超高压截止阀阀杆轴向密封力的分析

文章编号 : 100225855 (2010) 0120009203 作者简介 :袁菊霞 (1971 - ) ,女 ,工程师 ,从事水泵、阀类等相关产品技术工作。 超高压截止阀阀杆轴向密封力的分析 袁菊霞 1 ,张海亮 2 (11东辉塑胶 (上海 )有限公司 ,上海 201402; 21上海凯士比泵有限公司 ,上海 200245) 　　摘要 　阐述了超高压截止阀在不同密封型式下轴向力的计算及其确定并加以论证 ,分析了超 高压截止阀的密封机理和密封面加工精度对截止阀轴向力的影响以及密封副材料的选用。 　　关键词 　超高压截止阀 ;密封副 ;密封比压 ;屈服极限 ;粗糙度 ;硬质合金 　　中图分类号 : TH134　　　　文献标识码 :A Analysis of ax ia l sealing force on the va lve2stem of Ultra2high pressure globe valve YUAN JU 2x ia1 , ZHAN G H ai2liang2 (1. D onghui p las tic (Shanghai) Co. , L td, Shanghai 201402, Ch ina; 2. KSB Shanghai Pum p Co. , L td, Shanghai 200245, Ch ina) Abstract:D escrib ing the ca lcu la tion of u ltra2h igh p ressure va lve in d iffe ren t sea ling types under the ax i2 a l fo rce and to determ ine a deta iled exp lanation and dem onstra tion; ana lyz ing u ltra2h igh p ressure g lobe va lve sea l m echan ism , the sea ling su rface m ach in ing accuracy on ax ia l va lve inf luence, as w ell as the cho ice of trim m ateria l. Key words: u ltra2h igh p ressure g lobe valve; trim; sea ling spec if ic p ressure; y ie ld lim it; roughness; car2 b ide 1　概述 超高压截止阀密封副材料通常为金属对金属 , 为了使截止阀关闭时密封严密 ,必须提高密封面的 加工精度和粗糙度等级 ,并且对密封面施加非常大 的轴向密封力。然而 ,轴向密封力并非越大越好。 有一种观点认为超高压截止阀 (≥300MPa)应为塑 性法密封 ,且大都采用锥面线性密封。所谓塑性法 密封 ,就是密封面的密封比压等于密封副软材料的 屈服极限 ,使结合面紧密接触 ,利用软材料的塑变而 堵塞硬件表面的不平处 ,形成近似理想平面 ,并产生 等于软材料屈服极限的反力而保持密封。 2　轴向力分析 阀杆轴向力主要取决于密封面的总作用力 ,阀 门设计中确定密封面总作用力的关键参数是密封比 压。但是在超高压截止阀的锥面线密封情况下 ,其 轴向力 Q在无介质压力关闭时所产生的密封比压 q 是否可以大于密封副软材料的屈服极限δs ,在有介 质压力关闭时的密封比压 q是否一定等于δs ,本文 将讨论 q的合适值。 211　无压关闭 无压关闭的弹性阀杆以及有压关闭情况下 ,超 高压截止阀常用的锥面密封副其轴向力 Q为 Q =QM F +QM j (1) 式中 　QM F ———密封力 , N QM j ———密封面处克服介质压力的作用力 , N 如果 Q F2 =δs (2) 那么 ,在有介质力作用情况下必然产生 Q - QM j F2 <δs (3) 这对于小口径 (DN < 6)的阀更是如此。 因此 ,在无压关闭时 ,如果产生的密封比压 q = δs ,则在有压情况下所产生的密封比压 q <δs。反 之 ,要使有介质作用力情况下的密封比压 q =δs ,则 在无压关闭时的密封比压 q >δs。而且 ,即使在有介 质作用力情况下 q <δs ,在无压关闭时的密封比压也 可能 ≥δs。 为了保证在有介质压力条件下超高压截止阀能 —9—2010年第 1期 　　　　　　　　　　　　　　　　　阀 　　　门 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 够使阀瓣和阀座副密封 ,在无介质压力时 ,作用在密 封面上的最大受力强度必须要大于δs。 　　当阀瓣关闭时 ,阀座 (或阀瓣阀座 )的表层发生 了冷作硬化现象 (图 1) ,在金属基体层外形成了较 厚的弹性层和较薄的畸变层 ,在畸变层中 ,由于晶格 的畸变等复杂的物理变化 ,其表面硬度增到原零件 材料硬度的 118～2倍 ,而对于 300MPa等级的超高 压阀用钢 (如 40CrN iMoA ) ,其受力强度大大超过了 δs 值 ,甚至超过了强度极限δB ,日本的山武 - 霍尼 威尔公司 (简称山武公司 ,下同 )在计算 350MPa超 高压阀单侧透镜垫式密封时 ,提出无负荷 (内压 = 0)的关闭力 F′为 F′= qp πdm N r sin (α+μ) cosμ (4) 式中 　qp ———无负荷时 ,阀座密封面压力 ,MPa qp = 115δs (5) dm ———密封面平均直径 , mm α———密封面角度 (°) μ———密封部位的摩擦角 , (°) N r ———阀座密封面宽度 , mm 式 (5)说明 ,无介质压力时作用在密封面的最 大受力强度是 115δs。 图 1　材料表层的冷作硬化现象 212　密封机理 在无压关闭的弹性阀杆或有压关闭的情况下 , 有狭面密封和线密封两种状态。 (1)狭面密封 狭面密封时 ,轴向力 Q′根据日本住友化学公司 (简称住友公司 )提供的经验公式计算为 Q′=QM j δs δs - 113p (6) 由式 (6)可以推得 δs > 113p。在有负荷时 ,轴 向力必须克服介质作用力和提供密封压力 ,山武公 司给出此时轴向力的计算公式为 F = π 4 dm 2 p + q′πdm N r sin (α +μ) cosμ (7) 式中 　p———介质压力 ,MPa q———有负荷情况下 ,阀座密封面压力 ,MPa q = 215p (8) 考虑式 (4)和式 (7)的关系 ,则必须有 F′= F qp > q′ (9) 根据式 (5)、式 (8)和式 (9) ,可以对超高压截止 阀在有介质压力作用的关闭状态下的密封机理提出 这样的假设 ,密封面接触是一种狭面的塑变状态。 一方面 ,接触表面产生了畸变 ,是一种不可恢复的高 强度塑变层。另一方面 ,在剩余比压作用下 ,弹性层 还将发生一定的弹性变形 ,这种在一定压力 ( q′= 215p)下的弹塑性变形的共同作用 ,保证了阀瓣和阀 座接触面上每加大轴向力 Q时都能可靠地密封。 (2)线密封 在式 (4)和式 (7 )中 ,如果不考虑摩擦角μ,则 可以推导出 Q =QM j δs δs - 1167p (10) 很显然式 (10)和式 ( 6)具有相同函数关系 (仅 p的系数不一样 )。为了方便起见 ,仍用式 (6)进行 分析。 Q =QM j δs δs - 113p 如令 p = c1 , D = c2 (D 为阀座内径 , c1、c2 为常 数 ) ,则 QM j = c3 ( c3 为常数 ) ,式 (6)可写成 Q = f (δs ) 形式。δs 和 Q的关系为 lim δsϖ∝ f (δs ) =QM j (11) lim δsϖ 113p f (δs ) =∝ (12) 式 (11)中 Q取最小值 QM j ,式 (12)中 Q取最大 值∝。根据式 (11)和式 (12)做图 (图 2)可以看出 , 当δs 越大 ,则轴向力 Q越小。为了保证初始比压 qp = 115δs ,关闭时的密封面积 F2 = Q /115δs 越小 ,密 封环带的宽度就很窄。这样 ,当δs 值大到一定程度 时 ,就可以用线密封的方法设定轴向力计算公式 ,在 这个公式中可以用线比压 qL 作为参数计算。现在 这种δs 值很大的材料在国内已经试制完毕 ,并已成 功地用于实践。下面对这种材料和这个计算公式作 一些介绍和探讨。 213　计算实例 在我国从国外引进的某聚乙烯装置中 ,其中截 止阀的操作压力为 300MPa。阀瓣和阀座采用碳化 —01— 　　　　　　　　　　　　　　　　阀 　　　门 　　　　　　　　　　　　　　2010年第 1期 钨 (WC )硬质合金材料 ,其具体牌号相当于我国 YG15。由于 WC硬质合金具有很高的硬度 ,良好的 耐冲刷性和极高的 δs 值。虽然在有关文献中规定 只测其抗弯强度 ,但根据 WC硬质合金可以切削超 高强度钢这一点 ,可以推断其δs 值较超高强度钢大 得多。但是一般的硬质合金由于其性质较脆 ,而且 抗弯强度较低 ,因此 ,许用比压 [ q ]很低。但是随着 科学技术的进步 ,新型的含 11% Co的合金粉 ,通过 热等静压处理 (即 H IP处理 ) ,其密封副材料抗弯强 度已达 3116MPa,其致密度已经达到近似 100%的 理论密度 ,且具有良好的可研磨性 ,这种密封副装在 进口阀门上 ,经 5 062h运行及开、停车 20次考验 , 证明其性能良好 ,达到日本同类产品的要求 ,为我国 自行设计超高压阀开拓了广阔的前景。 图 2　δs与 Q的关系 　　关于 WC硬质合金密封副 ,资料中记载着轴向 力 Fs 计算公式为 Fs = P1 A0 + C0 qL (13) 式中 　P1 ———入口压力 , p si Fs ———轴向压力 , Lb A0 ———阀座孔横截面积 , in. 2 C0 ———阀座孔横截面周长 , in. ql ———线比压 ( ql = 1 400) , Lb / in. 2 式 (13)阐述了轴向力 Fs 和线比压 qL 之间的定 量关系 ,这是符合图 2的推断的。通过计算表明 ,在 口径相同、介质压力均为 300MPa的情况下 ,用式 (13)计算的 Fs 值 (指 H IP处理的 WC硬质合金 )比 式 (11)计算的 Q值 (指σs > 900MPa的超高强度钢 材质 )小的多。这可以解释为什么口径为 1 /2～3 / 4 in. (15～20mm )的进口阀门 ,其密封座锥角宽度均 为 115mm的原因。另外 ,从进口阀的设计可以看 出 ,阀瓣和阀座可以是具有相同物理性能的同一种 材料 ,并且这种密封副可以是“硬密封 ”型。必须指 出的是 ,上述超高压截止阀的轴向力计算公式是有 一定的使用范围的 ,除了材料的σs 值 ,公称压力的 等级、阀座口径的大小 ,以及阀瓣、阀座是否刚性等 问题外 ,还因其他因素而异 ,比如 ,阀瓣、阀座的粗糙 度问题和加工精度问题等。 3　密封面粗糙度对轴向力的影响 根据只有当密封表面间的间隙小于介质分子直 径时 ,才能保证介质不渗漏的观点 ,可以认为 ,防止 流体渗漏的间隙值必须小至 01003μm。但是 ,即使 经过精研 , 金属表面上的凸峰高度仍然超过 0105μm ,要达到理想平面 ,就必须对接触面施加一 定的力 ,这个力的大小与密封副软材料的σs及密封 面的粗糙度有关。 当密封面上的比压 q < 40MPa时 ,密封面的质 量起着决定作用。例如在 q = 65MPa时 ,随着粗糙 度等级的越来越高 ,渗透量迅速减小 ,也就是说在 q < 40MPa时 ,在同样一个渗漏量等级 ,粗糙度愈高所 需要的 q愈小 ,其轴向力越小。 但对于 σs > 900MPa 密封副材料 , 在用于 300MPa等级的超高压阀时 ,除了从线弹性断裂力学 观点出发 , [σ ]从强度要求考虑 , Ra 0105μm以上 ,还 要从密封机理上考虑。因此 ,对于σs 为 900MPa的 超高压截止阀用密封副 ,其密封面粗糙度必须在 Ra 0105μm以上。而对于经 H IP处理的 WC硬质合 金密封副来说 ,由于其性质较脆 ,要增大密封面上的 比压来压缩密封面上的波峰 ,就会使轴向力增加很 大 ,而且会使密封副产生断裂 , (在 Fisher公司阀门 的使用中 ,就有因轴向力调整不当而引起阀座断裂 的例子 ) , 因此 , 其密封面上粗糙度必须高于 Ra 0105μm。只有在这个范围内 ,才能使用式 (13)的 轴向力计算式。 4　结语 超高压截止阀的密封机理分狭面弹塑性密封和 线密封两种型式。由于阀座 (或阀瓣 )密封面塑性 变形后的表面冷作硬化现象 ,所以轴向力的增加与 阀座密封面宽度的增加并不成正比关系。口径 1 /2 in. (15mm)以上超高压阀的密封副材料以采用 H IP处理的 WC硬质合金为宜 ,密封面必须有很高 的粗糙度等级 ,而轴向力计算公式具有一定的使用 范围。 参 考 文 献 〔1〕　陆培文. 调节阀实用技术〔M〕. 北京 :机械工业出版社 , 2006. 〔2〕　杨源泉. 阀门设计 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 〔M〕. 北京 :机械工业出版社 , 1992. 〔3〕　JW 哈奇森. 调节阀手册〔M〕. 北京 :机械工业出版社 , 1984. (收稿日期 : 2009106108) —11—2010年第 1期 　　　　　　　　　　　　　　　　　阀 　　　门