不锈钢硬密封球阀密封原理

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之前介绍水过滤器在恒通环保应用，现在介绍不锈钢硬密封球阀密封原理本文对不锈钢球阀的密封结构作了初步探讨。重点分析了球阀主密封结构的形式，密封材料的选择等影响球阀密封性能和使用性能、可靠性的因素，提出了弹性胀圈和聚四氟乙烯唇式密封座组成的组合型密封座的结构形式。球阀以其*的特点，广泛应用于各种管路系统的快速切断、改变介质流向和自动控制，可采用手动、电动或气动等驱动方式。球阀的典型结构(未考虑驱动方式)。硬密封球阀分类：单向密封：只能在规定的方向即球阀标示的密封方向密封。 双向密封：在两个方向上都能密封      
 结构形式： 球阀的结构形式分为浮动球式和固定球式，连接形式为法兰连接、焊接连接及螺纹连接。
      具有普通球阀的各项性能指标外、还特具备了耐高温、耐摩擦和双流项进、出口 自密封功能，其中二块式还备有了出口单向密封、由不锈钢弹簧来调节阀座，使阀门的扭矩更加均衡，阀门在 高频率、高温差、高压差的条件下，开关性能稳定。
     在球阀的使用性能中，密封性是其主要指标之一。球阀的密封结构主要由三部分组成，其一为主、副阀体间的密封，由密封调整垫片实现；其二为主阀体与阀杆间的密封，由标准“V”形填料或 0 形密封圈实现，组成球阀的外密封结构。其三为球体与主、副阀体间的密封，由密封座实现，组成球阀的主密封结构。主密封结构的密封性影响球阀的工作性能，是球阀设计和制造中关键的密封结构。本文将重点讨论球阀主密封的非金属密封(又称软密封)结构问题。

1 不锈钢硬密封球阀密封原理球阀的密封性要求球阀的密封性指标由内泄漏和外泄漏要求确定，国家标准规定非金属密封球阀的密封性按 GB/T13927《通用阀门压力试验》的 A 级执行，要求“在试验持续时间内无可见泄漏”；航天行业标准规定地面大香蕉91管路系统用球阀“在 0.05MPa 和 1.1 倍公称压力的气压条件下，保压 3min ，内泄漏率应不大于 3×10-5Pa•m3/s(无气泡逸出)；在 1.1 倍公称压力的气压条件下，保压 3min ，外泄漏率应不大于 1×10-5Pa•m3/s(无气泡逸出)。”

2 影响球阀密封性的主要因素影响球阀密封性的主要因素有密封面的粗糙度和球体圆度参数。*，无论采用如何的加工技术，都不可能*消除球体的圆度误差及密封面的微观缺陷，因此，为了达到良好的密封效果并保证加工过程可以实现，必须确定合适的密封面粗糙度和球体圆度参数值。有关资料，球体密封面的粗糙度 Ra 值大允许值为 0.4µm；密封座粗糙度 Ra 值在以聚四氟乙烯为密封材料时大允许值为 0.8µm。球面的圆度公差，按 GB/T1184 附表 2 的 6 级精度较为合适。3 球阀主密封结构分析早期的球阀，一般采用金属材料作为密封结构(又称硬密封)，随着工程塑料技术的发展，尤其是聚四氟乙烯的出现，使球阀密封结构有了一种较为理想的密封材料。常见的球阀主密封结构的软密封形式有刚性密封座、带弹性元件的密封座、聚四氟乙烯唇式密封座和弹性胀圈与聚四氟乙烯唇式密封座组成的组合型密封座等形式。唇式密封座具有的唇形结构，使其具有较好的弹性，在使用中可保证密封面的预压缩量并可对密封面的预压缩量进行补偿而优于刚性结构。但使用中发现，聚四氟乙烯的弹塑性变形能力及在温度变化条件下的稳定性仍不十分理想，且具有较大的冷流趋向；同时，由于球阀的使用压力变化范围较大，因此，采用聚四氟乙烯作为密封材料制成的唇式密封座，在较低压力条件下或使用中仍易产生泄漏。解决这一问题的方式为采用弹性胀圈与聚四氟乙烯唇式密封座组成的组合型密封座，它可依靠金属材料弹性胀圈良好的弹塑性变形能力，增强其整体的弹塑性变形能力和补偿能力，提高球阀的密封能力。3.1 球阀密封条件要保证球阀达到规定的密封要求，须借助介质的压力推动球体(浮动式球阀)或密封座(固定式球阀)产生微小位移，使密封座表面产生一定的弹塑性变形，形成必要的密封比压。密封比压过高将会导致密封座所受比压超过材料的许用比压而损坏，使密封失效，还会导致操作力矩升高而影响动作性能；过低则会使密封座表面的弹塑性变形量不足以补偿球体的加工误差，导致主密封不能达到规定的密封要求。

球阀的密封条件为：qMF < q < [q]式中：qMF — 保证密封所必须的密封面比压； [q] — 密封面的许用比压；q — 计算的实际比压。3.2 浮动式球阀的密封机理所示，由于球体下端无固定支承，浮动式球阀关闭时，在介质压力作用下，球体将产生一定的浮动量(位移)，离开人口端密封座而压紧在出口端密封座上，使介质在出口端密封座受到阻截。即浮动式球阀实际上只有出口端密封座发挥密封作用，而入口端密封座与球体间保持一很小的浮动间隙。3.3 固定式球阀的密封机理高压或公称通径 DN≥200mm 的球阀，常采用固定式结构。固定式球阀的球体不产生浮动量，可保证双向密封，使阀门的操作扭矩降低；密封座上的载荷波动幅度较小。固定式球阀可分为球前密封式(入口密封式)和球后密封式(出口密封式)
锻钢硬密封球阀具有普通球阀的各项性能指标外、更*的材质密度能更适用于易燃易爆的介质，并且还特具备了耐高温、耐摩擦和双流项进、出口自密封功能，其中二块式还备有了出口单向密封、由不锈钢弹簧来调节阀座，使阀门的扭矩更加均衡，阀门在 高频率、高温差、高压差的条件下，开关性能稳定。
1、概述  
    在火力发电厂、石油化工系统、煤化工领域，温度超过200℃，或者高粘性流体、带粉尘及固体颗粒状的混合流体、强腐蚀的流体等介质中，球阀需要选用金属硬密封球阀，所以选用合适的金属硬密封球阀阀球和阀座的硬化工艺十分重要。
2、金属硬密封球阀阀球和阀座的硬化方式
    目前金属硬密封球阀球体表面常用的硬化工艺主要有以下几种：
    （1）球体表面堆焊硬质合金，硬度可达40HRC以上，球体表面堆焊硬质合金工艺复杂，生产效率低，且大面积堆焊易使零件产生变形，目前对球体表面堆焊的工艺使用较少。  
（2）球体表面镀硬铬，硬度可达60～65HRC，厚度0.07～0.10mm，镀铬层硬度高、耐磨、耐蚀并能保持表面光亮，工艺相对简单，成本较低。但硬铬镀层的硬度在温度升高时会因其内应力的释放而迅速降低，其工作温度不能高于427℃。另外镀铬层结合力低，镀层易发生脱落。
    （3）球体表面采用等离子氮化，表面硬度可达60～65HRC，氮化层厚度0.20～0.40mm，等离子氮化处理硬化工艺由于高温氮化反应后耐腐蚀性较差，不能在化工强腐蚀等领域使用。
   （4）球体表面超音速喷涂（HVOF）工艺，硬度高可达70～75HRC，集合强度高，厚度0.25～0.4mm，超音速喷涂也是球体表面硬化主要工艺手段之一。
在火力发电厂、石油化工系统、煤化工领域的高粘性流体；带粉尘及固体颗粒状的混合流体、强腐蚀的流体介质中大部分使用该硬化工艺。
    超音速喷涂工艺是氧燃料燃烧产生高速气流加速粉末粒子撞击工件表面，形成致密表面涂层的一种工艺方法。在撞击过程中，由于粒子的速度较快（500～750m/s）且粒子温度较低（-3000℃），因此撞击工件表面后，可以获得高结合强度、低空隙率、低氧化物含量的涂层。HVOF的特点是合金粉末粒子速度超过音速，甚至是音速的2～3倍，气流速度是音速的4倍。
    HVOF是一种新的加工工艺，喷涂厚度0.3～0.4mm，涂层与工件之间是机械结合，结合强度高（77MPa），涂层孔隙率低（＜1%）。该工艺对工件加热温度低（＜93℃），工件不变形，可进行冷喷涂。喷涂时，粉末粒子速度高（1370m/s），无热影响区，工件的成分和组织无变化，涂层硬度高，可进行机加工。
    （5）球体表面等离子喷焊工艺，硬度高可达55～65HRC（NI55、NI60、NI65），集合强度高，厚度0.40～0.5mm，离子喷焊工艺是球体表面硬化主要工艺手段。喷焊是一种金属材料表面热喷涂处理工艺。它是通过热源将粉末（金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末均可）加热到熔融或达到高塑性状态后，依靠气流将其喷射，沉积到预先处理过的工件表面上，形成一层与工件表面（基材）结合牢固的涂（焊）层。  
3、硬密封球阀阀球和阀座接触面的硬度配合
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    阀球和阀座接触表面硬度配合使用比较广泛的有两种硬度配合：1、阀球表面硬度55HRC，阀座表面45HRC，阀球表面可采用超音速喷涂Slite20合金，阀座表面可采用堆焊Slite12合金或者喷焊Slite6合金，该硬度配合是金属密封球阀使用广范的硬度配合，能满足金属硬密封球阀常规磨损要求；2、阀球表面硬度68HRC，阀座表面58HRC，阀球表面可采用超音速喷涂碳化钨，阀座表面可采用超音速喷涂Slite20合金，该硬度配合广泛使用与煤化工领域，具有较高的耐磨性和使用寿命。3、常用的喷焊在球体部分表面喷焊硬度为60HRC的NI60，在阀座部分表面喷焊硬度为55HRC的NI55，两种合金硬度差~5HRC左右配合。
    在专业的研磨技术下，在国内外有使用阀球和阀座表面硬度相同的配合，阀球和阀座表面均采用超音速喷涂碳化钨工艺，表面硬度均大于72HRC，即使在超高硬度情况下，阀球和阀座接触表面也不易发生咬死。

4、硬密封球阀阀球和阀座硬化注意问题
    金属硬密封球阀阀球和阀座材料一般都选择不锈钢或耐腐蚀材料，否则硬质合金与阀座（或阀球）结合层容易被介质腐蚀，发生硬质合金层脱落，影响球阀寿命。喷焊和堆焊硬化工艺中硬质合金与基体均具有熔融过程，硬质合金与基体集合处有热融区，喷焊NI60系列由于1500度喷焊火焰作用下，合金粉与A105材料结合强度与结合力更好。，所以适用于碳素钢A105材质表面硬化。
    另外针对不同的阀座（或阀球）材料应选择合适的硬化工艺，在煤化工领域中双相不锈钢材料被广泛使用，双相不锈钢材料具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。
    双相不锈钢材料是一种既具有铁素体又具有奥氏体组织结构的钢种，铁素体和奥氏体组织结构各占约50%，且二相组织是独立存在的，其性能特点是兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特性。在铁素体不锈钢特性中，当温度在400～500℃范围内，长时间保温会产生强烈的脆化，这种现象一般称为475℃脆化；温度超过400～500℃时，双相不锈钢性能会被破坏。
    双相不锈钢材料若采用喷焊或堆焊硬质合金工艺方法，该工艺硬质合金和基体发生融溶过程（温度一般均大于900℃），会破坏双相不锈钢材料的金相组织，故双相不锈钢材料不适合用喷焊（或堆焊）硬质合金的硬化工艺。双相不锈钢材料表面硬化工艺适合使用进行冷喷涂超音速喷涂工艺，硬化工艺必须保证不能对双相不锈钢材料基体金相组织产生破坏。本公司推出球体表面进行冷喷涂超音速喷涂哈氏合金或者司太立合金工艺，配合并满足双相不锈钢表面硬化以及耐腐蚀要求。
   4、 金属硬密封球阀的阀球和阀座采用合理的硬化工艺，可提高直接决定金属硬密封阀门的使用寿命和使用性能。
3.4 密封座的预压缩考虑为了保证球阀在介质工作压力较低时的密封性，球体和密封座间必须形成一定的预紧比压。在刚性密封座中，球阀工作的可靠性和使用寿命取决于正确选择密封座的预压缩量。预压缩量不足，不能保证球阀的低压密封性；预压缩量过大，会导致球体与密封座间的摩擦力矩增加，影响球阀的动作性能；并可能引起密封座的塑性变形，导致密封失效。对于聚四氟乙烯密封座，其预紧比压一般应为 0.1PN，且不小于 1.02MPa 。刚性密封座预压缩量的调整靠改变密封调整垫片的厚度实现，密封调整垫片加工的误差会影响调整的效果；合理的装配与调整是获得良好密封性的关键。在使用中，密封座磨损后，预紧比压的自动调节能力很差，因此刚性密封座结构球阀的使用寿命相对较短。解决问题的途径之一是采用带弹性元件的密封座。此时，预压缩量的获得与调整不再依靠密封调整垫片而由弹性元件来实现。带弹性元件的密封座除可获得必要的预压缩量外，还可在弹性元件的弹性变形范围内对预紧比压进行补偿，因此，球阀的使用寿命相对较长。球体带有固定轴的球阀，称为固定球阀。固定球阀主要用于高压大口径。根据阀座密封圈的安装不同，固定球阀可以有两种结构：球体前密封的阀座，球体后密封的阀座。与本产品相关论文：控制阀泄漏率试验方法