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球閥的問世是第二次世界大戰(zhàn)以后的事,雖然它的發(fā)明可以追溯至20世紀初期,但是這一結(jié)構(gòu) 由于當時材料工業(yè)和機械加工業(yè)的限制,未能完成其商品化的步驟。一直到1943年,美國杜邦公司發(fā)明了一種高分子材料聚四氟乙烯(PTFE)塑料,這種材料具有足夠的抗拉和抗壓強度,一定的彈塑性,良好的自潤滑特性,以及優(yōu)良的耐蝕性能,十分適宜作為密封材料,可獲得十分可靠的密封效果。另一方面,由于車球機和磨球機的進步,可以加工高圓度和表面光潔度的球體作為球閥的啟閉件。這樣,一種全通徑,90°角行程回轉(zhuǎn)的閥門新品種進入閥門市場, 引起廣泛的關(guān)注,逐步取代傳統(tǒng)的閥門產(chǎn)品截止閥、 閘閥、旋塞閥和蝶閥,并不斷地擴大其應(yīng)用領(lǐng)域,從 小口徑到大口徑,從低壓到高壓,從常溫到高溫、到低溫。目前,球閥的zui大口徑已發(fā)展至60in,zui高壓力等級為4500磅級,zui低溫度可達液氫溫度 -254°C,zui高溫度可達850?900°C,適用于各種介質(zhì)以及氣-固,液-固兩相流,成為zui有發(fā)展前景的一 種閥門類型。
球閥就結(jié)構(gòu)原理言,可以分為浮動球固定閥座球閥,簡稱浮動球球閥(floating ball valve)和固定球浮動閥座球閥,簡稱固定球球閥(trunnion mounted ball valve)兩大類。
按閥體的結(jié)構(gòu)形式分,可以分為上裝式球閥和側(cè)裝式球閥。側(cè)裝式球閥又可分為整體式、兩段式和三段式,即閥體是整體的,閥體由主、副閥體組成的和閥體由一個主閥體、兩個副閥體組成的三種結(jié)構(gòu)形式。
按閥門密封材料分,可以分為軟密封球閥和硬密封球閥。軟密封球閥的密封材料為:聚四氟乙烯 (PTFE)、增強聚四氟乙烯、尼龍等高分子材料和橡膠;硬密封球閥密封材料為金屬。
按閥門的功能分,可以分為二通開關(guān)閥、三通和四通換向閥,以及調(diào)節(jié)型球閥。
按操作方式分,可以分為手動、蝸輪傳動、氣動、氣液聯(lián)動、電動、電液聯(lián)動、液動等。
按閥門的連接方式,可以分為法蘭端連接、焊接端連接和螺紋端連接。焊接端又可以分為承插焊和對焊焊接連接。
另外,根據(jù)用戶的工況需要直接命名的特種球閥,如管線球閥用于長輸管線;夾套球閥用于管線加 熱、保溫;襯塑球閥用于防腐蝕;鎖猹球閥用于煤氣化爐渣液排放,以及用于電廠高溫高壓蒸汽的疏水球閥等。
按球閥啟閉件球體的形狀與大小,可以分為V 形球閥,半球閥,全通徑和縮徑球閥等。
按照使用的介質(zhì)溫度,可分為高溫球閥,低溫球 閥和深冷球閥。
按照閥體材料,可以分為碳鋼球閥,不銹鋼球閥,鈦合金球閥,蒙乃爾球閥,塑料球閥,銅球閥, 鋁合金球閥等。
不管對球閥進行如何分類,從球閥產(chǎn)品的制造和應(yīng)用角度看,zui重要的是從閥門結(jié)構(gòu)和密封材料來分類,即浮動球球閥和固定球球閥,軟密封球閥和硬密 封球閥是兩個zui重要的分類方法。其次是按服務(wù)工況需要直接命名的特種球閥,下面按照這一分類方法進一步來討論球閥的結(jié)構(gòu)原理以及它們的應(yīng)用。
3.2.1浮動球球閥的密封原理和結(jié)構(gòu)特征
(1)浮動球球閥密封原理
浮動球球閥的啟閉件是一個球體,中間有一個與管道通徑相等的通孔,進口端和出口端各置一個用PTFE制造的密封座,并被包容在一個金屬的閥體 內(nèi),當球體內(nèi)的通孔與管線通道重合時,閥門處于開啟狀態(tài);當球體內(nèi)的通孔與管線通道垂直時,閥門處 于關(guān)閉狀態(tài)。閥門從開啟至關(guān)閉,或者從關(guān)閉至開啟球體回轉(zhuǎn)90°角行程(圖3-1)。
當球閥處于關(guān)閉位置時,進口端的介質(zhì)壓力作用在球體上,產(chǎn)生一個推動球體的力,使球體緊壓出口 端的密封座,在密封座的錐面上產(chǎn)生一個接觸應(yīng)力, 形成一個接觸帶,接觸帶單位面積上的作用力稱為閥門密封的工作比壓g,當這一比壓大于密封所必需的 比壓時,閥門就獲得了有效的密封。這種不是靠外力的密封方式,由介質(zhì)壓力密封的,稱為介質(zhì)自密封。 在設(shè)計中,應(yīng)滿足:
式中qb——密封必需的比壓,與密封材料和球體的加工精度有關(guān),MPa;[g] 密封材料的許用比壓([qCIptfe^SO,[9]尼龍=40),MPa。
應(yīng)該指出,傳統(tǒng)的閥門如截止閥、閘閥、中線蝶閥、旋塞閥是靠外部施加的力,作用在閥座上來獲得可靠的密封,這種借外力施加而獲得的密封,稱之為強制密封。外部施加的強制密封力帶有隨意性和不確定性,不利于閥門的長期使用。球閥的密封原理是作用在密封座上的力,由介質(zhì)的壓力產(chǎn)生的。這一作用力是穩(wěn)定的,是可以控制的,由設(shè)計時確定。
①為了保證球體在關(guān)閉位置時,能產(chǎn)生一個介質(zhì)的作用力,事先在閥門裝配時,球體必須緊貼密封座,而且需要過盈,產(chǎn)生一個預(yù)緊比壓,這個預(yù)緊比壓為0.1倍工作壓力且不小于2MPa。這個預(yù)緊比壓的獲得,*靠設(shè)計的幾何尺寸來保證。如果設(shè)球體 和進口、出口密封座組合后的自由高度為A;左、右 閥體組合后內(nèi)腔容納球體、密封座的寬度為B,則裝配后產(chǎn)生必需的預(yù)緊比壓所需的過盈為C,必滿足: A-B=C0這個C值必須由零件加工的幾何尺寸來保證??梢栽O(shè)想這個過盈C是很難確定和保證的。 過盈值的大小直接決定閥門的密封性能和操作力矩。
②應(yīng)該特別指出,早期國產(chǎn)的浮動球球閥(圖3- 2)由于裝配時過盈值難于控制,常常用墊片調(diào)整,很多制造商甚至在手冊中把這一墊片稱為調(diào)整墊。這樣, 裝配時主、副閥體的連接平面之間存在間隙,這一間隙的存在,由于使用中介質(zhì)壓力波動和溫度的波動,以及外部管線載荷作用,會使螺栓松弛,引起閥門外漏。
③當閥門處于關(guān)閉位置時,進口端的介質(zhì)力作 用在球體上,會使球體的幾何中心產(chǎn)生一個微小的位移,與出口端閥座緊密接觸,增加密封帶上的接觸應(yīng)力,從而獲得可靠的密封;而進口端閥座與球體相接觸的預(yù)緊力將減小,影響進口密封座的密封性能。這 種球閥結(jié)構(gòu),就是在工作狀態(tài)下,球體幾何中心有微小位移的球閥,稱之為浮動球球閥。浮動球球閥是出口端密封座密封,進口端閥座是否有密封功能是不確定的。
④浮動球球閥結(jié)構(gòu)是雙向的(bi-direction),即兩個介質(zhì)流動方向均可密封。
⑤球體相接的密封座是高分子材料制造的,球體轉(zhuǎn)動時,可能產(chǎn)生靜電,如無特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計—— 防靜電設(shè)計,則靜電可能在球體上積聚。
⑥對于由兩個密封座組成的閥門,閥腔可能積聚介質(zhì),某些介質(zhì)可能由于環(huán)境溫度和使用工況變化而異常升壓,引起閥門壓力邊界的破壞,應(yīng)予以注意。
(2)浮動球球閥結(jié)構(gòu)特征
進一步分析球閥的結(jié)構(gòu),并與傳統(tǒng)閥門做一個簡明的比較。
①全通徑,就是與管線的流道直徑相等,具有zui大的流通能力,zui大的流量系數(shù)Cv值,或者說流阻zui小。這在工程上應(yīng)用具有十分重要的意義,特別是從節(jié)能環(huán)保的角度而言,球閥是一個節(jié)能產(chǎn)品。對 于一個2in的閥門,球閥與其他結(jié)構(gòu)形式的閥門,如 閘閥、截止閥、蝶閥、旋塞閥,其流量系數(shù)比較如表 3-1 所 7K。
水,在lpsi (0. 07bar)的壓差下,流經(jīng)閥門每分鐘的加侖(美制)數(shù)。
至于球閥的流量特性,即開度與流量系數(shù)的關(guān)系為等百分比特性(圖3-3)。球閥的開度為50%時, 其流量系數(shù)僅為額定值的10%,開度為80%時,僅為額定值的40%。球閥作為調(diào)節(jié)閥使用具有近似于 等百分比流量特性。
②球閥的啟閉閥桿做回轉(zhuǎn)運動,和蝶閥、旋塞 閥一樣,不同于做直線運動的閘閥和截止閥。回轉(zhuǎn)的角度是90°角行程,與直線運動的閥門比較,啟閉方便,便于實現(xiàn)閥門操作的選用電動裝自動化。如果置,直線行程的閥門選用的是多回轉(zhuǎn)電動裝置,做 90°角行程的閥門選用的是部分回轉(zhuǎn)角行程回轉(zhuǎn)的電動裝置。
球閥的兩大特點是球閥的發(fā)展以及在工業(yè)領(lǐng)域中不斷替代傳統(tǒng)閥門的動力。因此,在球閥問世之后其市場的占有量每年以20%的速度遞增,是發(fā)展zui為迅速的一個閥門品種。但在球閥的發(fā)展中,對于閥門高的密封要求和低的操作力矩要求始終是產(chǎn)品追求的兩個目標,而這兩個目標是一對矛盾,這一矛盾的對立與統(tǒng)一,進一步促進球閥的發(fā)展。其中zui重要的發(fā)展是密封座結(jié)構(gòu)的改進。
球閥填塞式密封結(jié)構(gòu)(圖3-4)是早期球閥密封座的標準設(shè)計,一個形狀簡單的由PTFE制造的圓環(huán)裝在球體和閥體之間,這種密封座結(jié)構(gòu)稱為“填塞式” 密封(jamseal)。可以設(shè)想,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計很難來控制裝配過盈量C,或者說,裝配時預(yù)緊比壓值對過盈 量C的變化十分敏感,制造的球閥不是過盈量太小而容易泄漏,就是過盈量太大而轉(zhuǎn)矩太大,制造不出品質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品。特別是當閥門用在過程工業(yè)中,閥門 要經(jīng)受壓力波動和溫度波動,這時填塞式密封的球閥的缺陷被顯示出來。因為填塞式密封的塑料應(yīng)變發(fā)生在球體與密封座和閥體與密封座之間,這兩個區(qū)域的 接觸應(yīng)力大小,決定閥門的密封性能。在閥門使用中,不希望這一接觸應(yīng)力會產(chǎn)生松弛而引起內(nèi)漏。
因此,希望密封材料像橡膠一樣,受壓時可以發(fā)生較大的變形,來填補金屬表面的微觀不平度,而當應(yīng)力消除后又能回復(fù)其原來的形狀,這種現(xiàn)象被稱為材料的“記憶特性”,一個較好的例子是橡皮筋,可以被拉得很長,應(yīng)力一旦消失,就回復(fù)到其原來的形狀,所以工程上很多場合選用橡膠密封圈作密封材料,但PTFE就不具備這種“記憶特性”,它的彈性范圍很小,塑性范圍很大。而且當應(yīng)力達到一定程 度,就產(chǎn)生“冷流”現(xiàn)象,就是發(fā)生了宏觀的形狀變化。例如PTFE在常溫下,產(chǎn)生“冷流”的極限應(yīng)力為42MPa。溫度上升時,這一值迅速降低,當溫度為150°C時,產(chǎn)生“冷流”的極限應(yīng)力值為4. 7MPa。
另一個缺陷是熱膨脹特性,通常希望密封材料的熱膨脹系數(shù)和金屬材料接近,這樣環(huán)境或者工況溫度
變化時,密封材料的“過盈”量不會發(fā)生明顯的變化,遺憾的是PTFE的熱膨脹系數(shù)是鋼的7. 5倍,這 就使當溫度升高時,密封材料的過盈量增加,閥門的關(guān)閉轉(zhuǎn)矩增加,開關(guān)失靈。當溫度下降時,密封材料收縮,保持密封的過盈量消失,閥門就產(chǎn)生泄漏。
如果把PTFE的“冷流”特性和熱膨脹特性結(jié)合來考慮,問題就變得更加嚴重,就是一旦發(fā)生較大的熱循環(huán)現(xiàn)象,由于PTFE的膨脹比金屬膨脹大得多, 過盈量增加,壓縮應(yīng)力增加,超過冷流極限,密封材料就產(chǎn)生“冷流”,溫度下降后,其他材料回復(fù)到其原來的形狀,而密封材料PTFE例外,產(chǎn)生了“冷 流”,發(fā)生了嚴重的變形,裝配時的密封座PTFE的過盈量消失,閥門就產(chǎn)生了不可恢復(fù)的泄漏。
(2)唇式
基本上述情況,就要設(shè)計一種密封座的形狀,克服PTFE的“冷流”和熱膨脹特性的缺陷來改善其記憶特性。這種密封結(jié)構(gòu)稱之為具有撓性的唇式密封技
術(shù)(lip~seal)0
有許多種的撓性設(shè)計可以來解決這一問題,從而出現(xiàn)各種各樣的密封結(jié)構(gòu)被申請了,這已是20 世紀60?70年代的事。而它的設(shè)計技巧和原理并未被工程師們所認識。圖3-5所示是唇式密封座的一種結(jié)構(gòu),它有一個特別的形狀,有兩個密封接觸點,一 點與球面接觸,另一點與閥座接觸。在介質(zhì)力水平方向作用下,密封座的形狀發(fā)生變化,產(chǎn)生一個恢復(fù)原 始形狀的撓曲力。當介質(zhì)力消失后,恢復(fù)原來的形狀,獲得了 “記憶特性”,這種密封座稱為撓性唇式密封座。
對于撓性唇式密封座可以做一個壓力和變形的實 驗(圖3-6),圖中的曲線表示2 in球閥密封座的效率曲線。區(qū)域A的面積表示密封座的zui大變形能,區(qū)域B的面積表示壓力去除后變形的回復(fù)。同時又可以看到,設(shè)計的2in球閥唇式密封座的zui大初始變 尺寸可達到2. 5_。裝配后唇式密封座彈性變形尺寸可達到1. 5mm為了使唇部的變形量不致過大,防止可能發(fā)生的*變形,所以在唇式密封座設(shè)計時考慮有一個支撐點來限制其過度變形的發(fā)生。如圖3-7所示。這一改進使密封座具備下列功能:
①球體保持在閥腔中心,球體浮動是微小的;
②裝配后,唇部發(fā)生變形,能儲存彈性變形能, 實現(xiàn)低壓下的密封;
③密封座上有一支撐點,當壓力升高,溫度升高時,平衡部分作用在密封座上的介質(zhì)力;
④防止材料可能產(chǎn)生的“冷流”。
這種截面形狀的唇式密封座裝配前的形狀如圖 3-7 (a)所示。裝配后的形狀如圖3-7 (b)所示,有四個接觸點,B點是與球體接觸的密封點,A點是與閥體接觸的密封點,C點是與球體接觸的支撐點,D 點是與閥體接觸的支撐點。裝配前后唇緣的形狀變化,儲存了材料的彈性變形能,像彈簧一樣。而且當溫度或壓力升高時,進一步吸收彈性變形能,當溫度或壓力下降時,泄放彈性變形能來獲得記憶特性。
另外,還有一個閥腔內(nèi)壓力夾持的問題,就是 ANSI B16. 34-2009《法蘭、螺紋和焊接端閥門》標準中,第2. 3. 3節(jié)提出的介質(zhì)熱膨脹。“在某些情況 下,一些雙密封座的閥門結(jié)構(gòu)可能會同時對中腔至相鄰管線的壓力差造成隔離,當中腔充滿液體或部分充 滿液體,并受到溫度升高的影響,就會造成中腔壓力的異常升高,從而導(dǎo)致壓力邊界的失效。如果發(fā)生這種情況,購方應(yīng)要求供方提供設(shè)計、安裝或操作程序 以確保閥腔中的壓力不超過本標準規(guī)定的材料壓力- 溫度許可值。”
解決這一問題可以在球體上鉆一個孔,當球閥關(guān)閉時,腔體與進口端管道相通,夾持在腔體中的液體可以向進口端排出,但球閥失去雙向流動的優(yōu)點,在某些工程中不能被接受。也可以在殼體上裝一只安全泄放閥,將增加麻煩,因此希望密封座具備自泄放功能。當腔體壓力升高時,自動向進口側(cè)或出口側(cè)排放。
為說明這一結(jié)構(gòu)的實施過程,先參考圖3-7 (a) 所示是未裝配前密封座狀態(tài);圖3-7 (b)所示是裝配后密封座發(fā)生了變形,變形后根部C與球體接觸, 原來根部與球體的間隙消失,唇緣被壓縮而彎曲,這一變形使整個環(huán)向中心有一個彎矩,B、C兩點是兩條密封線。A、D兩點是在閥體上與密封環(huán)接觸的兩條密封線,腔體內(nèi)的壓力與進口、出口介質(zhì)壓力相隔 離。如果在密封座外緣開泄放槽,如圖3-7 (c)中虛線所示,腔內(nèi)的介質(zhì)合力方向是增加密封的可靠性。 如果再在根部幵泄壓槽,如圖3-7 (d)中虛線所示, 介質(zhì)合力的方向改變,傾向于將唇邊彎曲,當腔內(nèi)壓力異常升高時,唇邊處將使閥門內(nèi)壓力泄放。這就是 為滿足ANSI B16. 34第2. 3. 3節(jié)壓力泄放的要求而
設(shè)計的唇式撓性密封座,被廣泛用于現(xiàn)代浮動球球閥的產(chǎn)品中。
另外,在介質(zhì)壓力升高和環(huán)境溫度升高時外緣的 槽和根部的槽減輕了密封座對球體夾持力的增加,亦減少了操作力矩。
閥門在使用中有一個閥體材料的壓力-溫度額定值,這一數(shù)值是由標準ANSI B16.34給出。例如, 一個Class 150的碳鋼A105球閥,在常溫一29? 38°C時的zui高工作壓力為19.6bar,但在200°C溫度 時,zui高工作壓力為13. 8bar。表3-4是Class 150, Class 300,Class 600浮動球球閥閥體壓力-溫度額定值的數(shù)據(jù)。
另外,不同密封材料制作的密封座在使用中也有一個額定值,這個值與壓力、溫度、口徑以及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。因此,這一數(shù)值由制造廠提供,對于一個給定的密封材料和密封結(jié)構(gòu),一般都以圖表形式來表示產(chǎn)品的壓力和溫度的使用范圍。
圖3-8所示是上海耐萊斯•詹姆斯伯雷閥門有限公司提供的9000系列球閥密封座的壓力-溫度額定值。T表示傳統(tǒng)PTFE,M表示增強PTFE,B表示 PFA塑料,1/表示聚乙烯,L表示PEEK, i?表示旦林,V表示Polymide,一組虛線表示Class 150, Class 300閥體的壓力-溫度額定值。曲線表示水蒸氣 的飽和蒸汽壓(saturated steam) 0
PTFE的發(fā)明對球閥的發(fā)展起著很大的作用,沒有它恐怕不會有球閥的巨大發(fā)展。但隨著時間的推進,PTFE在具有許多優(yōu)點的同時逐漸顯露出一些缺點,如前面提到的“冷流”和熱膨脹,以及壓力-溫 度使用等級的限制。因此,有必要討論密封材料的發(fā)展以及它們的適用范圍
密封材料就大范圍而言可以分為兩類,一類是高分子材料PTFE及其他聚合物,能保障可靠的密封; 第二類是金屬,一般情況只能保障低泄漏率,金屬密封材料將在金屬密封球閥中討論,這里只介紹高分子材料聚合物的軟密封材料。
某些聚合物密封的球閥,工廠試驗可以達到無可見氣泡泄漏,即“零”泄漏。而且在許多場合,在使用的持續(xù)時間內(nèi)保持這一性能。影響密封性能重要的因素是使用的介質(zhì),如果閥門的使用條件十分嚴峻, 如腐蝕性介質(zhì),高溫、高壓等則密封性能會受很大影響。
密封性能的壽命受下列因素影響:壓力、溫度、壓 力的波動程度,介質(zhì)流速,閥門操作速度與啟閉頻率。 在實際使用中,這些因素是交叉影響。因此,要獲得長期的使用壽命和嚴酷的工況,就要發(fā)展密封材料。
①聚四氟乙烯(PTFE)純的PTFE是球閥zui基本的密封材料,它既具有一定的耐溫范圍,從低溫 至zui高350下(177°C),又具有優(yōu)良的抗化學(xué)穩(wěn)定性
和自潤滑特性,適用范圍較廣。
②填充PTFE填充的或者增強的PTFE塑料, 實際上具有純PTFE的一切特性,而其溫度的適用范圍增大,對4in以下的球閥可擴大至400T (205°C)。 填充的材料一般是玻璃纖維、碳、石墨等。
③金屬增強的PTFE填充的材料銅粉或其他金屬粉末,設(shè)計這種密封材料是專門用于較強的壓力波動的場合,主要用于紙漿廠蒸煮器的放料系統(tǒng)。
④特種尼龍?zhí)胤N尼龍密封座適用于FTFE不 能適應(yīng)的更高壓力的場合,根據(jù)閥門的類型和尺寸大小zui高可以達到4500psi,但它的抗化學(xué)穩(wěn)定性較低, 廣泛用于高壓液體、空氣及其他氣體(不包括氧氣) 的系統(tǒng)中。
⑤旦林是聚甲醛的商品名稱,具有類似金屬的硬度、強度和剛性。較寬的溫度和濕度下有很好的自潤滑性,摩擦因數(shù)低,富有彈性,對大多數(shù)溶劑有較好的耐蝕性,其缺點是對強酸、強氧化劑敏感。適用溫度一40?116°C,抗拉強度為69MPa,剪切強度 65MPa,彎曲強度97MPa,線脹系數(shù)為(9.6? 12.8)X10-5 • °0-!,成形方法為注塑,zui高壓力可達
圖3-12是上裝式閥體浮動球球閥的外形圖。閥 體是整體結(jié)構(gòu),上部開孔具有很好的剛性,與密封座相接的面是兩個有3°傾角的斜面,球體與密封座組成后由上部裝入,為了使密封座與球體組裝后有一個 3°傾角的斜面,球體通道的中心線偏離球體中心,也有一個3°的傾角。球體與閥桿可以在球體與閥蓋之間設(shè)置一彈簧,增加密封座的預(yù)緊力。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以在線維修,缺點是整體重量大,工藝復(fù)雜, 成本高。對于浮動球結(jié)構(gòu)的適用于Classl50, Class300, Class600,通徑 NPS8 以下的規(guī)格。
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