單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
1 介紹
調(diào)節(jié)閥（也稱為控制閥control valve）是過(guò)程控制回路的終端控制元件，但也是系統(tǒng)過(guò)程控制回路中較為薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)閥按調(diào)節(jié)型式可以分為調(diào)節(jié)型、調(diào)節(jié)切斷型和切斷型3類，其中調(diào)節(jié)切斷型和切斷型的調(diào)節(jié)閥，泄漏量必須達(dá)到ASME B16. 104VI級(jí)（即氣泡級(jí)）的要求。調(diào)節(jié)切斷型調(diào)節(jié)閥通常采用軟密封結(jié)構(gòu)才能做到VI級(jí)泄漏量的要求。本文針對(duì)直行程調(diào)節(jié)閥中用量最多，多數(shù)廠家都在生產(chǎn)的單座調(diào)節(jié)閥的軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析探討。
2 結(jié)構(gòu)分析
2.1 傳統(tǒng)的單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
20世紀(jì)80年代開(kāi)始，隨著我國(guó)改革開(kāi)放政策的貫徹和落實(shí)，一些調(diào)節(jié)閥制造廠引進(jìn)了國(guó)外著名調(diào)節(jié)閥廠商的技術(shù)和產(chǎn)品，使我國(guó)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品的品種和質(zhì)量得到明顯提高。其中具有代表性的是日本山武公司的Cv3000系列調(diào)節(jié)閥，如Cv3000系列中的HTS單座調(diào)節(jié)切斷型調(diào)節(jié)閥（即軟密封）的典型結(jié)構(gòu)（圖1）。調(diào)節(jié)閥的軟密封環(huán)通過(guò)閥瓣頭和螺釘鑲嵌到閥瓣柄中，閥座通過(guò)螺紋連接擰緊在閥體上。
1 閥體 2 閥座 3 閥瓣頭 4 軟密封環(huán) 5 螺釘 6 閥瓣柄
圖1 傳統(tǒng)單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)
當(dāng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，閥座的凸起表面嵌入到軟密封環(huán)中（軟密封環(huán)通常由聚四氟乙烯等彈性材料制成），該處的彈性材料變形包圍住閥座凸起表面，由此確保可靠的密封效果，同時(shí)閥桿也不至于受到過(guò)大的推力。由此可見(jiàn)，閥門在關(guān)閉時(shí)僅僅用適當(dāng)?shù)牧涂梢源_保密封，而彈性材料本身也能夠持久地支承住這個(gè)關(guān)閉力。這一點(diǎn)對(duì)于開(kāi)啟長(zhǎng)期處于關(guān)閉的閥門特別有意義。由于彈性材料表面不是發(fā)生永久性變形，所以能保證閥座和閥瓣多次重復(fù)啟閉時(shí)的密封性。此外又因?yàn)榍度霃椥圆牧系拈y瓣能夠修正密封副在同心度方面的較小偏差，所以對(duì)于閥瓣和閥座的制造位置精度要求可以較低。
但是，這種形式的軟密封結(jié)構(gòu)也有一些弊端。首先是難于限定關(guān)閉力的大小，即使當(dāng)閥瓣軟密封環(huán)接觸到閥座時(shí)，關(guān)閉動(dòng)作也不能及時(shí)停止，因而使彈性材料容易出現(xiàn)永久性變形，尤其是當(dāng)閥門長(zhǎng)期處于關(guān)閉時(shí)，閥瓣軟密封環(huán)長(zhǎng)期受到過(guò)載壓力而使其出現(xiàn)永久變形，開(kāi)啟后再關(guān)閉時(shí)就容易失效。其次，在閥門開(kāi)啟過(guò)程中，由于閥瓣的節(jié)流作用，使得閥門在剛一打開(kāi)的短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)介質(zhì)的高速流動(dòng)，此時(shí)軟密封環(huán)要承受很大的壓力降，這將對(duì)軟密封環(huán)表面產(chǎn)生沖蝕，造成其表面的迅速破壞。因此，該軟密封結(jié)構(gòu)通常被限制在壓力降小于3MPa的場(chǎng)合下使用。
另外該結(jié)構(gòu)在裝配、拆卸和維修方面也有極大的缺陷。首先軟密封環(huán)是通過(guò)閥瓣頭和螺釘擰緊嵌入到閥瓣柄中，為了保證螺釘不松脫，在裝配時(shí)通常要在螺釘上涂上合適的固化膠或者采用沖鉚、點(diǎn)焊的方法固定螺釘，這就給再次拆卸更換軟密封環(huán)時(shí)帶來(lái)極大的不便。其次是閥座采用螺紋連接，需要專用工裝才能夠裝配和拆卸，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)維修極為不便。
2.2 改進(jìn)型軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，用戶希望獲得更高質(zhì)量的閥門，同時(shí)也要求提高閥門的使用、維修水平。這就對(duì)工程技術(shù)人員提出了新的要求，除了要精心設(shè)計(jì)出高質(zhì)量和高水平的閥門，合理選用和正確操作之外，還要方便維修人員的維修和拆卸，方便快捷，使各類事故及維修時(shí)間降到最低限度。于是，對(duì)于單座調(diào)節(jié)閥來(lái)說(shuō)，就出現(xiàn)了圖2所示的改進(jìn)型軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，用金屬擋環(huán)和軟密封環(huán)代替了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中用螺釘固定嵌入式軟密封環(huán)的設(shè)計(jì)，用壓套和閥座密封墊直壓式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)代替了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中閥座采用螺紋連接的設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)閥瓣和閥座達(dá)到最后關(guān)閉位置時(shí)，閥瓣給閥座的部分力由金屬擋環(huán)承擔(dān)，并直接傳到閥座，這樣就排除了軟密封環(huán)因過(guò)載而損壞，而且金屬擋環(huán)還提供了一定的輔助密封作用。直壓式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也改變了需要專用工裝才能拆卸的螺紋連接閥座設(shè)計(jì)，裝配與拆卸、現(xiàn)場(chǎng)維修與更換都十分方便。
改進(jìn)型軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也存在一定的缺點(diǎn)。首先，軟密封環(huán)一旦失效，金屬擋環(huán)也只能起到暫時(shí)的密封，必須要盡快更換。另外，如果介質(zhì)中帶有固體顆粒時(shí)，極容易卡在閥瓣和閥座中間，妨礙了閥座的密封，會(huì)引起泄漏，繼而由于介質(zhì)的高速?zèng)_刷而使閥座表面被沖蝕破壞。
2.3 新型軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了彌補(bǔ)上述結(jié)構(gòu)的不足，出現(xiàn)了如圖3所示的新型單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
新型結(jié)構(gòu)中，密封副采用金屬密封和聚四氟乙烯彈性密封雙密封設(shè)計(jì)。金屬密封閥座可起支撐作用，防止軟密封環(huán)因壓力過(guò)大而被壓碎。軟密封環(huán)由彈性O(shè)形圈支撐并受到金屬壓圈的保護(hù)，附加的金屬壓圈免除了軟密封元件過(guò)載的危險(xiǎn)，這樣就是經(jīng)過(guò)50萬(wàn)次的開(kāi)關(guān)后還能做到氣泡級(jí)（VI級(jí)）密封，點(diǎn)滴不漏。
圖4為閥門全關(guān)狀態(tài)，金屬密封與彈性密封同時(shí)作用，密封嚴(yán)密、可靠。
圖5為閥門全開(kāi)狀態(tài)，彈性軟密封環(huán)恢復(fù)彈性。
在閥門剛剛打開(kāi)的瞬間，在密封件外緣處由于介質(zhì)產(chǎn)生較急的湍流，會(huì)造成密封件的振動(dòng)，使密封材料出現(xiàn)疲勞破壞。新型結(jié)構(gòu)中由于金屬閥座環(huán)凸緣的保護(hù)，軟密封環(huán)不會(huì)受流體的沖刷，不易損壞。
對(duì)于夾帶固體顆粒的流體介質(zhì)，軟閥座閥門的密封結(jié)構(gòu)更為重要。這主要是因?yàn)榻橘|(zhì)中夾帶有固體顆粒時(shí)，極容易卡在閥瓣和閥座的密封面之間，妨礙了閥座的密封，會(huì)引起泄漏，繼而由于介質(zhì)的高速?zèng)_刷而使閥座表面被沖蝕破壞。對(duì)于上述具有二級(jí)關(guān)閉作用的軟閥座密封結(jié)構(gòu)（圖6），即使出現(xiàn)了這種顆粒卡在閥瓣和閥座金屬密封部位之間，也不會(huì)有什么危害，因?yàn)檫�有閥瓣和軟閥座之間的密封，仍能起到可靠有效的補(bǔ)充密封作用。
3 結(jié)語(yǔ)
隨著閥門產(chǎn)品苛刻的使用條件不斷增強(qiáng)，對(duì)閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也不斷提高，同時(shí)也促進(jìn)了工程材料的發(fā)展。由于對(duì)閥門各種特殊需求，要求生產(chǎn)廠家不斷地研制出新型的密封部件，以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。新型單座調(diào)節(jié)閥軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以成功地應(yīng)用在口徑為25㎜以上的閥門，壓力降可以達(dá)到30MPa，具有防火安全，密封可靠，裝配、拆卸和維修方便等特點(diǎn)，值得廣泛推廣和應(yīng)用。
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