雙重密封截止閥的研制和試驗(yàn) |資料

摘　要　為了解決中溫中壓截止閥內(nèi)漏、外漏問(wèn)題，試驗(yàn)研究開(kāi)發(fā)出雙重密封截止閥，已獲國(guó)家專(zhuān)利。本文闡述了雙重密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；填料密封材料的選用和組合方式以及金屬密封面堆焊材料的選用。

關(guān)鍵詞　雙重密封　截止閥　填料密封　堆焊

1　前言

截止閥作為一種通用閥門(mén)，在蒸汽系統(tǒng)、油料系統(tǒng)、生活用水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等中溫中壓系統(tǒng)得到大量應(yīng)用，但是，現(xiàn)在使用的截止閥由于填料選用、裝填方式不合理等原因，普遍存在著外漏現(xiàn)象，同時(shí)由于密封面堆焊材料選用不盡合理，也存在著內(nèi)漏現(xiàn)象。為了解決中溫中壓截止閥內(nèi)漏、外漏問(wèn)題，筆者經(jīng)過(guò)幾年的試驗(yàn)研究開(kāi)發(fā)出雙重密封截止閥，雙重密封截止閥的密封性能比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)截止閥有顯著提高。雙重密封結(jié)構(gòu)已獲得國(guó)家專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)為ZL98 2 26953.6。

2　雙重密封結(jié)構(gòu)的研究

截止閥密封面材料配對(duì)常用的有兩種：金屬對(duì)金屬密封(簡(jiǎn)稱(chēng)金屬密封)和金屬對(duì)非金屬軟材料密封(簡(jiǎn)稱(chēng)軟密封)。

金屬密封截止閥密封結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，密封原理如圖1(b)所示。從圖1(b)可以看出，密封面的微觀結(jié)構(gòu)中存在著許多各式各樣的凸峰和凹溝，為了使截止閥關(guān)閉時(shí)密封不漏，必須提高密封面的加工精度和粗糙度等級(jí)，并且對(duì)密封面施加很大的關(guān)閉力。由于對(duì)密封面施加了很大的力，密封面上必然存在著很大局部接觸應(yīng)力，對(duì)于采用具有“粘著”傾向的金屬作為閥瓣、閥座密封面材料的截止閥，開(kāi)啟和關(guān)閉的瞬間，不可避免地存在擦傷現(xiàn)象，這是這類(lèi)截止閥壽命較短的主要原因之一。另外，對(duì)于金屬密封截止閥，即使提高加工精度，要做到零泄漏也不是件容易的事。

圖1

軟密封截止閥密封結(jié)構(gòu)如圖2，軟材料密封圈嵌入閥瓣或用壓圈固定在閥瓣上。由于密封截止閥很容易實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密密封，保證泄漏量為零，且在加工中可以降低對(duì)密封面加工精度的要求，因此對(duì)于密封要求嚴(yán)格的液化氣截止閥和其它氣體介質(zhì)截止閥，這種軟密封結(jié)構(gòu)得到 應(yīng)用。但是軟密封截止閥的軟密封面承壓能力差，由于手動(dòng)操作的截止閥關(guān)閉力難以限定，當(dāng)閥瓣密封面同閥體密封面接觸已能保證密封時(shí)，關(guān)閉動(dòng)作仍不能停止，因而容易使軟材料出現(xiàn)永久性變形，尤其是當(dāng)閥門(mén)長(zhǎng)期處于關(guān)閉時(shí)，由于軟密封面長(zhǎng)期受到過(guò)載壓力的作用而使其出現(xiàn)永久變形，一旦開(kāi)啟后再關(guān)閉就容易失效。

圖2

針對(duì)軟密封截止閥密封嚴(yán)密但密封面承壓能力差，金屬密封截止閥密封面承壓能力強(qiáng)，但可能會(huì)出現(xiàn)擦傷，且為使金屬密封截止閥做到零泄漏，必然提高截止閥加工精度等級(jí)的特點(diǎn)，筆者提出截止閥雙重內(nèi)密封概念，即把金屬密封、軟密封各自的優(yōu)點(diǎn)組合在一起，形成一個(gè)以金屬密封為主密封，軟密封為副密封的截止閥 密封結(jié)構(gòu)。在分析研究雙重內(nèi)密封結(jié)構(gòu)的過(guò)程中設(shè)計(jì)了如圖3、4兩種方案，并對(duì)各方案進(jìn)行了研究。

圖3

圖4

(1)方案一(圖3)：圖3(a)為關(guān)閉狀態(tài)，圖3(b)為開(kāi)啟狀態(tài)，軟密封圈為彈性結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯彈簧。關(guān)閉時(shí)，閥瓣向下運(yùn)動(dòng)，首先接觸軟密封圈使之變形，然后接觸到金屬密封面，通過(guò)閥桿向下施加的力主要由金屬密封面承擔(dān)。金屬密封面和軟密封面共同組成了閥體密封面，金屬密封為主密封，軟密封為副密封，當(dāng)金屬密封面有少量泄漏時(shí)，完全可由軟密封面保證密封。此雙重密封結(jié)構(gòu)，閥瓣首先同軟密封圈接觸，由于關(guān)閉瞬間高速流動(dòng)的介質(zhì)可能破壞軟密封圈，因此該方案不甚理想。

(2)方案二(圖4)：圖4(a)為關(guān)閉狀態(tài)，4(b)為開(kāi)啟狀態(tài)。此結(jié)構(gòu)密封件由閥瓣、軟材料密封環(huán)、閥體金屬密封面組成，密封環(huán)通過(guò)壓環(huán)固定在閥體上。雙重密封結(jié)構(gòu)中金屬密封為軸向主密封，軟密封為徑向副密封，當(dāng)金屬密封面出現(xiàn)泄漏時(shí)，泄漏的介質(zhì)可被軟材料密封環(huán)密封，此軟材料密封環(huán)徑向密封結(jié)構(gòu)可徹底避免軸向軟密封圈易被壓壞的缺陷，同時(shí)該結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，同普通截止閥相比，成本不會(huì)增加多少。

根據(jù)對(duì)兩種方案的分析對(duì)比，確定方案二雙重內(nèi)密封結(jié)構(gòu)為所選取結(jié)構(gòu)，根據(jù)這種雙重密封結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)制造了公稱(chēng)壓力為2.5MPa，公稱(chēng)通徑為50mm的雙重密封截止閥樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行靜壓壽命考核，以驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)的合理性。靜壓壽命試驗(yàn)進(jìn)行10000次，樣機(jī)性能完好、無(wú)泄漏。試驗(yàn)結(jié)果表明，此雙重內(nèi)密封結(jié)構(gòu)是合理的，完全可以作為一種新的內(nèi)密封結(jié)構(gòu)在截止閥上得到應(yīng)用。

3　填料密封材料選用及組合方式的研究

目前國(guó)內(nèi)截止閥產(chǎn)品多采用單一的柔性石墨環(huán)填料。柔性石墨環(huán)填料是用柔性石墨板材剪成條纏繞在與閥桿直徑相同的棒上模壓制成的，制作工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。但單一柔性石墨環(huán)填料在應(yīng)用中存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在使用壽命短，操作不到千次就出現(xiàn)泄漏。造成上述問(wèn)題的主要原因是由于柔性石墨環(huán)填料在同閥桿的接觸過(guò)程中石墨顆粒向閥桿轉(zhuǎn)移并沉積在閥桿表面，一方面閥桿表面變得粗糙起來(lái)，另一方面閥桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中把部分沉積在其表面的石墨帶出填料函，造成填料的體積損失，使填料處出現(xiàn)泄漏。不論是試驗(yàn)室試驗(yàn)還是現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果都證明了這一點(diǎn)。

為解決柔性石墨環(huán)填料在使用中存在的問(wèn)題，作者對(duì)柔性石墨編織填料和柔性石墨環(huán)填料的組合使用進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)壓力為2.5MPa、填料函裝填5層填料，上下各一層裝填柔性石墨編織填料，中間三層裝填柔性石墨環(huán)填料，試驗(yàn)結(jié)果表明，這種填料組合方式比較理想，同閥桿接觸的柔性石墨編織填料不僅沒(méi)有石墨轉(zhuǎn)移，而且對(duì)柔性石墨環(huán)填料轉(zhuǎn)移到閥桿上的石墨有擦拭作用，避免了填料的體積減小，顯著提高了填料的可靠性，經(jīng)萬(wàn)次靜壓壽命考核填料處無(wú)泄漏。

4　金屬密封面堆焊材料選用研究

在蒸汽系統(tǒng)、生活用水系統(tǒng)，壓縮空氣系統(tǒng)使用中大量采用鑄鋼截止閥，其密封面長(zhǎng)期處于介質(zhì)之中，受到介質(zhì)的沖刷和腐蝕；同時(shí)，為保證截止閥密封，在密封面間必然施加一定的密封壓力，由于密封比壓的作用，截止閥閥瓣、閥座之間存在著摩擦磨損。因此，為保證截止閥的密封，防止內(nèi)漏，必然對(duì)密封面的材料及形成方式加以考慮。

國(guó)內(nèi)目前截止閥密封面形成方式主要有6種：(1)直接在截止閥閥體、閥瓣上加工而成，此種方式主要用于銅截止閥、不銹鋼截止閥及用于油品介質(zhì)的截止閥；(2)用適當(dāng)?shù)牟牧霞庸こ擅芊馊Γ衙芊馊τ脵C(jī)械連接方法、或螺紋連接方法、或壓合方法、或焊接方法分別安裝固定在截止閥閥體上和閥瓣上；(3)截止閥閥體、閥瓣上分別堆焊不銹鋼并加工成密封面；(4)截止閥基體金屬采用熱處理滲氮方法形成密封面，此種方法主要用于基體材料為特種合金的截止閥；(5)采用熱噴涂方法在基體金屬表面噴涂一層適當(dāng)材料，經(jīng)加工形成密封面；(6)采用冷涂方法在基體金屬表面涂上一層適當(dāng)材料，經(jīng)加工形成密封面，此方法適用于壓力、溫度不高，有耐腐蝕要求的截止閥。

目前碳鋼截止閥密封面主要采用在閥體、閥瓣上堆焊不銹鋼并加工的方法。國(guó)內(nèi)中溫中壓碳鋼截止閥密封面采用的堆焊材料主要有Cr13型、鉻錳型和鈷基硬質(zhì)合金焊條。

Cr13型焊條堆焊層可通過(guò)熱處理使硬度大于35HR，從而提高了密封面的抗壓傷能力，但是，Cr13型堆焊層合金組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不能形成致密的、 的多相化合物組織，因此用Cr13型焊條堆焊的密封面，互溶性大，“粘著”傾向大，抗擦傷能力差。雖然通過(guò)熱處理方式可以調(diào)整閥體、閥瓣密封面硬度，使之形成硬度差，但即使密封副具有 的硬度差，密封副的抗擦傷能力也不是很理想。同時(shí)，Cr13型堆焊材料抗裂性不好，在堆焊時(shí)易出現(xiàn)裂紋，使用Cr13型焊材料焊前要預(yù)熱，焊后要進(jìn)行硬度差調(diào)整的熱處理，這增加了截止閥制造的工藝成本。

鈷基合金堆焊焊條是一種理想的堆焊材料，抗腐蝕性、抗壓傷能力，抗沖蝕、氣蝕能力，抗擦傷能力都較好，常用來(lái)堆焊使用條件惡劣、抗磨損、抗腐蝕要求高的截止閥密封面。用鈷基硬質(zhì)合工堆焊焊條堆焊密封面的截止閥靜壓壽命一般都在6000次以上。但鈷基硬質(zhì)合金堆焊材料堆焊工藝復(fù)雜，價(jià)格較貴(是Cr13型焊條價(jià)格18倍)，從制造成本考慮，對(duì)于中溫中壓截止閥選用鈷基合金堆焊焊條也不是較佳選擇。

80年代中期以來(lái)，針對(duì)Cr13型焊條堆焊加工成的密封面抗擦傷能力不強(qiáng)的缺陷，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位陸續(xù)研制成功了85號(hào)鉻錳氮型堆焊焊條、137號(hào)鉻錳釴堆焊焊條。

85號(hào)焊條堆焊合金系Cr-Mn-N合金，具有優(yōu)良的抗水、蒸汽、油等弱腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，采用這種焊條堆焊截止閥閥體、閥瓣，密封面具有相當(dāng)好的抗擦傷性能，抗擦傷性能優(yōu)于具有 硬度差的Cr13型堆焊合金。85號(hào)焊條堆焊工藝簡(jiǎn)單，抗裂性能好，堆焊時(shí)不需實(shí)施預(yù)熱、保溫和緩冷等工藝措施，同時(shí)由于閥體、閥瓣堆焊采用同一種焊條，且不需采用復(fù)雜的熱處理工藝調(diào)整閥體、閥瓣密封面的硬度差，這對(duì)組織生產(chǎn)極為方便，降低了生產(chǎn)成本。筆者采用85號(hào)焊條堆焊閥體、閥瓣，制造了公稱(chēng)壓力2.5MPa，公稱(chēng)通徑50mm的雙重密封截止閥，并對(duì)雙重密封截止閥進(jìn)行10000次靜壓壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)截止閥進(jìn)行解體觀察，閥體、閥瓣密封面沒(méi)有明顯擦傷痕跡。

137號(hào)焊條是85號(hào)焊條的改進(jìn)型，其堆焊合金屬Cr-Mn-B系合金，同85號(hào)焊條堆焊合金相比，137號(hào)焊條堆焊合金在抗裂性、可切削性和抗腐蝕性上稍差一些，且價(jià)格也貴一些(約為85號(hào)焊條價(jià)格1.5倍)，但抗擦傷性能和抗氣蝕性能方面有明顯提高，適用于中溫高(中)壓堆止閥的堆焊。

綜上所述，對(duì)于中溫中壓碳鋼截止閥，從綜合性能、堆焊工藝、加工工藝成本等方面考慮，密封面堆焊材料選用85號(hào)焊條比較合適。

5　樣機(jī)性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)軸向?yàn)榻饘倜芊?，徑向?yàn)檐浱盍厦芊獾碾p重密封原理，按照GB/T12235-1989《鋼制截止閥與升降式止回閥》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造了PN2.5、DN50雙重密封截止閥樣機(jī)，并對(duì)雙重密封截止閥樣機(jī)進(jìn)行了殼體試驗(yàn)、液體密封試驗(yàn)、氣體密封試驗(yàn)、靜壓壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1

從樣機(jī)性能測(cè)試結(jié)果可以看出，雙重密封截止閥密封性能可靠，靜壓壽命長(zhǎng)，遠(yuǎn)優(yōu)于普通結(jié)構(gòu)截止閥。

作者簡(jiǎn)介：劉匯源，男，36歲，大學(xué)，高級(jí)工程師。通訊地址：230031安徽合肥市機(jī)械部通用機(jī)械研究所閥門(mén)室。

劉匯源(機(jī)械部通用機(jī)械研究所)
劉揚(yáng)(機(jī)械部通用機(jī)械研究所)
鄭慶倫(機(jī)械部通用機(jī)械研究所)
黃少谷(機(jī)械部通用機(jī)械研究所)
李俊(南昌有色冶金設(shè)計(jì)院)
高彪(安徽化工設(shè)計(jì)院)