疏水閥密封面結(jié)構(gòu)和性能研究

崔曉紅 呂永剛 雷 娟 李小麗

(1、甘肅紅峰機(jī)械有限責(zé)任公司，甘肅 平?jīng)?744000 2、甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司，甘肅 平?jīng)?744000)

1 概述

蒸汽疏水閥又稱阻氣排水閥，常被應(yīng)用于石油、化工、紡織等各行業(yè)領(lǐng)域，用來排除蒸汽管道中生成的低溫凝結(jié)水。疏水閥按照工作原理的不同，通常分為三種類型：熱靜力型(雙金屬片、膜盒和液體膨脹型等)、熱動(dòng)力型以及機(jī)械型疏水閥；而機(jī)械型疏水閥又根據(jù)浮子的不同細(xì)分為浮球型疏水閥和吊桶型疏水閥。

2 密封形式

疏水閥是一種特殊的閥門，其閥座的大小與對(duì)應(yīng)的管路尺寸大小沒關(guān)系，只與管路中凝結(jié)水的產(chǎn)生量及其工作壓力有關(guān)。因此在確定疏水閥密封結(jié)構(gòu)時(shí)，需考慮這兩個(gè)條件同時(shí)滿足。疏水閥的密封形式按照密封面的不同大致分為錐面密封、平面密封和球面密封。這幾種密封形式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及經(jīng)常應(yīng)用的疏水閥類型具體如下：

2.1 錐面密封

錐面密封又叫喇叭口密封，顧名思義閥芯閥座的密封面都為錐形或形似喇叭口，且閥芯和閥座的密封面有相同角度α(圖1)。一般在設(shè)計(jì)加工時(shí)，通常將角度α 確定為60°,90°或120°，這樣的角度設(shè)計(jì)不僅方便加工，而且密封性相比其他角度效果更好。錐面密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是密封可靠，容易加工成型；缺點(diǎn)則是對(duì)密封副的同心度要求較高，零件互換性差。

圖1

2.2 平面密封

平面密封常見于圓盤式蒸汽疏水閥，其運(yùn)動(dòng)部件與閥芯部件為一體，是一個(gè)圓盤。與其密封的閥座密封面通常也設(shè)計(jì)為一個(gè)平面(圖2)，因此閥芯閥座接觸形成一個(gè)平面密封。平面密封的優(yōu)點(diǎn)是利于介質(zhì)(流體)通過，缺點(diǎn)則是容易在密封面積累污物，閥座口部容易形成沖蝕。

圖2

2.3 球面密封

球面密封即閥芯的密封面為一個(gè)球面或一個(gè)球體，閥座的密封面為圓弧面，錐面或平面(圖3)。當(dāng)閥芯與球面閥座接觸時(shí)，兩者的接觸面形成的線密封。線密封的接觸面相對(duì)較窄，用在壓力高，漏氣量要求較低的場合。線密封的缺點(diǎn)則是對(duì)嵌入的球體或圓弧面的圓度有很高的要求，而且密封面容易壓潰。

圖3

3 影響密封性能的因素

3.1 壓差對(duì)密封性能的影響

疏水閥壓差即進(jìn)出口之間的壓力差，理論上壓力差和泄漏量一般成正比關(guān)系，即壓差越大，泄漏量也會(huì)相應(yīng)的增加，這種關(guān)系可近似表示為：

G- 泄漏量；

M，N，S- 常數(shù)系數(shù)，取決于材料及密封面加工質(zhì)量，密封面上的比壓和其他條件；

ΔP- 工作壓差; ΔP=P1-P2；

P1- 入口壓力；P2- 出口壓力。

3.2 密封比壓對(duì)密封副的影響

因?yàn)槭杷y是自力式閥門，啟閉頻繁，因此密封副材料只能選擇金屬材料。但在選擇金屬材料的同時(shí)，密封所需要的密封比壓就會(huì)相應(yīng)增大。一些疏水閥在工作中，會(huì)出現(xiàn)閥芯和閥座在關(guān)閉后又馬上開啟的情況，這是因?yàn)殚y芯的回座壓力大于閥芯的開啟壓力，即密封比壓不夠，造成了頻繁開閥。

密封面力的計(jì)算公式如下：

QMZ- 密封面上的作用力；

QMJ- 閥芯關(guān)閉時(shí)介質(zhì)作用在閥芯上的力；

P- 介質(zhì)的壓力，計(jì)算時(shí)取PN;

DMN- 閥座孔直徑，根據(jù)疏水閥排量確定閥座孔直徑；

bM- 閥座密封面寬度；(設(shè)計(jì)給定)

QMF- 密封面上密封力；

DMN- 密封面內(nèi)徑；(設(shè)計(jì)給定)

α- 密封面錐半角。(設(shè)計(jì)給定)

一般密封形式的不同，用于閥芯必須的密封力也不同。

3.2.1 平面密封

qMF- 密封的必須比壓；

3.2.2 錐面密封

3.2.3 球面密封

在校核密封面時(shí)，一般按介質(zhì)的壓力來確定比壓，因此用于密封的力是有限制的。要形成足夠的密封比壓，因而密封面的寬度，應(yīng)在材料允許的情況下，盡量設(shè)計(jì)的窄一點(diǎn)，減小密封帶面積。

3.3 密封面材料及硬度

在疏水閥日常運(yùn)行中，一部分疏水閥常常在開啟、排放、重新關(guān)閉后，會(huì)出現(xiàn)密封性變差并發(fā)生漏氣現(xiàn)象,這是因?yàn)殚y芯在關(guān)閉時(shí)流體對(duì)閥座密封面造成了沖擊，蒸汽及凝結(jié)水對(duì)密封面造成了沖蝕，以及閥芯不能準(zhǔn)確復(fù)位等因素引起的，因此我們?cè)诿芊飧毙问郊安牧系倪x用上都需要嚴(yán)格把關(guān)，選用的材料應(yīng)具有良好的耐腐蝕及耐沖蝕性能，且具有較高的強(qiáng)度。

3.3.1 鉻鎳鈦不銹鋼(奧氏體不銹鋼)。材料性能及其使用條件，常用牌號(hào)為06Cr18Ni11Ti，其耐腐性、耐沖蝕性和耐熱性能較好，適用于溫度≤600℃、公稱壓力≤6. 4MPa 的蒸汽、硝酸等介質(zhì)中。

3.3.2 密封面的材料:鉻不銹鋼。材料性能及其使用條件，常用牌號(hào)有20Crl3、30Crl3 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，耐腐蝕性能好。常用于溫度≤450℃、公稱壓力≤32MPa 的水、蒸汽和石油等介質(zhì)的閥門上。

3.3.3 密封面材料(堆焊合金)：對(duì)于一些結(jié)構(gòu)較小的閥芯閥座，可以選用司太立合金棒料來加工，對(duì)于一些雙平衡閥座閥芯的密封面可以通過堆焊一些貴金屬。例如:高鉻堆焊鋼、鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金。既降低了制造成本，還獲得了良好的工作性能，大大的提高了疏水閥的耐沖擊性。參考《NB/T 47044-2014 電站閥門一般要求》附錄L。

3.4 密封面粗糙度

密封面的粗糙度對(duì)密封起著至關(guān)重要的作用，在密封過程中，表面光潔度直接關(guān)系到漏氣率的大小，實(shí)驗(yàn)也證明：當(dāng)閥芯閥座的表面粗糙度較低時(shí)，蒸汽泄漏量會(huì)迅速的增加。因此為減小泄漏量，我們需要通過機(jī)加手段來提高密封面的表面光潔度。

在疏水閥密封件的加工中，一般都是通過車、銑、鉆、磨等機(jī)加手段來完成其外形的加工。并通過對(duì)材料進(jìn)行熱處理的方式來獲得我們?cè)O(shè)計(jì)所需的硬度?？紤]到部分機(jī)床加工精度較差，因此我們?cè)诹慵庸さ淖詈箢A(yù)留0.05-0.1mm 的平磨或外圓磨余量，方便去除車床加工密封面時(shí)留下的加工痕跡。待平磨工序完成后，再進(jìn)行一次研磨。因?yàn)檠心ナ潜砻嫘拚ば?，磨量很小，通常?.02-0.04mm 的余量。如余量過大，不僅延長研磨時(shí)間，使生產(chǎn)率降低，還可能因研磨時(shí)間過長而影響加工表面的幾何形狀精度。

對(duì)于一些密封面有錐度要求的閥座，除錐面車削成型外，還可以通過沖床沖壓成型來達(dá)到要求的錐度。在沖壓前，必須檢查壓頭、壓型模具及零件表面是否有鐵屑及顆粒等異物，并用干凈的布擦拭壓頭、零件及模具表面，待檢查完成后再進(jìn)行壓型，避免密封面因異物形成斑點(diǎn)及不平整。對(duì)于不能一次沖壓成型的錐面，可以通過多次沖壓來達(dá)到密封面要求。

3.5 啟閉件的剛性

關(guān)閉件的剛性和結(jié)構(gòu)也是影響疏水閥密封一大因素，由于金屬材料的特點(diǎn)不是絕對(duì)剛性，而是具有一定彈性的，因此在與介質(zhì)有關(guān)的壓力及溫度作用下，尺寸會(huì)發(fā)生變化，這也引起了密封面作用力的變化。為補(bǔ)償這些變化對(duì)關(guān)閉件密封性能的影響，最好是將密封面公差適當(dāng)放大，具有一定的間隙，使得材料受熱變形時(shí)不至于卡死。

以我公司實(shí)例說明：我公司給某用戶現(xiàn)場安裝了幾臺(tái)杠桿浮球式疏水閥，運(yùn)行幾個(gè)月后出現(xiàn)了疏水閥不工作的問題。售后服務(wù)人員現(xiàn)場拆卸后發(fā)現(xiàn)，疏水閥雙座平衡閥(圖4)出現(xiàn)了閥桿彎曲，支架與閥芯卡死的現(xiàn)象?，F(xiàn)場工作壓力4.5MPa,工作溫度257℃，經(jīng)返廠維修測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，閥座與支架間間隙預(yù)留量為0.025-0.089mm，重新計(jì)算材料熱膨脹變形后將間隙調(diào)整為0.19-036mm，供貨后再未出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

圖4

4 疏水閥密封副常見故障及解決方案

見表1。

表1 密封副常見故障及解決方案

5 結(jié)論

影響疏水閥密封性能的因素很多，我們只能在不斷探索中逐步發(fā)現(xiàn)并解決問題，以實(shí)現(xiàn)疏水閥產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，推進(jìn)我國蒸汽疏水閥行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。