淺析耐高溫硬密封球閥的設(shè)計(jì)

2014-09-10 李照四川飛球(集團(tuán))有限責(zé)任公司

1、概述

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型石化工程項(xiàng)目的增多，越來(lái)越多的耐高溫硬密封球閥作為一種控制及截?cái)喙苈废到y(tǒng)的啟閉件普遍應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵、冶金及水電領(lǐng)域中。相對(duì)于軟密封(密封材料為聚四氟乙烯、橡膠等塑料)球閥而言，硬密封球閥的密封材料及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)都能更好的適用于耐高溫的領(lǐng)域中。本文將就耐高溫硬密封球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各零部件的材料選用進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。確定閥門(mén)材料的最高工作溫度和最高極限溫度時(shí)需要考慮的性能是：抗拉強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和高溫時(shí)效。其他因素是：抗氧化性、熱處理溫度和抗磨損性。設(shè)計(jì)原則包括：當(dāng)材料的熱膨脹率不同時(shí)，運(yùn)動(dòng)零件和配合件(松配合)的間隙，以及與溫度、負(fù)荷、接觸程度(如關(guān)閉或振動(dòng)引起的重要沖擊)都和材料擦傷有關(guān)。還要考慮到熱循環(huán)對(duì)閥門(mén)密封、閥座墊片密封及導(dǎo)向套的松動(dòng)的影響。

2、閥門(mén)殼體材料的選用

　　(1)高溫鋼鑄件：高溫工況下閥門(mén)主體材料材料一般選用奧氏體不銹鋼和高溫鉻鉬鋼。較為常用的為幾個(gè)牌號(hào)為ASTMA217中的WC9和C5。WC9廣泛應(yīng)用于熱力和電力系統(tǒng)等介質(zhì)為水和蒸氣的高溫高壓狀態(tài)中。C5適用于含硫石油介質(zhì)中，同時(shí)還具有抗氫腐蝕能力，因此廣泛應(yīng)用于石油煉制及乙烯生產(chǎn)含硫介質(zhì)的高溫中。ASTMA351中的CF8和CF3常用于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的閥門(mén)中。上述材料規(guī)定的一般工作溫度為WC9≤593℃，C5≤593℃，CF3≤427℃，CF8≤537℃。奧氏體不銹鋼和高溫鉻鉬鋼相比較而言，奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能強(qiáng)于高溫鉻鉬鋼，但高溫鉻鉬鋼的耐高溫性能高于奧氏體不銹鋼，并且兩者的價(jià)格也有一定的差距，在選用閥門(mén)主體材料時(shí)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為應(yīng)根據(jù)閥門(mén)實(shí)際的使用工況條件來(lái)決定。

ASTMA217M中幾種常用鉻鉬鋼的力學(xué)性能

　　(2)高溫鋼鍛件：國(guó)際上應(yīng)用于閥門(mén)主體材料高溫鉻鉬鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)最具有代表性的應(yīng)為ASTMA182/A182M中的低合金鋼種。其中的F11.2級(jí)和F11.3級(jí)、F22.1級(jí)和F22.3級(jí)、F5和F5a分別為常用鑄件WC6、WC9和C5的變形合金。

ASTMA182/A182中常用鉻鉬高溫鋼的力學(xué)性能

3、密封材料的選用及結(jié)構(gòu)

　　3.1、閥座材料

　　設(shè)計(jì)高溫球閥的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：1、正確選用合適于高溫下使用的密封材料;2、如何補(bǔ)償閥門(mén)在使用過(guò)程中因?yàn)槭褂脺囟葘?duì)閥門(mén)各零部件的溫差變形的影響。

　　球閥的使用溫度通常取決于閥座材料的耐高溫性能。按閥座材料的不同，高溫球閥可分為金屬對(duì)金屬(硬密封)及金屬對(duì)非金屬(軟密封)兩類(lèi)密封結(jié)構(gòu)。它們的共同點(diǎn)是球體和閥體都是用耐高溫的金屬材料制造，所不同者，前者閥座為金屬或耐熱合金(如鈷鉻鎢硬質(zhì)合金等)制造，后者閥座材料采用非金屬材料如對(duì)位聚苯(PPL)、柔性石墨和碳素纖維等制造。閥座材料采用非金屬材料采用PTFE或NYLON材料制造，其使用溫度為≤200℃，采用PPL使用溫度可達(dá)到300℃。金屬對(duì)金屬密封結(jié)構(gòu)(硬密封)球閥的優(yōu)點(diǎn)是：適用溫度范圍更廣，耐高溫可達(dá)600℃甚至更高。各種金屬材料的熱膨脹系數(shù)相差不大，只要選用得當(dāng)，可以達(dá)到基本一致，有利于協(xié)調(diào)溫差變形。缺點(diǎn)是金屬材料硬度高，達(dá)到密封所必須的比壓亦高，在通徑較小和壓力較低場(chǎng)合，難以靠流體壓力達(dá)到密封，即使是采用預(yù)緊力達(dá)到密封，但因密封比壓大，閥座和球體之間的磨損必然很大，而且金屬與金屬的摩擦系數(shù)比較大，球閥的啟、閉轉(zhuǎn)矩亦大。

　　3.2、閥座的結(jié)構(gòu)

　　彈性密封結(jié)構(gòu)的高溫球閥，由于各種彈性閥座和彈性球體的密封性能可靠，彈性補(bǔ)償能力強(qiáng)，適用溫度范圍廣，而且對(duì)浮動(dòng)球和固定球球閥都適用，因此，在高溫球閥上得到廣泛應(yīng)用。

金屬對(duì)金屬?gòu)椥悦芊忾y座結(jié)構(gòu)

　　由于施加于閥座墊片上的負(fù)荷必須超過(guò)墊片的屈服極限才能密封，而惡劣的熱循環(huán)又會(huì)進(jìn)一步引起墊片的蠕變和滲漏，因此，在高壓熱循環(huán)狀態(tài)時(shí)，最好是避免采用閥座墊片的型式。閥座密封采用柔性石墨環(huán)，柔性石墨有極強(qiáng)的耐壓性、柔韌性、可塑性和自潤(rùn)滑性;并且能夠很好的適用于各種抗高、低溫的工況條件中。采用石墨的密封結(jié)構(gòu)同樣應(yīng)用與閥桿密封結(jié)構(gòu)。

　　彈簧作為彈性密封閥座結(jié)構(gòu)的主要零部件，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

　　(1)高溫會(huì)降低彈簧的回火性能，(或降低硬度)減少?gòu)椥阅Ａ�，引起使用�?fù)荷和彈性極限的降低，并使腐蝕增加和彈簧最終的失效。因此，彈簧材料應(yīng)使用耐腐蝕材料或鎳基合金。

　　(2)在介質(zhì)為煤漿等含顆粒雜質(zhì)較多的情況下，螺旋彈簧容易因?yàn)轭w粒雜質(zhì)較多的原因而導(dǎo)致失效，因此在此情況下應(yīng)選用平板彈簧。

　　3.3、法蘭密封墊片

　　根據(jù)工藝，金屬纏繞件可使用316不銹鋼或INCONEL合金鋼等半金屬墊片比非金屬墊片承受的溫度壓力范圍較廣。所以墊片材料常選用304/316+填充纏繞式墊片。

　　耐高溫纏繞式墊片在以前所采用的填充料是石棉板。但是由于石棉材料所引起的有爭(zhēng)議的健康問(wèn)題，現(xiàn)在許多閥門(mén)制造商不將它作為最佳的填充料選擇方案。所以石墨纏繞式墊片成為了在高溫工況下使用最為廣泛的填充料，使用在不銹鋼、碳鋼和鉻鉬鋼等操作工況非�？量痰拈y門(mén)上。

閥桿密封

4、閥門(mén)的試驗(yàn)

　　耐高溫閥門(mén)的試驗(yàn)除了按常溫下通用閥門(mén)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)外，還應(yīng)進(jìn)行閥門(mén)在高溫狀態(tài)下(特定高溫性能試驗(yàn)裝置)的各項(xiàng)性能試驗(yàn)和操作性能試驗(yàn)。