淺析耐高溫硬密封球閥的設計

2014-09-10 李照四川飛球(集團)有限責任公司

1、概述

　　隨著我國經濟的快速發展，大型石化工程項目的增多，越來越多的耐高溫硬密封球閥作為一種控制及截斷管路系統的啟閉件普遍應用于石油、化工、鋼鐵、冶金及水電領域中。相對于軟密封(密封材料為聚四氟乙烯、橡膠等塑料)球閥而言，硬密封球閥的密封材料及設計結構都能更好的適用于耐高溫的領域中。本文將就耐高溫硬密封球閥的結構設計以及各零部件的材料選用進行簡要概述。確定閥門材料的最高工作溫度和最高極限溫度時需要考慮的性能是：抗拉強度、沖擊強度和高溫時效。其他因素是：抗氧化性、熱處理溫度和抗磨損性。設計原則包括：當材料的熱膨脹率不同時，運動零件和配合件(松配合)的間隙，以及與溫度、負荷、接觸程度(如關閉或振動引起的重要沖擊)都和材料擦傷有關。還要考慮到熱循環對閥門密封、閥座墊片密封及導向套的松動的影響。

2、閥門殼體材料的選用

　　(1)高溫鋼鑄件：高溫工況下閥門主體材料材料一般選用奧氏體不銹鋼和高溫鉻鉬鋼。較為常用的為幾個牌號為ASTMA217中的WC9和C5。WC9廣泛應用于熱力和電力系統等介質為水和蒸氣的高溫高壓狀態中。C5適用于含硫石油介質中，同時還具有抗氫腐蝕能力，因此廣泛應用于石油煉制及乙烯生產含硫介質的高溫中。ASTMA351中的CF8和CF3常用于強腐蝕介質的閥門中。上述材料規定的一般工作溫度為WC9≤593℃，C5≤593℃，CF3≤427℃，CF8≤537℃。奧氏體不銹鋼和高溫鉻鉬鋼相比較而言，奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能強于高溫鉻鉬鋼，但高溫鉻鉬鋼的耐高溫性能高于奧氏體不銹鋼，并且兩者的價格也有一定的差距，在選用閥門主體材料時，真空技術網(http://shengya888.com/)認為應根據閥門實際的使用工況條件來決定。

ASTMA217M中幾種常用鉻鉬鋼的力學性能

　　(2)高溫鋼鍛件：國際上應用于閥門主體材料高溫鉻鉬鋼鍛件標準最具有代表性的應為ASTMA182/A182M中的低合金鋼種。其中的F11.2級和F11.3級、F22.1級和F22.3級、F5和F5a分別為常用鑄件WC6、WC9和C5的變形合金。

ASTMA182/A182中常用鉻鉬高溫鋼的力學性能

3、密封材料的選用及結構

　　3.1、閥座材料

　　設計高溫球閥的關鍵有兩點：1、正確選用合適于高溫下使用的密封材料;2、如何補償閥門在使用過程中因為使用溫度對閥門各零部件的溫差變形的影響。

　　球閥的使用溫度通常取決于閥座材料的耐高溫性能。按閥座材料的不同，高溫球閥可分為金屬對金屬(硬密封)及金屬對非金屬(軟密封)兩類密封結構。它們的共同點是球體和閥體都是用耐高溫的金屬材料制造，所不同者，前者閥座為金屬或耐熱合金(如鈷鉻鎢硬質合金等)制造，后者閥座材料采用非金屬材料如對位聚苯(PPL)、柔性石墨和碳素纖維等制造。閥座材料采用非金屬材料采用PTFE或NYLON材料制造，其使用溫度為≤200℃，采用PPL使用溫度可達到300℃。金屬對金屬密封結構(硬密封)球閥的優點是：適用溫度范圍更廣，耐高溫可達600℃甚至更高。各種金屬材料的熱膨脹系數相差不大，只要選用得當，可以達到基本一致，有利于協調溫差變形。缺點是金屬材料硬度高，達到密封所必須的比壓亦高，在通徑較小和壓力較低場合，難以靠流體壓力達到密封，即使是采用預緊力達到密封，但因密封比壓大，閥座和球體之間的磨損必然很大，而且金屬與金屬的摩擦系數比較大，球閥的啟、閉轉矩亦大。

　　3.2、閥座的結構

　　彈性密封結構的高溫球閥，由于各種彈性閥座和彈性球體的密封性能可靠，彈性補償能力強，適用溫度范圍廣，而且對浮動球和固定球球閥都適用，因此，在高溫球閥上得到廣泛應用。

金屬對金屬彈性密封閥座結構

　　由于施加于閥座墊片上的負荷必須超過墊片的屈服極限才能密封，而惡劣的熱循環又會進一步引起墊片的蠕變和滲漏，因此，在高壓熱循環狀態時，最好是避免采用閥座墊片的型式。閥座密封采用柔性石墨環，柔性石墨有極強的耐壓性、柔韌性、可塑性和自潤滑性;并且能夠很好的適用于各種抗高、低溫的工況條件中。采用石墨的密封結構同樣應用與閥桿密封結構。

　　彈簧作為彈性密封閥座結構的主要零部件，應注意以下兩點：

　　(1)高溫會降低彈簧的回火性能，(或降低硬度)減少彈性模量，引起使用負荷和彈性極限的降低，并使腐蝕增加和彈簧最終的失效。因此，彈簧材料應使用耐腐蝕材料或鎳基合金。

　　(2)在介質為煤漿等含顆粒雜質較多的情況下，螺旋彈簧容易因為顆粒雜質較多的原因而導致失效，因此在此情況下應選用平板彈簧。

　　3.3、法蘭密封墊片

　　根據工藝，金屬纏繞件可使用316不銹鋼或INCONEL合金鋼等半金屬墊片比非金屬墊片承受的溫度壓力范圍較廣。所以墊片材料常選用304/316+填充纏繞式墊片。

　　耐高溫纏繞式墊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爭議的健康問題，現在許多閥門制造商不將它作為最佳的填充料選擇方案。所以石墨纏繞式墊片成為了在高溫工況下使用最為廣泛的填充料，使用在不銹鋼、碳鋼和鉻鉬鋼等操作工況非常苛刻的閥門上。

閥桿密封