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简述单座调节阀软密封结构设计分析

1 介绍

调节阀(也称为控制阀control valve)是过程控制回路的终端控制元件,但也是系统过程控制回路中较为薄弱的一个环节。调节阀按调节型式可以分为调节型、调节切断型和切断型3类,其中调节切断型和切断型的调节阀,泄漏量必须达到ASME B16. 104VI级(即气泡级)的要求。调节切断型调节阀通常采用软密封结构才能做到VI级泄漏量的要求。本文针对直行程调节阀中用量最多,多数厂家都在生产的单座调节阀的软密封结构设计的技术细节进行分析探讨。

2 结构分析

2.1 传统的单座调节阀软密封结构设计

20世纪80年代开始,随着我国改革开放政策的贯彻和落实,一些调节阀制造厂引进了国外著名调节阀厂商的技术和产品,使我国调节阀产品的品种和质量得到明显提高。其中具有代表性的是日本山武公司的Cv3000系列调节阀,如Cv3000系列中的HTS单座调节切断型调节阀(即软密封)的典型结构(图1)。调节阀的软密封环通过阀瓣头和螺钉镶嵌到阀瓣柄中,阀座通过螺纹连接拧紧在阀体上。

1 阀体 2 阀座 3 阀瓣头 4 软密封环 5 螺钉 6 阀瓣柄

图1 传统单座调节阀软密封结构

当阀门处于关闭状态时,阀座的凸起表面嵌入到软密封环中(软密封环通常由聚四氟乙烯等弹性材料制成),该处的弹性材料变形包围住阀座凸起表面,由此确保可靠的密封效果,同时阀杆也不至于受到过大的推力。由此可见,阀门在关闭时仅仅用适当的力就可以确保密封,而弹性材料本身也能够持久地支承住这个关闭力。这一点对于开启长期处于关闭的阀门特别有意义。由于弹性材料表面不是发生永久性变形,所以能保证阀座和阀瓣多次重复启闭时的密封性。此外又因为嵌入弹性材料的阀瓣能够修正密封副在同心度方面的较小偏差,所以对于阀瓣和阀座的制造位置精度要求可以较低。

但是,这种形式的软密封结构也有一些弊端。首先是难于限定关闭力的大小,即使当阀瓣软密封环接触到阀座时,关闭动作也不能及时停止,因而使弹性材料容易出现永久性变形,尤其是当阀门长期处于关闭时,阀瓣软密封环长期受到过载压力而使其出现永久变形,开启后再关闭时就容易失效。其次,在阀门开启过程中,由于阀瓣的节流作用,使得阀门在刚一打开的短时间内出现介质的高速流动,此时软密封环要承受很大的压力降,这将对软密封环表面产生冲蚀,造成其表面的迅速破坏。因此,该软密封结构通常被限制在压力降小于3MPa的场合下使用。

另外该结构在装配、拆卸和维修方面也有极大的缺陷。首先软密封环是通过阀瓣头和螺钉拧紧嵌入到阀瓣柄中,为了保证螺钉不松脱,在装配时通常要在螺钉上涂上合适的固化胶或者采用冲铆、点焊的方法固定螺钉,这就给再次拆卸更换软密封环时带来极大的不便。其次是阀座采用螺纹连接,需要专用工装才能够装配和拆卸,对于现场维修极为不便。

2.2 改进型软密封结构设计

随着工业技术的发展,用户希望获得更高质量的阀门,同时也要求提高阀门的使用、维修水平。这就对工程技术人员提出了新的要求,除了要精心设计出高质量和高水平的阀门,合理选用和正确操作之外,还要方便维修人员的维修和拆卸,方便快捷,使各类事故及维修时间降到最低限度。于是,对于单座调节阀来说,就出现了图2所示的改进型软密封结构设计。在这种结构设计中,用金属挡环和软密封环代替了传统结构中用螺钉固定嵌入式软密封环的设计,用压套和阀座密封垫直压式结构设计代替了传统结构中阀座采用螺纹连接的设计。这样的设计优点是当阀瓣和阀座达到最后关闭位置时,阀瓣给阀座的部分力由金属挡环承担,并直接传到阀座,这样就排除了软密封环因过载而损坏,而且金属挡环还提供了一定的辅助密封作用。直压式结构设计也改变了需要专用工装才能拆卸的螺纹连接阀座设计,装配与拆卸、现场维修与更换都十分方便。

改进型软密封结构设计也存在一定的缺点。首先,软密封环一旦失效,金属挡环也只能起到暂时的密封,必须要尽快更换。另外,如果介质中带有固体颗粒时,极容易卡在阀瓣和阀座中间,妨碍了阀座的密封,会引起泄漏,继而由于介质的高速冲刷而使阀座表面被冲蚀破坏。

2.3 新型软密封结构设计

为了弥补上述结构的不足,出现了如图3所示的新型单座调节阀软密封结构设计。

新型结构中,密封副采用金属密封和聚四氟乙烯弹性密封双密封设计。金属密封阀座可起支撑作用,防止软密封环因压力过大而被压碎。软密封环由弹性O形圈支撑并受到金属压圈的保护,附加的金属压圈免除了软密封元件过载的危险,这样就是经过50万次的开关后还能做到气泡级(VI级)密封,点滴不漏。

图4为阀门全关状态,金属密封与弹性密封同时作用,密封严密、可靠。

图5为阀门全开状态,弹性软密封环恢复弹性。

在阀门刚刚打开的瞬间,在密封件外缘处由于介质产生较急的湍流,会造成密封件的振动,使密封材料出现疲劳破坏。新型结构中由于金属阀座环凸缘的保护,软密封环不会受流体的冲刷,不易损坏。

对于夹带固体颗粒的流体介质,软阀座阀门的密封结构更为重要。这主要是因为介质中夹带有固体颗粒时,极容易卡在阀瓣和阀座的密封面之间,妨碍了阀座的密封,会引起泄漏,继而由于介质的高速冲刷而使阀座表面被冲蚀破坏。对于上述具有二级关闭作用的软阀座密封结构(图6),即使出现了这种颗粒卡在阀瓣和阀座金属密封部位之间,也不会有什么危害,因为还有阀瓣和软阀座之间的密封,仍能起到可靠有效的补充密封作用。

3 结语

随着阀门产品苛刻的使用条件不断增强,对阀门结构设计的要求也不断提高,同时也促进了工程材料的发展。由于对阀门各种特殊需求,要求生产厂家不断地研制出新型的密封部件,以满足现代工业发展的需要。新型单座调节阀软密封结构设计可以成功地应用在口径为25㎜以上的阀门,压力降可以达到30MPa,具有防火安全,密封可靠,装配、拆卸和维修方便等特点,值得广泛推广和应用。

参考文献

[1] ASMEB16.104,控制阀门阀座泄漏〔S〕.
[2] 肖振海.控制阀软阀座密封件的改进〔J〕.阀门,1992(4).
[3] 吴国熙.调节阀使用与维修〔M〕.北京:化学工业出版社,1999.