耐高溫硬密封球閥結構設計

1、耐高溫硬密封球閥結構設計概述
　　之前介紹SY42AX煤礦水管路減壓閥應用案例，現(xiàn)在介紹隨著我國經濟的快速發(fā)展，大型石化工程項目的增多，越來越多的耐高溫硬密封球閥作為一種控制及截斷管路系統(tǒng)的啟閉件普遍應用于石油、化工、鋼鐵、冶金及水電領域中。相對于軟密封(密封材料為聚四氟乙烯、橡膠等塑料)球閥而言，硬密封球閥的密封材料及設計結構都能更好的適用于耐高溫的領域中。本文將就耐高溫硬密封球閥的結構設計以及各零部件的材料選用進行簡要概述。確定閥門材料的工作溫度和極限溫度時需要考慮的性能是：抗拉強度、沖擊強度和高溫時效。其他因素是：抗氧化性、熱處理溫度和抗磨損性。設計原則包括：當材料的熱膨脹率不同時，運動零件和配合件(松配合)的間隙，以及與溫度、負荷、接觸程度(如關閉或振動引起的重要沖擊)都和材料擦傷有關。還要考慮到熱循環(huán)對閥門密封、閥座墊片密封及導向套的松動的影響。

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,硬密封球閥是指球閥密封副（即閥座密封面與球體密封面）材料配對為金屬對金屬的球閥。硬密封球閥，手動鑄鋼硬密封球閥體表面采用的噴涂技術，通過對各種不同工況條件的處理，硬度可達HRC78。閥座密封面的處理，硬度可達HRC72。球體和閥座進行配對研磨，球閥整個密封面的所有密封區(qū)域均經過精密研磨。適合于高溫高壓的水、蒸汽、石油、煤炭、纖維、稠性和腐蝕性介質，以及帶顆粒的介質。金屬密封球閥有浮動球和固定球兩種結構金屬閥座環(huán)與球面接觸，通過作用在閥座環(huán)上均勻的彈簧負荷使閥座環(huán)與球面形成密封。由于彈簧負荷的作用使輔助密封膨脹，實現(xiàn)閥體與閥座之間的密封.彈簧的載荷足以提供閥座與球體間可靠密封,在低壓條件下，可以在閥座密封面與球體之間設計有密封脂注入系統(tǒng)。

【球閥的優(yōu)點】
1．球閥流體阻力小，球閥阻力系數(shù)與同長度的管段相等。
2．球閥結構簡單、體積小、重量輕。高平臺球閥按其通道位置可分為直通式，三通式和直角式。
3．緊密可靠，目前球閥的密封面材料廣泛使用塑料、密封性好，在真空系統(tǒng)中也已廣泛使用。
4．操作方便，開閉迅速，球閥從全開到全關只要旋轉90°，便于遠距離的控制。
5．維修方便，球閥結構簡單，密封圈一般都是活動的，拆卸更換都比較方便。
6．在全開或全閉時，球閥的球體和閥座的密封面與介質隔離，介質通過時，不會引起閥門密封面的侵蝕。
7．球閥適用范圍廣，通徑從小到幾毫米，大到幾米，從高真空至高壓力都可應用。球旋轉90度時，在進、出口處應全部呈現(xiàn)球面，從而截斷流動。
2、閥門殼體材料的選用
　　(1)高溫鋼鑄件：高溫工況下閥門主體材料材料一般選用奧氏體不銹鋼和高溫鉻鉬鋼。較為常用的為幾個牌號為ASTMA217中的WC9和C5。WC9廣泛應用于熱力和電力系統(tǒng)等介質為水和蒸氣的高溫高壓狀態(tài)中。C5適用于含硫石油介質中，同時還具有抗氫腐蝕能力，因此廣泛應用于石油煉制及乙烯生產含硫介質的高溫中。ASTMA351中的CF8和CF3常用于強腐蝕介質的閥門中。上述材料規(guī)定的一般工作溫度為WC9≤593℃，C5≤593℃，CF3≤427℃，CF8≤537℃。奧氏體不銹鋼和高溫鉻鉬鋼相比較而言，奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能強于高溫鉻鉬鋼，但高溫鉻鉬鋼的耐高溫性能高于奧氏體不銹鋼，并且兩者的價格也有一定的差距，在選用閥門主體材料時，認為應根據(jù)閥門實際的使用工況條件來決定。

　　(2)高溫鋼鍛件：上應用于閥門主體材料高溫鉻鉬鋼鍛件標準有代表性的應為ASTMA182/A182M中的低合金鋼種。其中的F11.2級和F11.3級、F22.1級和F22.3級、F5和F分別為常用鑄件WC6、WC9和C5的變形合金。

3、耐高溫硬密封球閥結構設計密封材料的選用及結構
　　3.1、閥座材料
　　設計高溫球閥的關鍵有兩點：1、正確選用合適于高溫下使用的密封材料;2、如何補償閥門在使用過程中因為使用溫度對閥門各零部件的溫差變形的影響。
　　球閥的使用溫度通常取決于閥座材料的耐高溫性能。按閥座材料的不同，高溫球閥可分為金屬對金屬(硬密封)及金屬對非金屬(軟密封)兩類密封結構。它們的共同點是球體和閥體都是用耐高溫的金屬材料制造，所不同者，前者閥座為金屬或耐熱合金(如鈷鉻鎢硬質合金等)制造，后者閥座材料采用非金屬材料如對位聚苯(PPL)、柔性石墨和碳素纖維等制造。閥座材料采用非金屬材料采用PTFE或NYLON材料制造，其使用溫度為≤200℃，采用PPL使用溫度可達到300℃。金屬對金屬密封結構(硬密封)球閥的優(yōu)點是：適用溫度范圍更廣，耐高溫可達600℃甚至更高。各種金屬材料的熱膨脹系數(shù)相差不大，只要選用得當，可以達到基本一致，有利于協(xié)調溫差變形。缺點是金屬材料硬度高，達到密封所必須的比壓亦高，在通徑較小和壓力較低場合，難以靠流體壓力達到密封，即使是采用預緊力達到密封，但因密封比壓大，閥座和球體之間的磨損必然很大，而且金屬與金屬的摩擦系數(shù)比較大，球閥的啟、閉轉矩亦大。
　　3.2、閥座的結構
　　彈性密封結構的高溫球閥，由于各種彈性閥座和彈性球體的密封性能可靠，彈性補償能力強，適用溫度范圍廣，而且對浮動球和固定球球閥都適用，因此，在高溫球閥上得到廣泛應用。

金屬對金屬彈性密封閥座結構
　　由于施加于閥座墊片上的負荷必須超過墊片的屈服極限才能密封，而惡劣的熱循環(huán)又會進一步引起墊片的蠕變和滲漏，因此，在高壓熱循環(huán)狀態(tài)時，是避免采用閥座墊片的型式。閥座密封采用柔性石墨環(huán)，柔性石墨有*的耐壓性、柔韌性、可塑性和自潤滑性;并且能夠很好的適用于各種抗高、低溫的工況條件中。采用石墨的密封結構同樣應用與閥桿密封結構。
　　彈簧作為彈性密封閥座結構的主要零部件，應注意以下兩點：
　　(1)高溫會降低彈簧的回火性能，(或降低硬度)減少彈性模量，引起使用負荷和彈性極限的降低，并使腐蝕增加和彈簧終的失效。因此，彈簧材料應使用耐腐蝕材料或鎳基合金。
　　(2)在介質為煤漿等含顆粒雜質較多的情況下，螺旋彈簧容易因為顆粒雜質較多的原因而導致失效，因此在此情況下應選用平板彈簧。
　　3.3、法蘭密封墊片
　　根據(jù)工藝，金屬纏繞件可使用316不銹鋼或INCONEL合金鋼等半金屬墊片比非金屬墊片承受的溫度壓力范圍較廣。所以墊片材料常選用304/316+填充纏繞式墊片。
　　耐高溫纏繞式墊片在以前所采用的填充料是石棉板。但是由于石棉材料所引起的有爭議的健康問題，現(xiàn)在許多閥門制造商不將它作為的填充料選擇方案。所以石墨纏繞式墊片成為了在高溫工況下使用為廣泛的填充料，使用在不銹鋼、碳鋼和鉻鉬鋼等操作工況非?？量痰拈y門上。

4、耐高溫硬密封球閥結構設計閥門的試驗
　　耐高溫閥門的試驗除了按常溫下通用閥門試驗標準進行各項性能試驗外，還應進行閥門在高溫狀態(tài)下(特定高溫性能試驗裝置)的各項性能試驗和操作性能試驗。
5、結束語
　　高溫球閥相對一般的常溫球閥而言，對閥門的材料選用、結構設計及加工精度的要求都*。完善的質量保證體系和過程控制，才能生產出一臺*符合性能的球閥產品。與本文相關的論文：自力式煤氣調壓閥組?