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單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計分析
發(fā)布于：2019/10/15 17:13:53 點擊量：135
1 介紹
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. 104VI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VI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
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，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）。調(diào)節(jié)閥的軟密封環(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。
1 閥體 2 閥座 3 閥瓣頭 4 軟密封環(huán) 5 螺釘 6 閥瓣柄
圖1 傳統(tǒng)單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)
當(dāng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時，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?？煽康拿芊庑Ч?，同時閥桿也不至于受到過大的推力。由此可見，閥門在關(guān)閉時僅僅用適當(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關(guān)閉力。這一點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)啟閉時的密封性。此外又因為嵌入彈性材料的閥瓣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，關(guān)閉動作也不能及時停止，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，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間內(nèi)出現(xiàn)介質(zhì)的高速流動，此時軟密封環(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，在裝配時通常要在螺釘上涂上合適的固化膠或者采用沖鉚、點焊的方法固定螺釘，這就給再次拆卸更換軟密封環(huán)時帶來極大的不便。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
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。在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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，用壓套和閥座密封墊直壓式結(jié)構(gòu)設(shè)計代替了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中閥座采用螺紋連接的設(shè)計。這樣的設(shè)計優(yōu)點是當(dāng)閥瓣和閥座達(dá)到最后關(guān)閉位置時，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)計也改變了需要專用工裝才能拆卸的螺紋連接閥座設(shè)計，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)計也存在一定的缺點。首先，軟密封環(huán)一旦失效，金屬擋環(huán)也只能起到暫時的密封，必須要盡快更換。另外，如果介質(zhì)中帶有固體顆粒時，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)的高速沖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
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。
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。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(shè)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，這樣就是經(jīng)過50萬次的開關(guān)后還能做到氣泡級（VI級）密封，點滴不漏。
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，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。這主要是因為介質(zhì)中夾帶有固體顆粒時，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)的高速沖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?？ㄔ陂y瓣和閥座金屬密封部位之間，也不會有什么危害，因為還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)計的要求也不斷提高，同時也促進(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，值得廣泛推廣和應(yīng)用。
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