氣動(dòng)高溫密封球閥選型分析

氣動(dòng)球閥控制是自動(dòng)化控制在工業(yè)里的終端控制元件，氣動(dòng)球閥調(diào)節(jié)流動(dòng)的流體（介質(zhì)），以補(bǔ)償負(fù)載流動(dòng)并使得被控制的過程盡可能地靠近需要的設(shè)定點(diǎn)，基于其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里的重要性，使得氣動(dòng)球閥的設(shè)計(jì)及制造尤為重要，特別是某些嚴(yán)格苛刻的工況，如高溫、高壓差、高流速、氣蝕等，將從材料、結(jié)構(gòu)、制造等方面加以論述。左右球座密封圈尤其采用調(diào)節(jié)蝶簧；球座密封圈與閥體間由增強(qiáng)PPL合成密封材料作為襯墊；定位塊作為填料壓環(huán)在組合填料之上，(有孔)的定位塊位于填料壓環(huán)之上。

工作過程如下圖所示，通過氣動(dòng)控制裝置輸出旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩到閥桿，帶動(dòng)閥桿，旋轉(zhuǎn)球體閥芯，這樣就可以實(shí)現(xiàn)閥門流量通道的開或關(guān)，從而進(jìn)行對(duì)管路的控制。通過調(diào)整螺栓，很方便地與法蘭、螺紋、焊接等各種方式連接接頭(下連接接頭)連接。環(huán)形密封座與閥體的安裝部位設(shè)有一O型密封圈。本實(shí)用新型涉及一種球閥,尤其是一種氣動(dòng)防火高溫硬密封球閥.一種氣動(dòng)防火高溫硬密封球閥,包括球體,閥座,閥桿,閥體,球體與閥桿固定連接,球體,閥座設(shè)置在閥體內(nèi),閥座為雙閥座結(jié)構(gòu),雙閥座結(jié)構(gòu)包括內(nèi)閥座,外閥座,內(nèi)閥座與外閥座套接.上述結(jié)構(gòu)采用雙金屬閥座的結(jié)構(gòu),外閥座與內(nèi)閥座套設(shè),并在外閥座與內(nèi)閥座結(jié)合的頂部和底部均設(shè)置了防火密封圈,這樣的結(jié)構(gòu),在熱膨脹的時(shí)候,熱膨脹一致,密封性不會(huì)受到破壞,因此即使在高溫或者意外發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候也能保證閥門能可靠的關(guān)閉密封,安全性很好.

一、氣動(dòng)高溫密封球閥選型分析材料的選擇：

1、金屬材料；材料是至關(guān)重要的因素，如材料的性能、蠕變、熱膨脹率、抗氧化性、耐磨性、熱擦傷性及熱處理溫度等，這些是首先應(yīng)注意的事項(xiàng)。在高溫狀況下，蠕變和斷裂是材料破壞的主要因素之一，特別是碳素鋼，當(dāng)暴露在425°C以上時(shí)，鋼中的碳化相可能轉(zhuǎn)變?yōu)槭鴮?duì)于奧氏體不銹鋼只有當(dāng)含碳量超過0.4%時(shí)，才可以用于528°C以上。因此，在高溫下使用時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算閥體材料的抗拉強(qiáng)度、蠕變、高溫時(shí)效等參數(shù)。而對(duì)于閥內(nèi)件的設(shè)計(jì)，還應(yīng)該附加考慮材料在高溫的硬度、配合部件的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)向部件的熱硬度差、彈性變形、塑性變形等。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)給予相應(yīng)的安全系數(shù)和可靠系數(shù)，以確保避免在多因素下所產(chǎn)生的破壞。并要熟悉高溫下材料的蠕變率，以選取合適的應(yīng)力，使材料總的蠕變?cè)谡Ｊ褂脡勖秶鷥?nèi)不擴(kuò)展至斷裂或允許其產(chǎn)生微變形而不影響導(dǎo)向零件的正常使用。

為避免氣動(dòng)球閥內(nèi)件（閥芯、閥座）表面的磨損、沖蝕及氣蝕，高溫情況下要考慮材料的熱硬度，防止金屬硬度變化。在高壓差下，流體的大部分能量集中于閥內(nèi)件進(jìn)行釋放，對(duì)閥門內(nèi)件有超負(fù)載的可能，而高溫下，大部分材料的機(jī)械性能變差，材料變軟，大大影響了閥內(nèi)件的使用壽命。因此，應(yīng)正確選擇合適的材料，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。另外，還要考慮高溫時(shí)效對(duì)材料物理性能的影響，如韌性和晶間腐蝕的變化。當(dāng)使用溫度達(dá)到或超過熱處理溫度時(shí)，閥內(nèi)件會(huì)產(chǎn)生退火，硬度降低等問題，為防止材料硬度發(fā)生變化，溫度極限的選擇必須在一個(gè)安全的范圍內(nèi)。而相同的介質(zhì)，在高溫狀況下，其分子的活動(dòng)性相對(duì)活躍，某些具有一般腐蝕性的介質(zhì)可能對(duì)閥體及閥內(nèi)件金屬材質(zhì)帶來嚴(yán)重的腐蝕破壞，介質(zhì)以高速的離子狀態(tài)滲入金屬內(nèi)部，使材料的特性發(fā)生改變，如熱膨脹性、晶間腐蝕等，因此，對(duì)材料的選擇，除了性價(jià)比之外，還應(yīng)考慮多因素下所產(chǎn)生的失效性。
高壓差、高流速情況下，即使溫度是常溫，也應(yīng)評(píng)估材料的特性，使材料可以滿足該工況。一般來說，常溫下，當(dāng)壓差超過15bar時(shí)，應(yīng)將閥芯、閥座的材料由316調(diào)整為司太立合金堆焊或更高要求的合金，對(duì)于弱腐蝕性的介質(zhì)，可選用420QT（淬火+回火）、440QT等。高壓差、高流速會(huì)帶來嚴(yán)重的沖蝕或氣蝕，這對(duì)閥內(nèi)件材料的傷害非常大，因此，對(duì)閥體及閥內(nèi)件的材料要求非常高，對(duì)于閥芯應(yīng)考慮使用不銹鋼表面滲氮（HRC70）處理，使之具有較強(qiáng)的耐沖蝕性，提高閥門流量的精度和使用壽命。高溫下材料的抗氧化能力，也是一個(gè)非常重要的參數(shù)。在溫度循環(huán)變化中，所選用的材料應(yīng)避免發(fā)生材料表面重復(fù)氧化，產(chǎn)生氧化皮等問題。一般情況下，奧氏體不銹鋼系、硬質(zhì)合金系及特種合金系的材料有較好的高溫穩(wěn)定性，可根據(jù)不同的高溫工況選用合適的材料。

2、非金屬材料

一般的非金屬材料無法承受高溫（300°C以上），但柔性石墨可以承受700°C以上的高溫，因此高溫工況下，無論是靜密封還是動(dòng)密封，一般可以選取柔性石墨或復(fù)合材料，但應(yīng)注意摩擦系數(shù)會(huì)增大。

二、氣動(dòng)高溫密封球閥選型分析零部件的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)的選擇：

高溫高壓差氣動(dòng)球閥設(shè)計(jì)中，必須仔細(xì)考慮不同零部件的熱膨脹對(duì)閥內(nèi)件動(dòng)作的影響。當(dāng)高溫介質(zhì)流過閥門時(shí)，由于閥體的線膨脹系數(shù)往往小于閥座的線膨脹系數(shù)，所以閥體限制了閥座的徑向膨脹，閥座只能向內(nèi)徑膨脹，使得在高溫下，閥芯與閥座的工作間隙小于常溫下標(biāo)準(zhǔn)閥門設(shè)計(jì)的間隙，造成閥內(nèi)件卡死。閥芯與導(dǎo)向套也會(huì)產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象。因此，閥門在高溫下使用時(shí)，常溫下標(biāo)準(zhǔn)閥門的設(shè)計(jì)間隙（包括閥芯、閥座間；導(dǎo)向套、閥桿間）應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加，這樣使其在高溫下工作也不會(huì)發(fā)生卡死現(xiàn)象。因此間隙的設(shè)計(jì)顯得非常重要，因材料，尺寸及溫度差等參數(shù)的確認(rèn)對(duì)設(shè)計(jì)人員非常重要，目前，可從《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅱ材料D篇性能》中得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

對(duì)泄漏量要求較高的場(chǎng)合下閥體和閥座盡量采用相同的合金鋼制造，并采用單座或籠式結(jié)構(gòu)，盡量避免采用雙座閥結(jié)構(gòu)，還要在密封面進(jìn)行硬化處理，以免高溫下閥門泄露量大幅度增加。另外還應(yīng)考慮閥體、閥蓋及連接件承受由于高溫帶來的附加載荷造成的破壞。

溫度的循環(huán)變化會(huì)使閥座和導(dǎo)向套松動(dòng)，因此必須采用密封焊和搭接焊來防松或壓緊結(jié)構(gòu)。閥座墊片的密封是在密封力大于墊片的屈服極限才能夠獲得，而在高溫、高壓及熱循環(huán)工況下，密封材料發(fā)生蠕變而產(chǎn)生滲漏，可采用整體閥座，由閥體上直接制成閥座并使之硬化。對(duì)于大口徑閥門，可在閥體上焊接閥座，去除墊片來避免不必要的泄漏。根據(jù)介質(zhì)的溫度高低，還要考慮填料函中填料可承受的溫度及執(zhí)行機(jī)構(gòu)可承受的溫度。填料函結(jié)構(gòu)和使用溫度之間的關(guān)系：

三、氣動(dòng)高溫密封球閥選型分析高溫高壓差周期性變化工況下密封結(jié)構(gòu)：

用于高溫周期性變化的閥座密封面結(jié)構(gòu)可采用自對(duì)中契狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)用于零件膨脹造成密封線不圓及閥座的磨損，有自動(dòng)對(duì)中和補(bǔ)償作用。在高溫高壓差且溫度循環(huán)變化的情況下可有良好的密封效果，其密封是依靠柔性閥座密封部位的彈性變形實(shí)現(xiàn)的。高溫情況下計(jì)算材料的密封比壓，應(yīng)考慮到其密封材料的強(qiáng)度極限、屈服極限在高溫情況下都有所下降，來選用合理的數(shù)值。

閥體整體采用鍛造結(jié)構(gòu)，保證整體的強(qiáng)度，整個(gè)球閥的長(zhǎng)度只有普通球閥的1/2；采用增強(qiáng)PPL合成密封材料+O型密封圈組合結(jié)構(gòu)，保證球閥在高壓工況條件下的密封性。采用O型密封圈與密封墊、填料三重密封。采用調(diào)整蝶簧加載的閥座密封結(jié)構(gòu)，能確保球閥可靠的密封；采用螺紋接頭連接方式，可方便的在儀表管路、液壓系統(tǒng)中的任意角度安裝。采用集成氣動(dòng)控制裝置，可以更好的實(shí)現(xiàn)就地控制和遠(yuǎn)距離集中控制，在控制室里就可以控制閥門的開關(guān)，不需要跑到現(xiàn)場(chǎng)或者高空和危險(xiǎn)地帶來手動(dòng)控制，在很大程度上節(jié)約了人力資源以及時(shí)間和安全性。

四、氣動(dòng)高溫密封球閥選型分析高溫情況下，材料硬度的變化：

在高溫情況下，各種材料的硬度都有不同程度的下降，硬度下降增加了材料塑變和擦傷的可能。表面硬化材料鎢鉻硬質(zhì)合金、鉻硼合金及部分不銹鋼熱硬度比較。

有益效果：本發(fā)明閥體等整體采用鍛造結(jié)構(gòu)，保證整體的強(qiáng)度，整個(gè)球閥的長(zhǎng)度只有普通球閥的1/2，節(jié)省大量成本，安裝簡(jiǎn)便，能以任意方向安裝于管道中的任意部位。保證密封。采用增強(qiáng)PPL合成密封材料+O型密封圈組合結(jié)構(gòu)，保證球閥在高壓工況條件下的密封性。保證密封可靠，使用壽命長(zhǎng)。流體阻力小，開關(guān)迅速、方便，只要閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)90o，球閥就完成了全開或全關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)快速啟閉。采用O型密封圈與密封墊、填料三重密封。保證在高壓工況條件下的密封可靠。球體閥芯，使密封面的既有球體又大大縮短了閥的長(zhǎng)度，球體閥芯空間運(yùn)動(dòng)軌跡理想，密封面相互之間無磨擦、無干涉、加之密封材料選擇得當(dāng)，從而使球閥的密封性、耐腐蝕性、耐高溫性和耐磨性等得到了可靠的保證。采用調(diào)整蝶簧加載的閥座密封結(jié)構(gòu)，能確保球閥可靠的密封；采用螺紋連接方式，可方便的在儀表管路、液壓系統(tǒng)中的任意角度安裝。采用集成氣動(dòng)控制裝置，可以更好的實(shí)現(xiàn)就地控制和遠(yuǎn)距離集中控制，在控制室里就可以控制閥門的開關(guān)，不需要跑到現(xiàn)場(chǎng)或者高空和危險(xiǎn)地帶來手動(dòng)控制，在很大程度上節(jié)約了人力資源以及時(shí)間和安全性。

五、氣動(dòng)高溫密封球閥選型分析材料的塑變：

塑變是指一種金屬表面被其它材料擦傷，粘結(jié)在一起或表面滾成球形。它和溫度、材料、表面光潔度、硬度、載荷有關(guān)，會(huì)受流體的影響，高溫會(huì)使金屬軟化，增加其塑變趨勢(shì)。塑變會(huì)引起：卡住閥門；損壞密封面；增加摩擦力，引起閥芯定位不準(zhǔn)。管線流體中如夾有較大較硬的顆粒，會(huì)使閥內(nèi)件磨得粗糙不平，產(chǎn)生塑變。

設(shè)有支架在組合填料上通過上端螺釘固定在閥體上蓋上；支架上方為氣動(dòng)控制裝置。氣動(dòng)控制裝置輸出旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩到閥桿。本發(fā)明閥體等整體采用鍛造結(jié)構(gòu)，保證整體的強(qiáng)度，整個(gè)球閥的長(zhǎng)度只有普通球閥的1/2。采用增強(qiáng)PPL合成密封材料+O型密封圈組合結(jié)構(gòu)，保證球閥在高壓工況條件下的密封性。保證密封可靠，使用壽命長(zhǎng)。流體阻力小，開關(guān)迅速、方便，只要閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)90度，球閥就完成了全開或全關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)快速啟閉。采用O型密封圈與密封墊、填料三重密封。保證在高壓工況條件下的密封可靠。