不銹鋼硬密封球閥密封原理

                                     上海申弘閥門有限公司

之前介紹水過濾器在恒通環(huán)保應用，現(xiàn)在介紹不銹鋼硬密封球閥密封原理本文對不銹鋼球閥的密封結(jié)構(gòu)作了初步探討。重點分析了球閥主密封結(jié)構(gòu)的形式，密封材料的選擇等影響球閥密封性能和使用性能、可靠性的因素，提出了彈性脹圈和聚四氟乙烯唇式密封座組成的組合型密封座的結(jié)構(gòu)形式。球閥以其*的特點，廣泛應用于各種管路系統(tǒng)的快速切斷、改變介質(zhì)流向和自動控制，可采用手動、電動或氣動等驅(qū)動方式。球閥的典型結(jié)構(gòu)(未考慮驅(qū)動方式)。硬密封球閥分類：單向密封：只能在規(guī)定的方向即球閥標示的密封方向密封。 雙向密封：在兩個方向上都能密封      
 結(jié)構(gòu)形式： 球閥的結(jié)構(gòu)形式分為浮動球式和固定球式，連接形式為法蘭連接、焊接連接及螺紋連接。
      具有普通球閥的各項性能指標外、還特具備了耐高溫、耐摩擦和雙流項進、出口 自密封功能，其中二塊式還備有了出口單向密封、由不銹鋼彈簧來調(diào)節(jié)閥座，使閥門的扭矩更加均衡，閥門在 高頻率、高溫差、高壓差的條件下，開關(guān)性能穩(wěn)定。
     在球閥的使用性能中，密封性是其主要指標之一。球閥的密封結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，其一為主、副閥體間的密封，由密封調(diào)整墊片實現(xiàn)；其二為主閥體與閥桿間的密封，由標準“V”形填料或 0 形密封圈實現(xiàn)，組成球閥的外密封結(jié)構(gòu)。其三為球體與主、副閥體間的密封，由密封座實現(xiàn)，組成球閥的主密封結(jié)構(gòu)。主密封結(jié)構(gòu)的密封性影響球閥的工作性能，是球閥設(shè)計和制造中關(guān)鍵的密封結(jié)構(gòu)。本文將重點討論球閥主密封的非金屬密封(又稱軟密封)結(jié)構(gòu)問題。

1 不銹鋼硬密封球閥密封原理球閥的密封性要求球閥的密封性指標由內(nèi)泄漏和外泄漏要求確定，國家標準規(guī)定非金屬密封球閥的密封性按 GB/T13927《通用閥門壓力試驗》的 A 級執(zhí)行，要求“在試驗持續(xù)時間內(nèi)無可見泄漏”；航天行業(yè)標準規(guī)定地面氣體管路系統(tǒng)用球閥“在 0.05MPa 和 1.1 倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓 3min ，內(nèi)泄漏率應不大于 3×10-5Pa•m3/s(無氣泡逸出)；在 1.1 倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓 3min ，外泄漏率應不大于 1×10-5Pa•m3/s(無氣泡逸出)。”

2 影響球閥密封性的主要因素影響球閥密封性的主要因素有密封面的粗糙度和球體圓度參數(shù)。*，無論采用如何的加工技術(shù)，都不可能*消除球體的圓度誤差及密封面的微觀缺陷，因此，為了達到良好的密封效果并保證加工過程可以實現(xiàn)，必須確定合適的密封面粗糙度和球體圓度參數(shù)值。有關(guān)資料，球體密封面的粗糙度 Ra 值大允許值為 0.4µm；密封座粗糙度 Ra 值在以聚四氟乙烯為密封材料時大允許值為 0.8µm。球面的圓度公差，按 GB/T1184 附表 2 的 6 級精度較為合適。3 球閥主密封結(jié)構(gòu)分析早期的球閥，一般采用金屬材料作為密封結(jié)構(gòu)(又稱硬密封)，隨著工程塑料技術(shù)的發(fā)展，尤其是聚四氟乙烯的出現(xiàn)，使球閥密封結(jié)構(gòu)有了一種較為理想的密封材料。常見的球閥主密封結(jié)構(gòu)的軟密封形式有剛性密封座、帶彈性元件的密封座、聚四氟乙烯唇式密封座和彈性脹圈與聚四氟乙烯唇式密封座組成的組合型密封座等形式。唇式密封座具有的唇形結(jié)構(gòu)，使其具有較好的彈性，在使用中可保證密封面的預壓縮量并可對密封面的預壓縮量進行補償而優(yōu)于剛性結(jié)構(gòu)。但使用中發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯的彈塑性變形能力及在溫度變化條件下的穩(wěn)定性仍不十分理想，且具有較大的冷流趨向；同時，由于球閥的使用壓力變化范圍較大，因此，采用聚四氟乙烯作為密封材料制成的唇式密封座，在較低壓力條件下或使用中仍易產(chǎn)生泄漏。解決這一問題的方式為采用彈性脹圈與聚四氟乙烯唇式密封座組成的組合型密封座，它可依靠金屬材料彈性脹圈良好的彈塑性變形能力，增強其整體的彈塑性變形能力和補償能力，提高球閥的密封能力。3.1 球閥密封條件要保證球閥達到規(guī)定的密封要求，須借助介質(zhì)的壓力推動球體(浮動式球閥)或密封座(固定式球閥)產(chǎn)生微小位移，使密封座表面產(chǎn)生一定的彈塑性變形，形成必要的密封比壓。密封比壓過高將會導致密封座所受比壓超過材料的許用比壓而損壞，使密封失效，還會導致操作力矩升高而影響動作性能；過低則會使密封座表面的彈塑性變形量不足以補償球體的加工誤差，導致主密封不能達到規(guī)定的密封要求。

球閥的密封條件為：qMF < q < [q]式中：qMF — 保證密封所必須的密封面比壓； [q] — 密封面的許用比壓；q — 計算的實際比壓。3.2 浮動式球閥的密封機理所示，由于球體下端無固定支承，浮動式球閥關(guān)閉時，在介質(zhì)壓力作用下，球體將產(chǎn)生一定的浮動量(位移)，離開人口端密封座而壓緊在出口端密封座上，使介質(zhì)在出口端密封座受到阻截。即浮動式球閥實際上只有出口端密封座發(fā)揮密封作用，而入口端密封座與球體間保持一很小的浮動間隙。3.3 固定式球閥的密封機理高壓或公稱通徑 DN≥200mm 的球閥，常采用固定式結(jié)構(gòu)。固定式球閥的球體不產(chǎn)生浮動量，可保證雙向密封，使閥門的操作扭矩降低；密封座上的載荷波動幅度較小。固定式球閥可分為球前密封式(入口密封式)和球后密封式(出口密封式)
鍛鋼硬密封球閥具有普通球閥的各項性能指標外、更*的材質(zhì)密度能更適用于易燃易爆的介質(zhì)，并且還特具備了耐高溫、耐摩擦和雙流項進、出口自密封功能，其中二塊式還備有了出口單向密封、由不銹鋼彈簧來調(diào)節(jié)閥座，使閥門的扭矩更加均衡，閥門在 高頻率、高溫差、高壓差的條件下，開關(guān)性能穩(wěn)定。
1、概述  
    在火力發(fā)電廠、石油化工系統(tǒng)、煤化工領(lǐng)域，溫度超過200℃，或者高粘性流體、帶粉塵及固體顆粒狀的混合流體、強腐蝕的流體等介質(zhì)中，球閥需要選用金屬硬密封球閥，所以選用合適的金屬硬密封球閥閥球和閥座的硬化工藝十分重要。
2、金屬硬密封球閥閥球和閥座的硬化方式
    目前金屬硬密封球閥球體表面常用的硬化工藝主要有以下幾種：
    （1）球體表面堆焊硬質(zhì)合金，硬度可達40HRC以上，球體表面堆焊硬質(zhì)合金工藝復雜，生產(chǎn)效率低，且大面積堆焊易使零件產(chǎn)生變形，目前對球體表面堆焊的工藝使用較少。  
（2）球體表面鍍硬鉻，硬度可達60～65HRC，厚度0.07～0.10mm，鍍鉻層硬度高、耐磨、耐蝕并能保持表面光亮，工藝相對簡單，成本較低。但硬鉻鍍層的硬度在溫度升高時會因其內(nèi)應力的釋放而迅速降低，其工作溫度不能高于427℃。另外鍍鉻層結(jié)合力低，鍍層易發(fā)生脫落。
    （3）球體表面采用等離子氮化，表面硬度可達60～65HRC，氮化層厚度0.20～0.40mm，等離子氮化處理硬化工藝由于高溫氮化反應后耐腐蝕性較差，不能在化工強腐蝕等領(lǐng)域使用。
   （4）球體表面超音速噴涂（HVOF）工藝，硬度高可達70～75HRC，集合強度高，厚度0.25～0.4mm，超音速噴涂也是球體表面硬化主要工藝手段之一。
在火力發(fā)電廠、石油化工系統(tǒng)、煤化工領(lǐng)域的高粘性流體；帶粉塵及固體顆粒狀的混合流體、強腐蝕的流體介質(zhì)中大部分使用該硬化工藝。
    超音速噴涂工藝是氧燃料燃燒產(chǎn)生高速氣流加速粉末粒子撞擊工件表面，形成致密表面涂層的一種工藝方法。在撞擊過程中，由于粒子的速度較快（500～750m/s）且粒子溫度較低（-3000℃），因此撞擊工件表面后，可以獲得高結(jié)合強度、低空隙率、低氧化物含量的涂層。HVOF的特點是合金粉末粒子速度超過音速，甚至是音速的2～3倍，氣流速度是音速的4倍。
    HVOF是一種新的加工工藝，噴涂厚度0.3～0.4mm，涂層與工件之間是機械結(jié)合，結(jié)合強度高（77MPa），涂層孔隙率低（＜1%）。該工藝對工件加熱溫度低（＜93℃），工件不變形，可進行冷噴涂。噴涂時，粉末粒子速度高（1370m/s），無熱影響區(qū)，工件的成分和組織無變化，涂層硬度高，可進行機加工。
    （5）球體表面等離子噴焊工藝，硬度高可達55～65HRC（NI55、NI60、NI65），集合強度高，厚度0.40～0.5mm，離子噴焊工藝是球體表面硬化主要工藝手段。噴焊是一種金屬材料表面熱噴涂處理工藝。它是通過熱源將粉末（金屬粉末、合金粉末、陶瓷粉末均可）加熱到熔融或達到高塑性狀態(tài)后，依靠氣流將其噴射，沉積到預先處理過的工件表面上，形成一層與工件表面（基材）結(jié)合牢固的涂（焊）層。  
3、硬密封球閥閥球和閥座接觸面的硬度配合
    上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥,蒸汽減壓閥金屬滑動接觸面需具有一定的硬度差，否則容易發(fā)生咬死現(xiàn)象。在實際運用中，一般閥球和閥座的硬度差在5～10HRC，該硬度差使球閥能具有較好使用壽命。由于球體加工復雜，加工成本高，為保護球體不易受到損壞和磨損，一般選擇球體的硬度高于閥座表面的硬度。
    閥球和閥座接觸表面硬度配合使用比較廣泛的有兩種硬度配合：1、閥球表面硬度55HRC，閥座表面45HRC，閥球表面可采用超音速噴涂Slite20合金，閥座表面可采用堆焊Slite12合金或者噴焊Slite6合金，該硬度配合是金屬密封球閥使用廣范的硬度配合，能滿足金屬硬密封球閥常規(guī)磨損要求；2、閥球表面硬度68HRC，閥座表面58HRC，閥球表面可采用超音速噴涂碳化鎢，閥座表面可采用超音速噴涂Slite20合金，該硬度配合廣泛使用與煤化工領(lǐng)域，具有較高的耐磨性和使用壽命。3、常用的噴焊在球體部分表面噴焊硬度為60HRC的NI60，在閥座部分表面噴焊硬度為55HRC的NI55，兩種合金硬度差~5HRC左右配合。
    在專業(yè)的研磨技術(shù)下，在國內(nèi)外有使用閥球和閥座表面硬度相同的配合，閥球和閥座表面均采用超音速噴涂碳化鎢工藝，表面硬度均大于72HRC，即使在超高硬度情況下，閥球和閥座接觸表面也不易發(fā)生咬死。

4、硬密封球閥閥球和閥座硬化注意問題
    金屬硬密封球閥閥球和閥座材料一般都選擇不銹鋼或耐腐蝕材料，否則硬質(zhì)合金與閥座（或閥球）結(jié)合層容易被介質(zhì)腐蝕，發(fā)生硬質(zhì)合金層脫落，影響球閥壽命。噴焊和堆焊硬化工藝中硬質(zhì)合金與基體均具有熔融過程，硬質(zhì)合金與基體集合處有熱融區(qū)，噴焊NI60系列由于1500度噴焊火焰作用下，合金粉與A105材料結(jié)合強度與結(jié)合力更好。，所以適用于碳素鋼A105材質(zhì)表面硬化。
    另外針對不同的閥座（或閥球）材料應選擇合適的硬化工藝，在煤化工領(lǐng)域中雙相不銹鋼材料被廣泛使用，雙相不銹鋼材料具有良好的耐腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能。
    雙相不銹鋼材料是一種既具有鐵素體又具有奧氏體組織結(jié)構(gòu)的鋼種，鐵素體和奧氏體組織結(jié)構(gòu)各占約50%，且二相組織是獨立存在的，其性能特點是兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特性。在鐵素體不銹鋼特性中，當溫度在400～500℃范圍內(nèi)，長時間保溫會產(chǎn)生強烈的脆化，這種現(xiàn)象一般稱為475℃脆化；溫度超過400～500℃時，雙相不銹鋼性能會被破壞。
    雙相不銹鋼材料若采用噴焊或堆焊硬質(zhì)合金工藝方法，該工藝硬質(zhì)合金和基體發(fā)生融溶過程（溫度一般均大于900℃），會破壞雙相不銹鋼材料的金相組織，故雙相不銹鋼材料不適合用噴焊（或堆焊）硬質(zhì)合金的硬化工藝。雙相不銹鋼材料表面硬化工藝適合使用進行冷噴涂超音速噴涂工藝，硬化工藝必須保證不能對雙相不銹鋼材料基體金相組織產(chǎn)生破壞。本公司推出球體表面進行冷噴涂超音速噴涂哈氏合金或者司太立合金工藝，配合并滿足雙相不銹鋼表面硬化以及耐腐蝕要求。
   4、 金屬硬密封球閥的閥球和閥座采用合理的硬化工藝，可提高直接決定金屬硬密封閥門的使用壽命和使用性能。
3.4 密封座的預壓縮考慮為了保證球閥在介質(zhì)工作壓力較低時的密封性，球體和密封座間必須形成一定的預緊比壓。在剛性密封座中，球閥工作的可靠性和使用壽命取決于正確選擇密封座的預壓縮量。預壓縮量不足，不能保證球閥的低壓密封性；預壓縮量過大，會導致球體與密封座間的摩擦力矩增加，影響球閥的動作性能；并可能引起密封座的塑性變形，導致密封失效。對于聚四氟乙烯密封座，其預緊比壓一般應為 0.1PN，且不小于 1.02MPa 。剛性密封座預壓縮量的調(diào)整靠改變密封調(diào)整墊片的厚度實現(xiàn)，密封調(diào)整墊片加工的誤差會影響調(diào)整的效果；合理的裝配與調(diào)整是獲得良好密封性的關(guān)鍵。在使用中，密封座磨損后，預緊比壓的自動調(diào)節(jié)能力很差，因此剛性密封座結(jié)構(gòu)球閥的使用壽命相對較短。解決問題的途徑之一是采用帶彈性元件的密封座。此時，預壓縮量的獲得與調(diào)整不再依靠密封調(diào)整墊片而由彈性元件來實現(xiàn)。帶彈性元件的密封座除可獲得必要的預壓縮量外，還可在彈性元件的彈性變形范圍內(nèi)對預緊比壓進行補償，因此，球閥的使用壽命相對較長。球體帶有固定軸的球閥，稱為固定球閥。固定球閥主要用于高壓大口徑。根據(jù)閥座密封圈的安裝不同，固定球閥可以有兩種結(jié)構(gòu)：球體前密封的閥座，球體后密封的閥座。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：控制閥泄漏率試驗方法