含颗粒的高温金属密封球阀的设计与选型.pdf

作者简介:王永兵()男四川邻水人阀门工程师主要研究方向为苛刻工况阀门的设计、研究及制造文章编号:()含颗粒的高温金属密封球阀的设计与选型王永兵吕 东吴程杰周晓朋曹德胜(.康赛特自动化集团有限公司浙江 温州.保一集团有限公司浙江 温州.方正阀门集团股份有限公司浙江 温州)摘要 介绍了煤化工、多晶硅、单晶硅用高温金属密封球阀的设计与选型概述了不同部件的材料选择分别介绍了浮动球阀和固定球阀的结构特点详细阐述了设计计算的过程以及高温金属密封球阀的其他考虑因素关键词 金属密封球阀设计抗擦伤耐磨损扭矩阀杆强度中图分类号:文献标志码:(.):.:概述随着我国煤化工、光伏行业的不断发展煤化工行业的煤制气、煤制油等炼化工艺光伏行业中的多晶硅和单晶硅的制造都对高温金属密封球阀提出了严苛的要求这些介质里含有大量高硬度的颗粒并且部分阀门使用温度高达 对金属密封球阀的抗擦伤性、耐磨性、抗冲蚀性、防卡涩和高使用寿命都提出了更高的要求 零件材料的选择 主体材料的选择及热处理当温度在 范围内常规介质可选碳素钢、正火处理腐蚀性介质选奥氏体不锈钢、等固溶处理当温度在 范围内选耐热钢、等正火 回火处理腐蚀性介质选奥氏体不锈钢、等温度 以下固溶处理及以上需固溶处理 稳定化处理防止奥氏体不锈钢在高温下敏化当温度在 范围内选耐热钢、等正火 回火处理腐蚀性介质选奥氏体不锈钢、等温度 以下固溶处理及以上需固溶处理 稳定化处理 球体和阀座及密封面材料的选择球体和阀座基材:压力 及以下选用锻造奥氏体不锈钢、等压力 及以上选用、等球体表面和阀座密封面:()热喷涂、硬度可达 阀 门 年第 期、属于融熔的粉末热喷涂于基体与基体是冶金结合结合强度高结合强度可达 ()超音速喷涂(碳化钨)硬度 左右结合强度达到 ()超音速喷涂(碳化铬)硬度 左右耐高温性能好结合强度达到 最高可使用至()超音速喷涂(或者热喷涂)硬质合金球体选 硬度阀座选 硬度球体与阀座有 的硬度差()(氮化铬)以热喷涂 作用硬化基材再电弧离子镀()球体表面硬度是 硬度的两倍球体和阀座进行以上任一种硬化处理由于其高硬度、高耐磨蚀性大大提高了金属密封球阀的抗擦伤性、耐磨性、抗冲蚀性 阀杆材料的选择由于金属密封球阀的扭矩较大是软密封球阀的 倍所以阀杆选择高强度、耐腐蚀的材料可选材料及适用温度如下:()沉淀硬化不锈钢 适用温度 ()双相不锈钢 、适用温度 ()高强度奥氏体不锈钢 适用温度 ()沉淀硬化奥氏体不锈钢 适用温度 ()沉淀硬化镍基合金 等适用温度 阀座密封圈和填料的选择()柔性石墨:密度 /灰含量应氯含量应 硫含量应 氟含量应 总的卤化物(氯、溴、氟)石墨 柔性石墨密封稳定摩擦系数低但是在 以上的高温下易氧化造成泄漏()蛭石:蛭石是一种天然、无机、无毒的矿物质属于硅酸盐 生蛭石片经过高温焙烧后其体积能迅速膨胀数倍至数十倍体积膨胀后的蛭石就叫膨胀蛭石为层状结构层间含有结晶水容重在 /热导率小是良好的高温密封材料最高使用温度可达 解决了石墨在高温时氧化而造成的阀座密封圈泄漏问题 密封垫片材料的选择金属 柔性石墨可用于 及以下压力柔性石墨齿形垫可用于 压力以上 轴承材料的选择()不锈钢 氮化硬度()不锈钢 硬度()不锈钢 硬度 ()不锈钢 硬度 结构特性 金属密封球阀的选择及特点 金属密封浮动球阀通径 及以下规格选用金属密封浮动球阀其密封原理为:进口阀座底部设计有一只碟簧依靠压缩碟簧产生初始密封力再依靠介质力使球阀推向出口阀座产生密封口径越大球阀的扭矩就会越大所以浮动球阀适用于较小的口径 结构特点:球体和阀座密封面喷涂镍基硬质合金、碳化物涂覆氮化物等硬面材料在含有颗粒、高温、高压的工况中增加了密封面的耐磨性能、抗擦伤性能和耐冲蚀性能碟簧加载阀座使阀门密封稳定可靠金属密封的球和阀座使阀门本身具有防火功能可采用低泄漏填料 级或 级填料满足阀门低泄漏密封()的要求阀杆采用高硬度、高强度材料提高了阀杆的耐磨性能、抗擦伤性能使阀门启闭到位运行平稳设有 标准连接盘可安装气动装置、电动装置、气液联动装置等远程控制机构用于自动化控制系统(图)金属密封固定球阀通径 及以上规格选用金属密封固定球阀其密封原理为:上盖和下轴分别设置在球体轴孔内球体绕上盖和下轴中心旋转而且球体不会随介质力发生位移 阀座压圈底部设有一组圆柱弹簧压缩弹簧使阀座压圈压紧密封圈并使阀座紧贴球体产生了初始密封再依靠介质力把阀座推向球体产生密封 固定式结构相比浮动式结构扭矩较低所以适用于大口径的金属密封球阀 结构特点:球体和阀座密封面喷涂镍基硬质合金、碳化钨、碳化铬、涂覆氮化铬等硬面材料在含有颗粒、高温、高压的工况中增加了密封面的耐磨性能、抗擦伤性能和耐冲蚀性能弹簧加载阀座而且弹簧设有防颗粒进入装置避免颗粒堵塞弹簧孔使阀门运行稳定可靠球体与阀座采用 无死角研磨法表面达到 年第 期阀 门 的镜面降低阀门的扭矩提高球体与阀座的使用寿命可采用低泄漏填料 级或 级填料满足阀门 标准的低泄漏密封()的要求阀杆采用高硬度、高强度材料提高了阀杆的耐磨性能、抗擦伤性能使阀门长期使用后仍能启闭到位运行平稳三硬化轴套结构阀门启闭扭矩低设有 标准连接盘可安装气动装置、电动装置、气液联动装置等远程控制机构用于自动化控制系统(图)阀盖 防颗粒圈 垫片 碟簧 石墨压圈 密封圈 缠绕垫 阀座 阀体 球体 阀杆 阀杆垫片 填料 填料压套 内六角螺钉 填料压板图 金属密封浮动球阀 上盖结构及以下温度选择普通型上盖柔性石墨的填料可在此温度正常工作不易产生氧化失重以上温度选择加长型上盖并设计成散热片结构使填料在保持较低温度下不会产生外漏 上盖的加长长度可参照表 阀盖 缠绕垫 阀体 缠绕垫 垫片 下轴 内六角螺钉 轴套 防颗粒圈 密封圈 压圈 弹簧 垫片 防颗粒圈 阀座 球体 阀体 垫片 轴套 上盖 轴套 垫片 填料垫 填料 内六角螺钉 填料压套 填料压板 圆柱销 螺柱 螺母图 金属密封固定球阀 设计计算 壳体壁厚的计算方法一:查 表 最小壁厚值再加一定的附加裕量这个裕量考虑的是铸造偏差、机加工偏差、磨蚀余量等因素视通径大小一般取 表 不同规格对应上盖的加长长度通径()上盖加长长度/方法二:查/表 和表 壳体最小壁厚再加一定的附加裕量 球体直径的确定金属密封球阀的球体尺寸没有相关的计算公式可参照以下经验值来选取:()球体直径取流道孔直径的 倍()球体直径取流道孔直径的 倍()球体直径取流道孔直径的 倍()球体直径取流道孔直径的 倍 弹簧预紧比压的计算()()式中 阀座弹簧的数量 弹簧的刚度/弹簧的压缩量 密封面外径阀 门 年第 期 密封面内径由于金属密封球阀的密封面较宽与软密封球阀的预紧比压有所不同所以通径为 的弹簧预紧比压 设计为 通径为 及以上的弹簧预紧比压 设计为 间为宜这样球阀的空载扭矩轻运行时球体不会有爬行现象 中法兰螺栓强度的计算采用 的算法:()式中 磅级如 取 以垫片的有效外边所限定的面积 螺栓抗拉应力的总有效面积 垫片外径 螺栓数量 螺栓有效受力直径 金属密封浮动球阀的转矩计算金属密封浮动球阀的转矩考虑以下四方面的扭矩(图):()式中 介质力产生的球体与阀座密封面间的摩擦转矩 碟簧预紧力产生的球体与阀座密封面间的摩擦转矩 阀杆与填料间的摩擦转矩 阀杆台肩与止推垫片的摩擦转矩()()()式中 阀座密封面外径 阀座密封面内径 压力 球体半径 球体与阀座的摩擦系数研磨后的金属对金属密封面取 水平中心线与密封面中径的夹角()()式中 碟簧的预紧力.()式中 填料的摩擦系数柔性石墨取 填料总高度 阀杆直径()式中 阀杆台肩与金属止推垫片的摩擦系数取 图 金属密封浮动球阀 金属密封固定球阀的转矩计算金属密封固定球阀为阀前密封考虑以下四方面的扭矩(图)其中 与 的计算分别如式()、式()所示 ()式中 球体与阀座密封面间的摩擦转矩 阀杆与填料间的摩擦转矩 阀杆台肩与止推垫片的摩擦转矩 轴承的摩擦转矩(.)()()式中 阀座活塞外径 阀座密封面外径 阀座密封面内径 压力 球体半径 球体与阀座的摩擦系数研磨后的金属对金属密封面取 水平中心线与密封面中径的夹角()式中 金属硬化轴承的摩擦系数取 年第 期阀 门图 金属密封固定球阀 金属密封浮动球阀的阀杆强度计算金属密封浮动球阀的阀杆结构如图 所示其中 处断面的扭转应力 为:()式中 介质力产生的球体与阀座密封面间的摩擦转矩按式()计算 材料的许用扭转应力 处抗扭系数对于正方形断面:.()对于近似矩形断面:.()根据/的比值按表 选取表 的取值/处断面的扭转应力 为:()式中 总摩擦转矩按式()计算 处抗扭系数()处断面的扭转应力 为:()断面为正方形或者近似矩形时的抗扭系数分别按式()、式()计算图 金属密封浮动球阀的阀杆 金属密封固定球阀的阀杆强度计算金属密封固定球阀的阀杆结构如图 所示其中 处断面的扭转应力 为:()式中 介质力产生的球体与阀座密封面间的摩擦转矩按式()计算 抗扭断面系数按公式()或()计算 处断面的扭转应力 为:()式中 总摩擦转矩按式()计算 处抗扭系数按式()计算 处断面的扭转应力 为:()式中 处抗扭系数若 处断面为单键:()()若 处断面为双键:()()高温金属密封球阀的其他考虑因素()高温时各零部件的热膨胀系数由于阀座与阀体的尺寸与形状不同所以阀座与阀体的阀座孔要给出合理的公差配合既能让阀座密封圈密封又能使阀座在高温膨胀时不会卡在阀座孔里设计时可参照 锅炉及压力容器规范 材料 性阀 门 年第 期能篇第 分篇 至 各类材料的热膨胀系数计算出合理的公差配合图 金属密封固定球阀的阀杆()阀座密封圈与阀座孔和阀座的配合要理合应采用过盈配合外过盈量 内过盈量 这样才能使阀座密封圈密封可靠()阀体上下轴孔的同轴度要控制在 以内这样使上盖与下轴在同一轴线上金属密封球阀才能启闭顺畅()设计计算时阀杆需要足够的强度和安全系数在高温下不会发生形变()螺栓要考虑高温蠕变产生的松弛从而造成垫片泄漏的风险 结语为了保证含颗粒的高温金属密封球阀具有高使用寿命质量达到国际先进水平需要根据温度和介质、压力选择合理的材料包括主体材料及内件材料、密封面材料、密封圈材料、轴承材料等特别是密封面材料应具有高硬度、高抗擦伤性、高耐磨性、高抗冲蚀性 应选择合理的阀座结构、上盖结构使球阀在长时间运行后不会卡阻启闭顺畅 设计计算时阀杆需要足够的强度和安全系数在高温下不会发生形变螺栓要考虑高温蠕变产生的松弛可能造成垫片泄漏的风险螺栓紧固件应取相对大的安全系数 应考虑各零部件产生的高温膨胀系数设计时给出合理的公差配合参 考 文 献 陆培文.实用阀门设计手册.版.北京:机械工业出版社.章华友晏荣泽陈元芳等.球阀设计与选用.北京:北京科学技术出版社.宁丹枫董金新.通用阀门材料及常用技术标准汇编.浙江:浙江省阀门标准化技术委员会./承压件用奥氏体铸钢件的标准规范./高温用可熔焊碳钢铸件标准规范.法兰、螺纹和端部焊接的阀门./高温承压用马氏体不锈钢和合金钢标准规范./高温环境用锻造或轧制合金和不锈钢管道法兰锻造管件阀门和部件的标准规范./热轧和冷轧时效硬化不锈钢棒及型材标准规范./高温设备用沉淀硬化铁基高温合金棒锻件和锻件坯料的标准规范.中等或高温环境用沉淀硬化和冷加工镍合金棒锻件和锻件坯料的标准规范./填料材料石墨和碳编织带规范./不锈钢棒材和型材标准规范.锅炉及压力容器规范 材料 性能篇.工业阀门 漏气的测量、试验和鉴定程序.中文版 通用阀门 部分回转阀门驱动装置的连接.(收稿日期:)年第 期阀 门