成了全開或全關動作，實現(xiàn)快速啟閉。采用O型密封圈與密封墊、填料三重密封。保證在高壓工況條件下的密封可靠。