單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1、概述

調(diào)節(jié)閥 (也稱為控制閥 control valve)是過程控制回路的終端控制元件 ,但也是系統(tǒng)過程控制回路中較為薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)閥按調(diào)節(jié)型式可以分為調(diào)節(jié)型、調(diào)節(jié)切斷型和切斷型 3類 ,其中調(diào)節(jié)切斷型和切斷型的調(diào)節(jié)閥 ,泄漏量必須達(dá)到 ASME B16. 104 V I級 (即氣泡級 )的要求。調(diào)節(jié)切斷型調(diào)節(jié)閥通常采用軟密封結(jié)構(gòu)才能做到 V I級泄漏量的要求。 本文針對直行程調(diào)節(jié)閥中用量最多 ,多數(shù)廠家都在生產(chǎn)的單座調(diào)節(jié)閥的軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn) 行分析探討。

2、結(jié)構(gòu)分析

2.1、傳統(tǒng)的單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

20世紀(jì) 80年代開始 ,隨著我國改革開放政策 的貫徹和落實(shí) ,一些調(diào)節(jié)閥制造廠引進(jìn)了國外著名 調(diào)節(jié)閥廠商的技術(shù)和產(chǎn)品 ,使我國調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品的品 種和質(zhì)量得到明顯提高。其中具有代表性的是日本 山武公司的 Cv3000系列調(diào)節(jié)閥 ,如 Cv3000系列中 的HTS單座調(diào)節(jié)切斷型調(diào)節(jié)閥 (即軟密封 )的典型 結(jié)構(gòu) (圖 1)。閥門的軟密封環(huán)通過閥瓣頭和螺釘鑲 嵌到閥瓣柄中 ,閥座通過螺紋連接擰緊在閥體上。 啟閉時(shí)的密封性。此外又因?yàn)榍度霃椥圆牧系拈y瓣 當(dāng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí) ,閥座的凸起表面嵌入到軟密封環(huán)中 (軟密封環(huán)通常由聚四氟乙烯等彈性 材料制成 ) ,該處的彈性材料變形包圍住閥座凸起 表面 ,由此確保可靠的密封效果 ,同時(shí)閥桿也不至于 受到過大的推力。由此可見,閥門在關(guān)閉時(shí)僅僅用 適當(dāng)?shù)牧涂梢源_保密封,而彈性材料本身也能夠 持久地支承住這個(gè)關(guān)閉力。這一點(diǎn)對于開啟長期處 于關(guān)閉的閥門特別有意義。由于彈性材料表面不是 發(fā)生永久性變形 ,所以能保證閥座和閥瓣多次重復(fù)

能夠修正密封副在同心度方面的較小偏差 ,所以對于閥瓣和閥座的制造位置精度要求可以較低。

但是 ,這種形式的軟密封結(jié)構(gòu)也有一些弊端。首先是難于限定關(guān)閉力的大小 ,即使當(dāng)閥瓣軟密封環(huán)接觸到閥座時(shí) ,關(guān)閉動(dòng)作也不能及時(shí)停止 ,因而使彈性材料容易出現(xiàn)永久性變形 ,尤其是當(dāng)閥門長期處于關(guān)閉時(shí) ,閥瓣軟密封環(huán)長期受到過載壓力而使其出現(xiàn)永久變形 ,開啟后再關(guān)閉時(shí)就容易失效。其次 ,在閥門開啟過程中 ,由于閥瓣的節(jié)流作用 ,使得閥門在剛一打開的短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)介質(zhì)的高速流動(dòng) , 此時(shí)軟密封環(huán)要承受很大的壓力降 ,這將對軟密封環(huán)表面產(chǎn)生沖蝕 ,造成其表面的迅速破壞。因此 ,該軟密封結(jié)構(gòu)通常被限制在壓力降小于 3MPa的場合下使用。 另外該結(jié)構(gòu)在裝配、拆卸和維修方面也有極大的缺陷。首先軟密封環(huán)是通過閥瓣頭和螺釘擰緊嵌。
入到閥瓣柄中 ,為了保證螺釘不松脫 ,在裝配時(shí)通常要在螺釘上涂上合適的固化膠或者采用沖鉚、點(diǎn)焊的方法固定螺釘 ,這就給再次拆卸更換軟密封環(huán)時(shí)帶來極大的不便。其次是閥座采用螺紋連接 ,需要專用工裝才能夠裝配和拆卸 ,對于現(xiàn)場維修極為不便。

2.2、改進(jìn)型軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展 ,用戶希望獲得更高質(zhì)量的閥門 ,同時(shí)也要求提高閥門的使用、維修水平。這就對工程技術(shù)人員提出了新的要求 ,除了要精心設(shè)計(jì)出高質(zhì)量和高水平的閥門 ,合理選用和正確操作之外 ,還要方便維修人員的維修和拆卸 ,方便快捷 , 使各類事故及維修時(shí)間降到最低限度。于是 ,對于單座調(diào)節(jié)閥來說 ,就出現(xiàn)了圖 2所示的改進(jìn)型軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 ,用金屬擋環(huán)和軟密封環(huán)代替了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中用螺釘固定嵌入式軟密封環(huán)的設(shè)計(jì) ,用壓套和閥座密封墊直壓式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)代替了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中閥座采用螺紋連接的設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)閥瓣和閥座達(dá)到最后關(guān)閉位置時(shí) ,閥瓣給閥座的部分力由金屬擋環(huán)承擔(dān) ,并直接傳到閥座,這樣就排除了軟密封環(huán)因過載而損壞 ,而且金屬擋環(huán)還提供了一定的輔助密封作用。直壓式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也改變了需要專用工裝才能拆卸的螺紋連接閥座設(shè)計(jì) ,裝配與拆卸、現(xiàn)場維修與更換都十分方便。
改進(jìn)型軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也存在一定的缺點(diǎn)。首先,軟密封環(huán)一旦失效 ,金屬擋環(huán)也只能起到暫時(shí)的密封 ,必須要盡快更換。另外 ,如果介質(zhì)中帶有固體顆粒時(shí) ,極容易卡在閥瓣和閥座中間 ,妨礙了閥座的密封 ,會引起泄漏 ,繼而由于介質(zhì)的高速?zèng)_刷而使閥座表面被沖蝕破壞。

2.3、新型軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了彌補(bǔ)上述結(jié)構(gòu)的不足 ,出現(xiàn)了如圖 3所示的新型單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
新型結(jié)構(gòu)中 ,密封副采用金屬密封和聚四氟乙烯彈性密封雙密封設(shè)計(jì)。金屬密封閥座可起支撐作用,防止軟密封環(huán)因壓力過大而被壓碎。軟密封環(huán)由彈性 O形圈支撐并受到金屬壓圈的保護(hù) ,附加的金屬壓圈免除了軟密封元件過載的危險(xiǎn) ,這樣就是經(jīng)過 50萬次的開關(guān)后還能做到氣泡級 (V I級 )密封,點(diǎn)滴不漏。

圖 4為閥門全關(guān)狀態(tài) ,金屬密封與彈性密封同時(shí)作用 ,密封嚴(yán)密、可靠。
圖 5為閥門全開狀態(tài) ,彈性軟密封環(huán)恢復(fù)彈性。

在閥門剛剛打開的瞬間 ,在密封件外緣處由于介質(zhì)產(chǎn)生較急的湍流 ,會造成密封件的振動(dòng) ,使密封材料出現(xiàn)疲勞破壞。新型結(jié)構(gòu)中由于金屬閥座環(huán)凸緣的保護(hù) ,軟密封環(huán)不會受流體的沖刷 ,不易損壞。
對于夾帶固體顆粒的流體介質(zhì) ,軟閥座閥門的密封結(jié)構(gòu)更為重要。這主要是因?yàn)榻橘|(zhì)中夾帶有固體顆粒時(shí) ,極容易卡在閥瓣和閥座的密封面之間 ,妨礙了閥座的密封 ,會引起泄漏 ,繼而由于介質(zhì)的高速?zèng)_刷而使閥座表面被沖蝕破壞。對于上述具有二級關(guān)閉作用的軟閥座密封結(jié)構(gòu) (圖 6) ,即使出現(xiàn)了這種顆粒卡在閥瓣和閥座金屬密封部位之間 ,也不會有什么危害 ,因?yàn)檫€有閥瓣和軟閥座之間的密封 ,仍能起到可靠有效的補(bǔ)充密封作用。

3、結(jié)語

隨著閥門產(chǎn)品苛刻的使用條件不斷增強(qiáng) ,對閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也不斷提高 ,同時(shí)也促進(jìn)了工程材料的發(fā)展。由于對閥門各種特殊需求 ,要求生產(chǎn)廠家不斷地研制出新型的密封部件 ,以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。新型單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以成功地應(yīng)用在口徑為 25㎜以上的閥門 ,壓力降可以達(dá)到 30MPa,具有防火安全 ,密封可靠 ,裝配、拆卸和維修方便等特點(diǎn) ,值得廣泛推廣和應(yīng)用。