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    • 技術文章

      金屬密封球閥研究耐磨損

      2014-06-03 08:40:19  來源:歐電閥門

       

      結構特點
          金屬密封耐磨損球閥采用彈性具有自動補償功能的閥座結構,防止閥門在含有顆粒介質的工況中或高

      溫情況下出現卡塞現象,提高了閥門使用壽命。球體和閥座具有良好的剪切和自潔功能,適合對顆粒介質

      和纖維介質的控制。閥桿采用側裝式,能確保填料處可靠密封以及閥桿防吹出。閥門采用雙向密封結構,

      即提高了閥門的密封性能,也保證了介質逆向流動時的密封性能,為防止介質倒流提供了必要的保障。球

      體和閥座密封面噴涂耐高溫高壓、耐腐蝕和耐磨損的硬質合金。

          3 技術處理
          (1)金屬密封球閥的密封比壓較高,在結構設計中考慮密封比壓所需要的彈簧預緊力,采用下游閥

      座固定,上游閥座后設置碟形彈簧補償結構。
          (2)考慮溫度對金屬材料的線性膨脹影響,采用高負載碟形彈簧。既提供了閥門密封比壓所需要的

      初始預緊力,也避免了因溫度原因引起球體與閥座卡阻現象,確保閥門啟閉靈活。由于固體顆粒介質進入

      碟簧行程區會引起碟簧卡阻失效,增設了碟簧保護結構,確保閥門在低壓情況下的密封性能。
          (3)由于輸送的介質中所含的固體顆粒硬度較高,要求球體與閥座表面具有較高的硬度。否則,閥

      門啟閉的過程中會有固體顆粒鑲嵌在球體表面上,影響閥門的整體密封性能。因此球體表面與閥座表面噴

      涂碳化鎢鈷、鎳基合金或碳化鉻等材料。使密封表面硬度達到56~64HRC。不同的噴涂材料,可以獲得不

      同的硬度。
          (4)閥座設計成具有自潔功能的刮刀結構,在閥門啟閉過程中,能對球體表面吸附物進行刮削,防

      止固體顆粒進入閥門密封面,增加了閥門使用壽命。
          (5)球體和閥座采用數控機床加工,專用球面磨床磨削,以及專用研磨機配對研磨。
          4 設計計算
          以浮動式DN50-PN6.3金屬密封球閥為例(圖1,表1),進行密封比壓、總摩擦扭矩、碟形彈簧負載的

      計算。

      圖1 浮動式金屬密封耐磨損球閥
      表1 性能參數

          4.1 密封比壓硬質合金密封面的必需密封比壓qb為
              (1)
          式中  m———與流體性質有關的系數
          a和c———與密封材料有關的系數
          P———流體的工作壓力,MPa
          b———密封面在投影寬度,mm
          計算得出qb=14.15MPa。
          設計密封比壓q為
              (2)
          式中  Q———密封力(密封面處介質力Qmj與碟形彈簧初始預緊力F的合力),N
          D2———閥座外徑,mm
          D1———閥座內徑,mm
          計算得出q=53.29MPa。   
          查表得材料許用比壓[q]=80MPa。因為qb<q<[q],金屬密封球閥密封比壓初步設計參數滿足要

      求。
          4.2 總摩擦扭矩
          浮動球金屬密封球閥扭矩M為
          M=Mm+Mt+Mμ       (3)
          式中   Mm———球體與閥座密封面間的摩擦扭矩,N·mm
          Mm=Mm1+Mm2
          Mm1———球體與左閥座密封面間的摩擦轉矩,N·mm
         
          Mm2———球體與右閥座密封面間的摩擦轉矩,N·mm   
          QMZ———球體與右閥座密封面間的摩擦轉矩,N·mm
          F———實際彈簧加載預緊力,N
          fM———球面與密封面的摩擦系數
          R———球體半徑,mm
          φ———球體與密封圈接觸點與通道軸法向夾角,(°)
          Mt———閥桿與填料間的摩擦扭矩,N·mm
          Mt=1.2πμtdFhTP
          μt———摩擦系數
          dF———閥桿直徑,mm
          hF———填料總深度,mm
          Mμ———閥桿臺肩與止推墊間的摩擦扭矩,N·mm
         
          DT———閥桿凸肩直徑,mm
          將數值代入,可算得M。
          4.3 碟形彈簧
          根據設計要求,選擇無支承面碟形彈簧(圖2)。為保證*小必需比壓qminMPa,預緊作用力Q1和碟形

      彈簧負荷F為
         
         

      圖2 碟形彈簧
          因為選擇了無支承面碟簧,因此K4=1,總高H0=3.2mm,可壓總高h0=2.2mm,外徑D=72mm,內徑

      d=57.8mm,厚度t=1mm,減薄厚度t'=1mm,變形量f=1mm,彈性模量E=214000N/mm2,泊松比μ=0.3,可求

      得F=1629N。則F>Q1,碟簧的結構設計可以保證球閥的初始密封。
          4.4  參數分析
          (1)根據計算數據可得qb<q<[q],實現了球閥的金屬密封副密封。
          (2)根據ASMEB16.34選取安全的閥門壁厚,并對中法蘭和螺栓螺母強度驗算。
          (3)根據計算獲得的總摩擦扭矩對閥桿強度校核,并根據總摩擦扭矩選擇合理的執行機構。
          (4)參照外型結構尺寸標準,完成整套圖紙設計。
          5 結語
          閥門通過強度性能試驗、密封性能試驗、抗磨損性能試驗以及實際工況使用證明,金屬密封耐磨損球

      閥適用于含有大量固體顆粒的高溫高壓介質工況,如聚丙烯項目中反應釜下料管道中含有大量聚丙烯顆粒

      工況,有機硅項目中含有高硬度硅粉顆粒工況等。


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      鄭銀鋒
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