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      提升式硬密封旋塞閥的工藝與設(shè)計

      2013-08-20 01:01:16張麗智
      科技傳播 2013年7期
      關(guān)鍵詞:磨具圓錐體密封面

      張麗智

      溫州市臺益閥門有限公司,浙江溫州 325101

      0 引言

      旋塞閥廣泛地應(yīng)用于油田開采、輸送和精練設(shè)備中,同時也廣泛用于石油化工、化工、煤氣、天然氣、液化石油氣、暖通行業(yè)以及一般工業(yè)中。

      在使用中, 提升式硬密封旋塞閥的主要失效形式是沖蝕磨損。雖然,通過表面熱處理或堆焊硬質(zhì)合金等方法能提高硬密封旋塞閥的使用壽命和耐擦傷性能,但仍然不能滿足輸送微顆?;蚶w維等特殊介質(zhì)的要求。通過工藝難點(diǎn)的解決,設(shè)計的優(yōu)化,可以顯著改善提升式硬密封旋塞閥的使用性能。

      1 結(jié)構(gòu)特征

      在顆粒介質(zhì)中,顆粒物會依附在旋塞的表面,如果直接轉(zhuǎn)動旋塞體時會出現(xiàn)刮傷密封面現(xiàn)象。為了避免上述情況的問題,通過旋塞頂端設(shè)計的提升機(jī)構(gòu)來解決此種情況。驅(qū)動裝置傳動提升式硬密封旋塞閥其結(jié)構(gòu)如圖1 所示?;竟ぷ髟頌椋洪_啟閥門時傳動裝置轉(zhuǎn)動閥桿的螺紋使旋塞體上升。旋塞體和閥體密封面脫離后再驅(qū)動旋塞轉(zhuǎn)動90 度到閥門全打開。關(guān)閉時傳動裝置使旋塞先轉(zhuǎn)動90 度至關(guān)閉位置后,旋塞體不再轉(zhuǎn)動,驅(qū)動力轉(zhuǎn)動螺紋后使旋塞體下降,與閥體密封面接觸達(dá)到密封。提升式硬密封旋塞閥兩側(cè)閥座密封面均可密封,閥門的使用不受介質(zhì)流向的限制。提升式硬密封旋塞閥關(guān)閉時,可通過手輪和閥桿對閥座密封面加壓,通過加大密封比壓,可使旋塞閥具有更好的密封性能。閥座密封面凸起,便于密封面清洗,密封面不易積存結(jié)晶介質(zhì),或固體顆粒。固常用于化工裝置的高溫場合。

      圖1 驅(qū)動裝置傳動提升式旋塞閥的結(jié)構(gòu)示意圖

      2 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

      2.1 圓錐面加工的問題

      在臥式車床上利用靠模板裝置加工圓錐面,用靠模板裝置加工圓錐面的優(yōu)點(diǎn)是:能自動進(jìn)給,加工精度高,表面粗糙度Ra 值較低。

      加工圓錐面時刀具的安裝非常重要。如刀尖未對準(zhǔn)圓錐面的中心,車出的圓錐面則呈現(xiàn)出雙曲線形。根據(jù)圓錐體形成的原理,通過圓錐體中心圓錐母線應(yīng)是一條直線。如將一個標(biāo)準(zhǔn)圓錐體離開軸線處加工,則其剖面形狀是曲線。

      所以,車刀不得裝的過高于或過低于圓錐體中心。為獲得精度高的圓錐面,加工時必須把刀尖對準(zhǔn)圓錐體的中心。旋塞閥圓錐面是連續(xù)切削,刀具在沖擊下工作很容易崩掉刀尖;切削力的變化又會引起切削過程中的抖動,而影響圓錐面的精度和粗糙度。

      為了避免崩掉刀尖和防止抖動,采用剛性好的刀桿,變注意選擇適合早沖擊下工作的刀具幾何形狀和調(diào)整小刀架與溜板活動面間的間隙,使之合適,不至于過大。

      加工鑄鋼旋塞閥的圓錐密封面時,直徑方向的加工余量一般為7mm`10mm,切削速度為80m/min,進(jìn)給量為0.2mm/r。精加工余量為0.4mm,切削速度為120m/min,進(jìn)給量為0.08mm/r,加工表面的表面粗糙度Ra 可達(dá)1.6μm。

      2.2 圓錐面表面處理的問題

      目前的鍍硬鉻、滲氮表面處理技術(shù)很難滿足微顆粒等介質(zhì)工況,表面的硬度隨著時間的推移很容易出現(xiàn)刮傷、表面處理層脫落等情況,使用壽命周期不長,給經(jīng)濟(jì)造成難以估計的損失。

      為了解決這種難題,旋塞體圓錐面采用超音速噴熱涂技術(shù)和閥體圓錐面自動埋弧堆焊硬質(zhì)的組合密封副,這種鎳基合金和碳化鎢(WC)調(diào)配百分比能使噴焊層與基體材質(zhì)有較高的結(jié)合強(qiáng)度,如此高的結(jié)合強(qiáng)度,使噴焊層能承受強(qiáng)烈的機(jī)械沖擊及熱沖擊而不會產(chǎn)生脫落。這樣解決了表面硬度不足、不耐磨、不耐沖蝕的問題。

      閥體圓錐面堆焊硬質(zhì)合金,合金層加工后厚度≥2mm,硬度>613HV。自動埋弧堆焊硬質(zhì)合金技術(shù)工藝特點(diǎn):堆焊過程自動化,堆焊生產(chǎn)效率高,堆焊質(zhì)量穩(wěn)定。

      自動埋弧堆焊硬質(zhì)合金技術(shù)工藝參數(shù):電源極性為直流反極,焊劑為HJ260,堆焊電流在280A~300A,電弧電壓在28V~30V,堆焊速度在550mm/min~650mm/min,焊絲直徑取Φ2,焊絲送給速度130mm/min~160mm/min,焊絲伸出長度通常取20~60mm,焊絲伸出長度不得超出偏差±(5~10)mm,焊絲的傾斜角度保持在6°~8°,堆焊層厚度3.5mm~4.5mm。

      旋塞體圓錐面噴焊WC 碳化鎢,WC 碳化鎢加工后,厚度≥2mm,硬度1000HV~1300HV。

      超音速噴熱涂技術(shù)工藝特點(diǎn):超高的焰流速度和相對較低的溫度;粉粒受熱均勻;噴涂粉末細(xì)微,噴層光滑;涂層致密,結(jié)合強(qiáng)度高。

      超音速噴熱涂技術(shù)工藝參數(shù):使用DJ 系統(tǒng)噴涂WC-CO涂層,當(dāng)送粉量在38g/min~70g/min 之間變化時,涂層孔隙率在1.12%~2%之間,顯微硬度在1000HV~1300HV,粉末沉積率為40%~50%范圍,涂層性能優(yōu)良。

      2.3 圓錐面珩磨的問題

      2.3.1 工作原理

      圓錐面珩磨必須在臥式車床上增加靠模板裝置和改裝的珩磨裝備,圖2 為滾動珩磨的工作原理,圓錐體裝夾在卡盤或者工裝上,傾斜安裝著的珩磨輪以一定的壓力與圓錐面接觸。

      當(dāng)圓錐面以VG 的線性速度旋轉(zhuǎn)時,由于摩擦力的作用珩磨輪以VS 的速度繞自身的軸線轉(zhuǎn)動。

      同時珩磨輪還沿圓錐體軸向的方向作往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動。因珩輪軸線跟圓錐面軸線有交角α,故在圓錐面與珩輪旋轉(zhuǎn)的同時,它們之間產(chǎn)生相對的滑移,其滑移速度稱為VH。珩磨輪與圓錐面相對滑動時,磨粒就在圓錐面切去極薄的一層金屬。珩磨輪沿圓錐面軸向往復(fù)運(yùn)動使圓錐面得到交叉重疊的網(wǎng)狀痕跡,因此珩磨也能獲得Ra0.4~Ra0.25 的表面粗糙度。

      圖2

      從圖1 可知:

      VS=VGcosα ;VH=VGsinα

      珩磨輪傾角α 越大,相當(dāng)滑動速度VH 大,效率也越高。但是α 角過大會產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象,故一般取α 取10°~35°。

      2.3.2 珩磨速度

      滾動珩磨時圓錐體的旋轉(zhuǎn)速度增大時,圓錐面的光潔度也有明顯的提高,但速度過高會產(chǎn)生抖動的現(xiàn)象,從而影響加工質(zhì)量。滾動珩磨的VG 通常取60~80m/min。滾動珩磨時的進(jìn)給量粗珩為0.2mm/r~0.4mm/r,精珩為0.05mm/r~0.15mm/r。

      2.3.3 珩磨壓力

      滾動珩磨時磨輪單位面積上接觸所受的力稱為珩磨的切削壓力。切削壓力大小將直接影響珩磨效率和加工表面的質(zhì)量。切削壓力不能過大或過小。切削壓力珩磨時粗珩一般取0.8MPa~1MPa;精珩一般取0.4MPa~0.6MPa。

      2.3.4 珩磨的潤滑冷卻液

      潤滑冷卻液不僅能沖刷掉磨具上的磨粒和切削粉末,還可以降低珩磨時的切削熱量。正確選用潤滑冷卻液不僅能改善被加工圓錐面的質(zhì)量,還能提高珩磨的效率。加工鑄鋼和鍛鋼常選用粘度小、滲透性強(qiáng)的煤油作潤滑冷卻液。根據(jù)經(jīng)驗,在煤油中加入30%左右的20 號機(jī)械油后圓錐面的質(zhì)量更好。

      2.3.4 珩磨的余量

      珩磨是一種光潔加工方法,切削量很小,其加工余量不宜過大。余量過大不僅會影響圓錐體的幾何形狀精度,還會降低生產(chǎn)效率。珩磨余量的大小與預(yù)加工的精度和表面質(zhì)量相關(guān)。一般直徑余量為0.01mm~0.15mm 時,一次精珩磨就行。當(dāng)直徑余量大于0.04mm 時,為了提高珩磨效率常使用不同粒度的磨具進(jìn)行粗、精兩次珩磨。粗珩切去余量的65%~70%,精珩切去余量的30%~35%。

      2.3.5 珩磨輪的選擇

      珩磨輪的性能取決于磨料的種類、磨料的粒度、磨具的硬度和磨具的結(jié)合劑。珩磨輪使用的磨料主要是白鋼玉和碳化硅。按加工工件選擇磨料。碳鋼和不銹鋼通常選用白鋼玉磨輪。

      磨具的粒度越粗,生產(chǎn)效率高,但表面光潔度較差;磨具的粒度越細(xì),生產(chǎn)效率低,但表面光潔度較好。一般粗磨時選用60#~150#;精磨時選用240#~W28。

      珩磨輪的硬度要根據(jù)加工工件選擇。磨具的硬度過高,磨粒已鈍仍未脫落,是磨具與工件之間摩擦力增加,工件表面過熱而出現(xiàn)燒傷,從而造成表面光潔度惡化;磨具的硬度過低,磨粒還未磨鈍就脫落下來,從而加快了磨具的磨損。

      珩磨較硬的金屬材質(zhì)時,磨粒易于磨鈍,為保持較好的切削性能和避免工件過熱,應(yīng)選用較軟的磨具。加工較軟的材質(zhì),磨具的硬度應(yīng)較高。但珩磨特別軟的材料時,為避免切削堵塞磨具表面,磨具的硬度也要選硬一些。

      2.4 圓錐面研磨的問題

      研磨是切削量極小的光整加工方法,研磨旋塞體可采用旋塞體研磨機(jī)或手工研磨,依實(shí)際情況選擇研磨方法。

      先將旋塞體研磨好,然后直接將旋塞體與圓錐孔配研。圓錐孔表面配研時,先在擦凈了的旋塞體上均勻地涂上一層研磨劑,輕放在圓錐孔上用手加壓并旋轉(zhuǎn)旋塞體,旋轉(zhuǎn)3~4 后,可將旋塞體拔出一些改變圓周位置后在進(jìn)行研磨。在研磨過程中應(yīng)經(jīng)常添加研磨劑。

      研磨好后的密封面還要用毛氈加氧化鉻等磨料進(jìn)行拋光,以提高密封面的光潔度及去除個別嵌留在密封面上的磨粒,不然,閥門在密封面試驗時易出現(xiàn)泄漏。

      2.5 裝配工藝的問題

      旋塞閥通常是以閥體作為基準(zhǔn)零件按工藝規(guī)定的順序和方法進(jìn)行裝配。裝配前要對零、部件進(jìn)行檢查,防止未去毛刺和沒有清洗的零件進(jìn)入總裝。裝配過程中,零件要輕拿輕放,避免磕碰、劃傷已加工表面。對旋塞閥的運(yùn)動部位(如閥桿等)應(yīng)涂以工業(yè)用黃油。閥蓋與閥體中法蘭多采用螺栓連接,緊固螺栓時,應(yīng)對稱、交錯、多次、均勻地擰緊,否則閥體、閥蓋的結(jié)合面會因圓周受力不均而發(fā)生滲漏。緊固時使用的搬手不宜過長,避免預(yù)緊力過大而影響螺栓強(qiáng)度??傃b完成后,應(yīng)旋轉(zhuǎn)操縱機(jī)構(gòu),以便檢查旋塞閥啟閉件的運(yùn)動是否靈活,有無卡阻現(xiàn)象。閥蓋、支架等零件的安裝方向是否符合圖紙要求,各項檢查都合格后的閥門方能進(jìn)行試驗。

      2.6 設(shè)計計算

      提升式硬密封旋塞閥的設(shè)計核算必須考慮的問題如下:壁厚、旋塞體的通道面積、旋塞體的扭矩及扭應(yīng)力的驗算。只要綜合考慮工況介質(zhì)和使用壓力等各方面參數(shù),加上合理設(shè)計,不僅可以節(jié)省材料,還能提升后續(xù)加工的效率。下面以表1 參數(shù)為例,來進(jìn)行設(shè)計。

      表1

      2.6.1 壁厚

      其中 p 為公稱壓力,單位:MPa;

      DN為計算內(nèi)徑,單位:mm;

      [ ?L]為許用拉應(yīng)力,單位:MPa;C 為腐蝕余量,單位:mm;

      圖3

      圖4

      2.6.2 旋塞體的通道面積

      F = 2.5? B2(2);

      其中 B 為通道孔的中心處寬度,

      B=0.57·d(3) ,單位:mm;

      d 為公稱直徑DN,單位:mm;

      F 為通道孔面積,單位:mm2;

      將d=100 代入(3)式之中,得B=57;再將B 代入(2)式之中,

      得F=8122.5。

      圖5

      2.6.3 旋塞體的扭矩及扭應(yīng)力

      M=Mf+MT+MJ(4);

      MJ為介質(zhì)壓力引起的摩擦力矩,MJ=FMJfMDP/2(7),單位:N·mm;

      M 為最大轉(zhuǎn)矩(帶填料),單位:N·mm;

      q 為密封比壓,q=2·p(9),單位:MPa;

      FT為填料與閥桿摩擦力,F(xiàn)T=FTd b Pψ (10),單位:N;

      Dp為旋塞體平均直徑,單位:mm;

      fM為密封面摩擦系數(shù),單位:無;

      α 為旋塞體錐半角,單位:°;

      dF為閥桿直徑,單位:mm;

      D1為旋塞體大端直徑,單位:mm;

      D2為旋塞體小端直徑,單位:mm;

      Ψ 為無石棉填料系數(shù),單位:無;

      p 為公稱壓力,單位:MPa;

      將Dp=81、fM=0.08、α=4、dF=28、D1=89.7、D2=72.3、Ψ=1.08、p=2 分別代入(5)~(11)式之中;再將Mf=816527.3、MT=6773.8、MJ=50868 代入(4)式之中,得M=874169。

      τN= 4.8M /S3(12);

      其中M 為最大轉(zhuǎn)矩(帶填料),單位:;

      S 為扳手方的邊長,單位:mm;

      Nτ 為旋塞體最大扭應(yīng)力,單位:MPa;

      [τN]為許用扭應(yīng)力,單位:MPa;

      將M=765744.7、S=34 代 入(12) 式 之 中,得 Nτ =106.8;[τN]=110,τN≤[τN],符合要求。

      3 結(jié)論

      提升式硬密封旋塞閥工藝難點(diǎn)的解決和設(shè)計的優(yōu)化,針對高溫、顆粒等介質(zhì)而進(jìn)行改進(jìn);通過高溫模擬、耐磨模擬實(shí)驗及實(shí)使用際證明,提升式硬密封旋塞閥適用于化工、石油、輕紡、水電、食品制藥、醫(yī)藥、電力等工業(yè)管道的系統(tǒng)控制,切斷或接通管路介質(zhì)。對于提升式硬密封旋塞閥的使用性能的提高,可以使其應(yīng)用領(lǐng)域得到更廣泛的拓展。

      [1]吳子健.熱噴涂技術(shù)與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

      [2]王娟.表面堆焊與熱噴涂技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

      [3]陸培文,高風(fēng)琴.閥門設(shè)計計算手冊.2版.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

      [4]陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計手冊.2版.機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

      [5]API 6D,管線閥門(閘閥、旋塞閥、球閥和止回閥),2008.

      [6]蘇志東,尹玉杰,張清雙.閥門制造工藝.化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

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