浅析耐高温硬密封球阀的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)四川飞球(集团)有限责任公司 作者:李照

1、概述

  随着我国经济的快速发展,大型石化工程项目的增多,越来越多的耐高温硬密封球阀作为一种控制及截断管路系统的启闭件普遍应用于石油、化工、钢铁、冶金及水电领域中。相对于软密封(密封材料为聚四氟乙烯、橡胶等塑料)球阀而言,硬密封球阀的密封材料及设计结构都能更好的适用于耐高温的领域中。本文将就耐高温硬密封球阀的结构设计以及各零部件的材料选用进行简要概述。确定阀门材料的最高工作温度和最高极限温度时需要考虑的性能是:抗拉强度、冲击强度和高温时效。其他因素是:抗氧化性、热处理温度和抗磨损性。设计原则包括:当材料的热膨胀率不同时,运动零件和配合件(松配合)的间隙,以及与温度、负荷、接触程度(如关闭或振动引起的重要冲击)都和材料擦伤有关。还要考虑到热循环对阀门密封、阀座垫片密封及导向套的松动的影响。

2、阀门壳体材料的选用

  (1)高温钢铸件:高温工况下阀门主体材料材料一般选用奥氏体不锈钢和高温铬钼钢。较为常用的为几个牌号为ASTMA217中的WC9和C5。WC9广泛应用于热力和电力系统等介质为水和蒸气的高温高压状态中。C5适用于含硫石油介质中,同时还具有抗氢腐蚀能力,因此广泛应用于石油炼制及乙烯生产含硫介质的高温中。ASTMA351中的CF8和CF3常用于强腐蚀介质的阀门中。上述材料规定的一般工作温度为WC9≤593℃,C5≤593℃,CF3≤427℃,CF8≤537℃。奥氏体不锈钢和高温铬钼钢相比较而言,奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能强于高温铬钼钢,但高温铬钼钢的耐高温性能高于奥氏体不锈钢,并且两者的价格也有一定的差距,在选用阀门主体材料时,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为应根据阀门实际的使用工况条件来决定。

ASTMA217M中几种常用铬钼钢的力学性能

ASTMA217M中几种常用铬钼钢的力学性能

  (2)高温钢锻件:国际上应用于阀门主体材料高温铬钼钢锻件标准最具有代表性的应为ASTMA182/A182M中的低合金钢种。其中的F11.2级和F11.3级、F22.1级和F22.3级、F5和F5a分别为常用铸件WC6、WC9和C5的变形合金。

ASTMA182/A182中常用铬钼高温钢的力学性能

ASTMA182/A182中常用铬钼高温钢的力学性能

3、密封材料的选用及结构

  3.1、阀座材料

  设计高温球阀的关键有两点:1、正确选用合适于高温下使用的密封材料;2、如何补偿阀门在使用过程中因为使用温度对阀门各零部件的温差变形的影响。

  球阀的使用温度通常取决于阀座材料的耐高温性能。按阀座材料的不同,高温球阀可分为金属对金属(硬密封)及金属对非金属(软密封)两类密封结构。它们的共同点是球体和阀体都是用耐高温的金属材料制造,所不同者,前者阀座为金属或耐热合金(如钴铬钨硬质合金等)制造,后者阀座材料采用非金属材料如对位聚苯(PPL)、柔性石墨和碳素纤维等制造。阀座材料采用非金属材料采用PTFE或NYLON材料制造,其使用温度为≤200℃,采用PPL使用温度可达到300℃。金属对金属密封结构(硬密封)球阀的优点是:适用温度范围更广,耐高温可达600℃甚至更高。各种金属材料的热膨胀系数相差不大,只要选用得当,可以达到基本一致,有利于协调温差变形。缺点是金属材料硬度高,达到密封所必须的比压亦高,在通径较小和压力较低场合,难以靠流体压力达到密封,即使是采用预紧力达到密封,但因密封比压大,阀座和球体之间的磨损必然很大,而且金属与金属的摩擦系数比较大,球阀的启、闭转矩亦大。

  3.2、阀座的结构

  弹性密封结构的高温球阀,由于各种弹性阀座和弹性球体的密封性能可靠,弹性补偿能力强,适用温度范围广,而且对浮动球和固定球球阀都适用,因此,在高温球阀上得到广泛应用。

金属对金属弹性密封阀座结构

金属对金属弹性密封阀座结构

  由于施加于阀座垫片上的负荷必须超过垫片的屈服极限才能密封,而恶劣的热循环又会进一步引起垫片的蠕变和渗漏,因此,在高压热循环状态时,最好是避免采用阀座垫片的型式。阀座密封采用柔性石墨环,柔性石墨有极强的耐压性、柔韧性、可塑性和自润滑性;并且能够很好的适用于各种抗高、低温的工况条件中。采用石墨的密封结构同样应用与阀杆密封结构。

  弹簧作为弹性密封阀座结构的主要零部件,应注意以下两点:

  (1)高温会降低弹簧的回火性能,(或降低硬度)减少弹性模量,引起使用负荷和弹性极限的降低,并使腐蚀增加和弹簧最终的失效。因此,弹簧材料应使用耐腐蚀材料或镍基合金。

  (2)在介质为煤浆等含颗粒杂质较多的情况下,螺旋弹簧容易因为颗粒杂质较多的原因而导致失效,因此在此情况下应选用平板弹簧。

  3.3、法兰密封垫片

  根据工艺,金属缠绕件可使用316不锈钢或INCONEL合金钢等半金属垫片比非金属垫片承受的温度压力范围较广。所以垫片材料常选用304/316+填充缠绕式垫片。

  耐高温缠绕式垫片在以前所采用的填充料是石棉板。但是由于石棉材料所引起的有争议的健康问题,现在许多阀门制造商不将它作为最佳的填充料选择方案。所以石墨缠绕式垫片成为了在高温工况下使用最为广泛的填充料,使用在不锈钢、碳钢和铬钼钢等操作工况非常苛刻的阀门上。

阀杆密封

阀杆密封

4、阀门的试验

  耐高温阀门的试验除了按常温下通用阀门试验标准进行各项性能试验外,还应进行阀门在高温状态下(特定高温性能试验装置)的各项性能试验和操作性能试验。

5、结束语

  高温球阀相对一般的常温球阀而言,对阀门的材料选用、结构设计及加工精度的要求都极高。完善的质量保证体系和过程控制,才能生产出一台完全符合性能的球阀产品。

金属带材料的牌号、代号及适用温度(GB/T4622.3-2007)

金属带材料的牌号、代号及适用温度

填充带适用温度(GB/T4622.3-2007)

填充带适用温度

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