控制閥門軟密封內件的改進

1、內容介紹：

在現代動力工廠電通過控制閥門的壓力降越來越高，使閥門在各種嚴峻工況下。長期存在的泄漏問題越來越受到人們的關注，流體控制閥門的姆溫礦造成的經濟損失很大，它不僅造成能源的浪費，更重要的是由于泄。漏會引起密封表面的溝蝕和產生渦穴，并由此引起閥很快失效和損壞。使整個生產過程中斷。

本文介紹一種無泄漏閥門的使用范例。這是在進給泵的循環系統中使用的，該閥在整個使用過程是處于關閉狀態，通過閥門的壓力降很大。閥門在這種工況條件下，如果閥座產生泄漏，就會出現一條泄道。當閥門密封內件表面出現這種泄道時，由于閥門前后的壓力降很大，流體就會從高的流速沖刷閥座表面。即使泄漏通道相當微小，也會由于流體高速沖刷而產生激烈磨蝕，使密封表面很快地出現蝕溝、造成閥門功能失效。

在現代工廠中，由于單進給泵再循環系統的閥門泄漏所造成的能量損失是相各可觀的，大約每釋能浪費100，600美元，如果再將因閥門報廢而形成的停工維修帶來的損失考慮進去，則會大大超過這個數值。

人們發現金屬閥座的閥門已經不能適應這種使用要求，而過去采用的軟密封閥座也只能有效地被用在少數的情況，這主要是受到密封材料本身的限制和軟閥座在流體中沖刷作用下難以定位的影響。

為解決這方面的難題，近些年來人們在軟密封結構設計方面進行了很多努力，也取得了一些進展和成功。現將一種新穎的能保證關閉性能的軟密封內件結構介紹如下，它能在閥門長期使用中保證泄漏量為零。

2、金屬閥座的使用情況：

當前在閥座密封方面有兩種常用的方法：金屬對金屬和金屬對軟材料閥座的密封。

金屬閥座的設計結構如圖1所示，它是在密封塞體和閥座之間采用不同的角度來實現線接觸密封的。采用這種方法時，驅動裝置的推力是作用在一個很小的窄條上，因此在閥座上所產生的應力也只是作用在很小的面積上，其局部應力值很大。從圖2中還可以看到，閥座接觸表面的微觀結構中存在著許多各式各樣的凸峰和凹溝，為了實現關閉時閥座完全不泄漏，其關閉力必須很大，以足夠使那些凸峰部位壓入到閥座表面里去，只有這樣才能保證塞體四周各部位形式完全密封接觸。這種密封接觸方式雖然能夠做到，但要想保證在幾次重復關閉中都能實現可靠的密封是不可能的。如果一旦出現了泄漏，則很快就會在密封面上發生蝕溝和渦穴現象，特別是在閥門用在壓力降很大的情況下，這種現象更會很快出現。

雖然采用硬質合金或．其它硬金屬閥座能夠具有良好的耐沖蝕能力，但在壓力降為l25巴的工況下，要想找到這種能保證不泄漏的金屬材料是不可能的。

從另外一方面看，要想做到一點不泄漏，必須要使關閉賽體和閥座的配合十分理想，這也是辦不到的，因為目前的機械加工能力不能制造出這樣的理想表面。

當前，金屬對金屬密封的閥座結構應用十分廣泛，而且大多數都能獲得滿意效果。但是把這種密封副結構是用在壓力差很大的場合時，就會出現眾多問題。其主要的一點是，這種工況使用條件下，必須要符合ANSIB16.104種關于6級泄漏標準要求，而金屬密封副對于這樣的標準是很難達到的。（參見附錄A中的允許泄漏率，該泄漏率是上述標準規定的）正是基于這種原因，使得閥門制造廠家開始轉向對彈性軟材料關注，相繼研究出一些不同材質的閥座蜜豐富，他們可以滿足在較高壓力降下的泄漏要求和壽命。

附錄A：

根據ANSIB.16.104的規定，通過閥門密封內件時所允許的*大泄漏率為：

試驗條件：試驗介質：空氣或氮氣
溫度：10—52℃
壓力：介質的公稱壓力或3.5巴

3、早期的軟閥座結構

所謂軟閥座結構是將彈性材料與關閉件做密封配合。(如圖3所示)當閥門處于關閉狀態時，塞體的凸起表面嵌入到彈性材料中，該處的彈性材料貝V變形包，圍住塞體表面，由此來確保嚴緊的密封效果。同時對于閥桿也不致于受到過大的推力，由此可見閥門在關閉時僅僅用適當的力就可以確保密封，而彈性材料本身也能夠持久地支承住這個關閉力。這一點對于開啟長期處于關閉的閥門特別有意義。

由于軟傭座表面不是發生長久性變形、所以能保證塞體和閻座多次重復啟閉時的密封性。此外又因為彈性材料的閥座能夠修正密封副在同心度方面的較小偏差，所以對于閥座和塞體的制造位置精度要求可以較低。

但是，這種形式的軟閥座結構也有一些弊端，首先奉難于限定關閉力的大小，即使當關閉件接觸到彈性閥座時，關閉動作也不能適當停止，因而角彈性材料容易出現長久性變形，尤其是當閥門長期處于關閉時，由于閥座長期受到過載壓力而使其出現長久變形，守且開啟后再關閉財就容易失效。

其次，，在閥門開啟過程中，由于閥座*外層表面起刻節流作用，而此時軟閥座要承受得大的壓力降，使得閥門在剛一打開的短時間內出現介質的高速流動，這將對閥座表面產生沖蝕，造成軟閥座表面的迅速破壞。

早期研制使用的這種軟閥座結構廣在現代工廠中的一般工況下，僅僅能維持幾次開關，而且也只限于使用在50毫米口徑以下和壓力降小于175巴的情況。對于口徑和壓力降大于上述參數的條件下，是會很快發生問題的，較大口徑的閥座往往很快出現溝蝕，并且由于高流速和大流量的原因還會造成閥座嵌入部位的脫離，而使整個閥座損壞。

4、自激式軟閥座結構

隨著動密封技術和所用材料的不斷發展，人們也試圖將這些技術和材料應用在閥門密封內件上，實即證明在有些場合下對于壓力于衡和穿閥座的應用方面疇實得到了成功。

圖4為自激式密封內件的典型結構，它是一種軟閥座的平衡式單閥座。在這種結的設計中是用一種彈性密封座來代替支承套中的金屬閥座，并在其中安置了一個支承彈簧。其工作原理是這樣的：當在閥體內腔表面有壓力作用時，密封閥座膨脹，使其與殼體和塞體底部接觸，這樣就可從利用閥體內部介質的壓力實現自激密封。從圖4可以明顯看出，彈簧是U形嵌入在軟閥座之內的，在其受內壓作用撐開時，可使閥座與內體，塞體緊緊相連，并實現6級的標準密封。這種U形的彈簧密封閥座不僅能提供—定的初始密封力，而且當閥門開啟時內座的外緣能夠保證離開塞體下端，使介質暢通。

雖然自激的U形彈簧能夠提供初始的密封接觸負載，但是主要的密封作角力還是來源于內部流體進入U形部位中所產生的張力，由此才確保可靠的關閉作用。

為了防止閥門關閉時出現過大的關閉壓力，在閥體中腔密封件中安裝了一個機械止動塊，該止動塊在閥門實現適當關閉時能保證塞體輕輕地與密封座接觸。如果一且出現軟密封失效時，該止動塊還可以起到補償作用。

這種密封形式可以成功地應用在75毫米口徑以上的閥門，壓力降可以達到300巴。但是，這里有個問題應該引起注意，一個是塞體與支承套之間的空隙不能太大，過大會導致密封失效。二是當閥門剛剛打開對的瞬間，在密封件外緣處分于介質產生較急的湍流，會造成密封件的振動，使密封材料出現疲勞破壞。

上述問題目前已通過在座環的內徑上方增設一個凸緣而得到解決，這樣就可以起到保護軟閥座的作用，如圖5所示，這種方法完全可以用在上述口徑和壓力的閥門中。

5、*近的研制情況

在進給泵再循環系統的閥門使用過程中，由于閥門泄漏造成的經濟損失已經引起人們的極大關注，隨看對于閥門泄漏問題的**解決，使得用戶節約了很多能源，同時這方面的課題研究也越來越受到重視。通過有關閥門設計人員的不斷研究，—使其認識到要想**成功地解決泄漏，還必須要想辦法將節流面遠離軟閥座，圖6則是基于這種想法的設計結構。

在該結構設計中，閥門的關閉組件是由一個主要的外寨體和一個內塞體組成，其中內塞體是由一組彈簧和帶有螺栓來支承的。當閥門關閉時，內塞體在彈簧作用下從外閥體中伸出，使其前面的金屬與閥座環的金屬部位相接，r實現閥門的關閉密封。

在閥座環本體中嵌入了一個彈性座環，當閥門開始實現關閉時，該內嵌座環被隔離于流體的關閉區域。這時的關閉作用是由內塞體接觸座環內表面實現的。是屬于金屬。對金屬的關閉阻止了介質的流動。這時如果繼續向下關閉閥門，則會壓縮介于內外。塞體間的彈簧，使外塞體的密封表面開始接觸閥座環的彈性嵌入座環，因而可實現滿足ANSI B16．104有關6級的密封要求。

閥門開啟過程是這樣的：驅動裝置開始上升提起外塞體，使其離開閥座的彈性嵌入座環，此時借助于內塞體與閥座環金屬部位的接觸而保持著密封性能。繼續實施開啟動作就使內寨體脫離開閥座，介質流通。采用這種結構可以實現二次啟閉動作，從而保護了彈性閥座，使其免受因介質流動而造成的湍流和溝蝕的損傷。

這種軟閥座密封內件結構的成功運用，主要是利用了熱塑聚合物技術的發展，目前這種熱塑材料在機械性能方面已經能夠與錫比美，因此可以用它作為主要的彈性材料用于密封元件。下面的附錄B列出了一種這樣材料的主要機械性能。

6、介質中來帶的固體顆粒

附錄B：一種軟閥座用彈性材料的主要物理性能。

對于閥門設計人員來說，當考慮將這種軟密封技術應用在流體輸送中時，有一個問題是應該引起注意的，這就是流體介質中所夾帶的固體顆粒，雖然這種現象對于所有的閥門在設計時都應給予考慮，但對于軟閥座的閥門則是關系更為重要。這主要是因為介質中夾帶的固體顆粒時，極容易卡止在塞體和閥座中間，妨礙了閥座的密封，會引起泄漏，繼而由于介質的高速沖刷而使閥座表面被沖蝕破壞。

對于上述具有二級關閉作用的軟閥座密封裝置，即使出現了這種克里卡旨在內塞體的金屬與閥座金屬部位之間，也不會有什么危害，因為還有外塞體與軟閥座能起到補充密封作用。

大多數軟閥座結構的閥門能夠適用于密度不大，直徑小于1.5毫米的固體顆粒。從另外一方面看，對于金屬發作來說，如果遇到固體顆粒的硬度大于塞體或閥座表面時，就會完全破壞閥門的關閉性能。一般來說，處理這種問題可以采用泵進行抽空過濾，但這種辦法的主要缺點是在過濾網下游的管子中的鐵銹、焊渣都會借此進入到閥門中，這種現象在開始抽濾階段就可以在閥座上明顯表現出來。要想防止上述現象的發生，可以利用在閥座上貼合一個過濾元件，而且還可以將它做為整個閥門密封組件的一部分，如圖7所示。從圖中我們可以看到，這個過濾元件位于閥座環的下面，是被一組凹頭帶肩的螺釘固定的。該過濾元件能夠擋住對閥座有損害的較大尺寸的固體顆粒，而一些細小的顆粒雖然能夠通過該元件，但不能引起閥座損壞，因為前面已經提到，軟閥座能夠適應直徑小于1.5毫米以下的固體顆粒。

這種過濾元件在設計時應該考慮到它的可拆性，以便進行情洗。對于進給泵再循環介質來說這一點很重要，因為介質始終要保持一定的小流量。除此之外，還要考慮到過濾元件的**保險性能，即能夠在較多顆粒被擋住時，也就是說當通過閥門的介質壓力降明顯增大時，該過濾元件能夠自動破裂，因為只有這樣才能保證整個再循環系統的主要作用，即保證總有較少的介質流經泵。

7、結論

隨著閥門產品苛刻的使用條件不斷增強，對閥門結構設計的要求也不斷提高，同時也促進了工程材料的發展。由于對閥門各種特殊需求，要求生產廠家不斷地研制密封部件，以滿足現代工業發展的需要。

圖8是一種用于進給泵再循環系統中的*新結構閥門。該閥的密封內件是根據壓力分布原理而設計的，當流體流經密封組件產生壓力降時不出觀渦流現象，(壓力降一股容易引起渦流)該密封內件利用金屬閥座和軟閥座二次密封來實現6級關閉性能，同時還裝備了過濾元件以避免因其它物體而造成設備損壞。

這種特殊的閥門目前已成功地被大量應用在進給泵再循環水的控制系統中，而且將考慮把它正式用在節能方面。