提升式金属密封旋塞阀

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江石化阀门有限公司 作者:杨荣水

  阐述了提升式金属密封旋塞阀的工作原理、结构设计、有限元分析和主要零部件制造工艺。该阀门已获国家专利( 专利号: ZL201120070326.3) 。

1、概述

  旋塞阀具有结构简单和流阻小等特点,但普通旋塞阀靠塞子和阀体直接接触密封,存在启闭力矩大、密封面易磨损和密封性能差等缺点。普通的衬套旋塞阀、油润滑旋塞阀和将军阀等不适用于高温工况。根据工况条件研制的提升式金属密封旋塞阀,解决了旋塞阀不能用于高温的问题。

2、性能

  提升式金属密封旋塞阀采用枢轴固定整体式塞子、硬质合金堆焊阀座和双滚轮导槽设计,实现了阀门开启无摩擦提升并旋转的功能,降低了阀门操作过程中密封面擦伤、磨损和粘结破坏的几率,具有结构新颖、工艺先进、操作省力、启闭迅速、密封性好、维护方便、可高温吹扫和全方位安装等优点,特别适合于高温蒸汽管道和高压差泵出口使用,也适用于延迟焦化系统、渣油催化裂化装置和乙烯裂化装置等场合。

3、工作原理

  提升式金属密封旋塞阀主要由底盖、下支撑板、阀体、塞子、上支撑板、阀盖、阀杆、支架、横销、滚轮、阀杆螺母和驱动装置等组成( 图1) 。阀杆上部为梯形螺纹,阀杆下部和塞子通过T 形槽连接,阀杆中部有一横销,销两端各套有一只滚轮。支架上部设有两条成180° 分布的导槽,导槽包括直槽和螺旋槽。开启阀门时,驱动装置( 如手轮) 带动阀杆螺母转动,滚轮沿直槽滚动上升,阀杆和塞子一起上升,塞子和阀体密封面轴向无摩擦分离。阀杆螺母继续转动,滚轮沿螺旋槽滚动,阀杆和塞子逆时针旋转90°,阀门全开。关闭阀门时,驱动装置带动阀杆螺母转动,滚轮沿螺旋槽滚动,阀杆和塞子顺时针旋转90°,阀杆螺母继续转动,滚轮沿直槽滚动,阀杆和塞子一起下降,塞子与阀体密封面开始接触直至贴紧密封。

4、结构设计

  阀门设计采用API 599 并参考API 600 标准,密封副采用金属密封结构,适用于高温工况。因提升式金属密封旋塞阀的密封比压是由外部执行机构提供的力矩控制,属于强制密封阀门。

提升式金属密封旋塞阀

1. 底盖2. 下支撑板3. 阀体4. 塞子5. 上支撑板6. 阀盖7. 阀杆8. 支架9. 横销10. 滚轮11. 阀杆螺母12. 手轮

图1 提升式金属密封旋塞阀

  4.1、阀体

  阀体端部为法兰连接,流道为文丘里规则型,即流道截面积从阀门出入口到阀座密封处为逐渐缩小,但流道高度方向的尺寸略有扩大。壳体最小壁厚满足在压力试验( 1. 5 倍最大允许工作压力) 载荷下,避免永久变形和满足非圆形通道的应力集中的要求。

  根据实际检验和测试,应力集中对阀体变形影响最大的部位在阀体中腔和密封面区域,因而影响阀门的密封性能。针对高压阀体,在其外部设置了整体铸造加强筋( 图2 和图3) 或者增加阀体壁厚,确保阀体在高压时有足够的刚性。阀体密封面设计成内部凸起结构,使其工艺性好,方便机加工和磨头磨削,在阀门全关时中腔适合采用吹扫工艺。

阀体加载静态应力分布

图2 阀体加载静态应力分布

阀体加载静态位移分布

图3 阀体加载静态位移分布

  4.2、塞子

  塞子为整体式结构,刚性好,有利于阀门在高压差工况应用。塞子通孔设计成近似矩形,塞子设计有上下枢轴,与上下支撑板的高精度内孔配合。支撑板外圆与阀体上下法兰端部的内孔精密配合,使作用于塞子的介质压力通过支撑板传递到阀体上,避免塞子在高压力和高压差工况下受高速流体冲刷导致振动,增强塞子的稳定性。另外,当阀门安装要求阀杆水平或倾斜时,这种结构也消除了塞子因自重对阀门性能产生的不利影响。通过分析,塞子的应力和变形集中在塞子中部和塞子通孔边缘处,设计时应着重考虑( 图4 和图5) 。

塞子加载静态应力分布

图4 塞子加载静态应力分布

塞子加载静态位移分布

图5 塞子加载静态位移分布

  塞子材料一般选用铸造碳钢堆焊硬质合金。对于Class 600 以上压力等级,宜采用锻造碳钢堆焊硬质合金,或采用铸造马氏体不锈钢加热表面硬化工艺,热处理后硬度控制在35 ~ 40HRC,研磨后防止侵蚀和粘结。阀体和塞子密封面全部堆焊硬质合金,既防止咬合,又延长阀门使用寿命。

  4.3、阀杆

  阀杆结构参照楔式闸阀阀杆设计方法,考虑阀杆中部有横销通孔,适当加大阀杆直径。因为阀门行程短,所以阀杆的丝杆部分只有同规格闸阀的1 /10 ~1 /5。因而金属密封旋塞阀开启速度快。

  4.4、阀盖和底盖

  阀盖密封结构设计为凹凸面或环连接,以满足不同压力等级的要求。对于大口径阀门,采用支架和阀盖分体式设计。另外,金属密封旋塞阀阀盖的阀杆孔处设有上密封座,与阀杆端部的90°锥面配合,形成阀门的上密封副,满足在线更换填料的要求,维护方便。阀门支架上部设有导槽,导槽与滚轮配合,即可完成塞子升降和旋转两个动作。支架上端法兰按GB /T12222 设计,可用于安装各种执行机构。底盖上设有排放孔,可用于排除和吹扫体腔内污物。

5、制造与检验

  提升式金属密封旋塞阀的阀体和塞子的锥形密封面结构形状特殊,加工精度要求高,是制造的关键点和难点。首先采用大型数控立式车床加工锥面,然后再用高精度数控磨削中心用同一个砂轮磨削阀体和塞子的密封锥面,使表面粗糙度达Ra 0. 2μm。经过对旋塞阀样机按API 598 要求进行了多次壳体强度、高低压密封和上密封试验项目的测试,测试项目全部合格,样机试制成功。

6、结语

  提升式金属密封旋塞阀适用于高温高压差工况,可以达到零泄漏,提升了旋塞阀的产品性能。

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