一、概述
Q41F钢制球阀是全通径,就是与管线的流道直径相等,具有的流通能力,或者说流阻最小。这在工程上应用具有十分重要的意义,特别是从节能环保的角度而言,球阀是一个节能产品;球阀的启闭阀杆做回转运动,和蝶阀、旋塞阀一样,不同于做直线运动的闸阀和截止阀。回转的角度是90度角行程,与直线运动的阀门比较,启闭方便,便于实现阀门操作的自动化。如果选用电动装置,直线行程的阀门选用的是多回转电动装置,做90度角行程的阀门选用的是部分回转角行程回转的电动装置;球阀的两大特点是球阀的发展以及在工业领域中不断替代传统阀门的动力。因此,在球阀问世之后其市场的占有量每年以20%的速度递增,是发展最为迅速的一个阀门品种。但在球阀的发展中,对于阀门高的密封要求和低的操作力矩要求始终是产品追求的两个目标,而这两个目标是一对矛盾,这一矛盾的对立与统一,进一步促进球阀的发展。其中最重要的发展是密封座结构的改进。此阀广泛的应用在石油炼制、长输管线、化工、造纸、制药、水利、电力、市政、钢铁等行业。按操作方式分,可以分为手动、蜗轮传动、气动、气液联运、电动、电液联动、液动等。
二、结构特点及工作原理
Q41F钢制球阀主要由主、副阀体组成、球体、密封圈、阀杆、手柄等零件组成。阀体采用碳钢铸造而成。密封材料可采用聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、尼龙等高分子材料和橡胶或硬密封金属材料。此阀为浮动球球阀结构是双向的,即两个介质流动方向均可密封;球体相接的密封座是高分子材料制造的,球体转动时,可能产生静电,如无特殊的结构设计--防静电设计,则静电可能在球体上积聚;对于由两个密封座组成的阀门,阀腔可能积聚介质,某些介质可能由于环境温度和使用工况变化而异常升压,引起阀门压力边界的破坏,应予以注意。就要设计一种密封座的形状,克服PTFE的“冷流”和热膨胀特性的缺陷来改善其记忆特性。这种密封结构称之为具有挠性的唇式密封技术(lip-seal)。
有许多种的挠性设计可以来解决这一问题,从而出各种各样的密封结构被早请了专利,这已是20世纪60~70年代的事。而它的设计技巧和原理并未被工程师们认识。唇式密封座的一种结构,它有一个特别的形状,有两个密封接触点,一点与球面接触,另一点与阀座接触。在介质力水平方向作用下,密封座的形状发生变化,产生一个恢复原始形状的挠曲力。当介质力消失后,恢复原来的形状,获得了“记忆特性”,这种密封座称为挠性唇式密封座。
(1)、球体保持在阀腔中心,球体浮动是微小的;
(2)、装配后,唇部发生变形,能储存弹性变形能,实现低压下的密封;
(3)、密封座上有一支撑点,当压力升高,温度升高时,平衡部分作用在密封座上的介质力;
(4)、防止材料可能产生的“冷流”。
装配前后唇缘的形状变化,储存了材料的弹性变形能,像弹簧一样。而且当温度或压力升高时,进一步吸收弹性变形能,当温度或压力下降时,泄放弹性变形能来获得记忆特性。
在某些情况下,一些双密封座的阀门结构可能会同时对中腔至相邻管线的压力差造成隔离,当中腔充满液体或部分充满液体,并受到温度升高的影响,就会造成中腔压力的异常升高,从而导致压力边界的失效。
解决这一问题可以在球体上钻一个孔,当球阀关闭时,腔体与进口端管道相通,夹持在腔体中的液体可以向进口端排出,但球阀失去双向流动的优点,在某些工程中不能被接受。也可以在壳体上装一只安全泄放阀,将增加麻烦,因此希望密封座具备自泄放功能。当腔体压力升高时,自动向进口侧或出口侧排放。
(一)、工作原理
Q41F钢制球阀的启闭件是一个球体,中间有一个与管道通径相等的通孔,进口端和出口端各置一个用PTFE制造的密封座,并被包容在一个金属的阀体内,当球体内的通孔与管线通道重合时,阀门处于开启状态;当球体内的通孔与管线通道垂直时,阀门处于关闭状态。阀门从开启至关闭,或者从关闭至开启球体回转90度角行程。
当球阀处于关闭位置时,进口端的介质压力作用在球体上,产生一个推动球体的力,使球体紧压出口端的密封座,在密封座的锥面上产生一个接触应力,形成一个接触带,接触带单位面积上的作用力称为阀门密封的工作比压,当这一比压大于密封所必需的比压时,阀门就获得了有效的密封。这种不是靠外力的密封方式,由介质压力密封的,称为介质自密封。
球阀的密封原理是作用在密封座上的力,由介质的压力产生的。这一作用为力是稳定的,是可以控制的,设计时确定。
1、为了保证球体在关闭位置时,球体必须紧巾密封座,而且需要过盈,产生一个预紧比压,这个预紧比压为0.1倍工作压力且不小于2MPa。这个预紧比压的获得,完全靠设计的几何尺寸来保证。如果设球体和进口、出口密封座组合后的自由高度为A;左、右阀体组合后内腔容纳球体、密封座的宽度为B,则装配后产生必需的预紧比压所需的过盈为C,必满足:A-B=C。这个C值必须由零件加工的几何尺寸来保证。可以设想这个过盈C是很难确定和保证的。过盈值的大小直接决定阀门的密封性能和操作力矩。
2、应该特别指出,早期国产的浮动球球阀,由于装配时过盈值难于控制,常常用垫片调整,很多制造商甚至在手册中把这一垫片称为调整垫。这样,装配时主、副阀体的连接平面之间存在间隙,这一间隙的存在,由于使用中介质压力波动和温度的波动,以及外部管线载荷作用,会使螺栓松弛,引起阀门外漏。
3、当阀门处于关闭位置时,进口端的介质力作用在球体上,会使球体的几何中心产生一个微小的位移,与出口端阀座紧密接触,增加密封带上的接触应力,从而获得可靠的密封;而进口端阀座与球体相接种球阀结构,就是在工作状态下,球体几何中心有微小位移的球阀,称之为浮动球球阀。浮动球球阀是出口端密封座密封,进口端阀座是否有密封功能是不确定的。
三、主要零件材料:
序号 NO | 零件名称 | 材质 | |
GB | ASTM | ||
1 | 阀体 | WCB | A2116-WCB |
2 | 密封圈 | PTFE | PTFE |
3 | 球体 | 1C18Ni9Ti | SS304 |
4 | 螺母 | 35 | A194-2H |
5 | 螺柱 | 35CrMoA | A193-B7 |
6 | 石体 | WCB | A216-WCB |
7 | 垫片 | 柔性石墨+不锈钢 | B12.10-304F/.G |
8 | 填料 | PTFE | PTFE |
9 | 填料压盖 | WCB | A2116-WCB |
10 | 定位片 | 25 | A105 |
11 | 挡圈 | 65Mn | AISI 1066 |
12 | 手柄 | K33 | A47-667 Gr.32510 |
13 | 阀杆 | 1Cr33 | A276-410 |
14 | 螺钉 | 35 | A193-B7 |
15 | 止推垫片 | PTFE | PTFE |
四、技术规范
设计依据 | 国标系列 | 美标系列 | |
设计标准 | GB/T12237 | AP16D | ANSI B16.34 |
法兰连接结构长度 | GB/T12221 | AP16D | ANSI B16.10 |
结构长度(焊接) | GB/T15188.1 | AP16D | ANSI B16.10 |
连接法兰 | GB/T9113 JB/T79 Hg20592 | ANSI B16.5、B16.47 | |
对焊端 | GB/T12224 | ANSI B16.25 | |
试验和检验 | GB/T9092 | AP16D | AP1598 |
五、主要外形尺寸
公称通径 | 15 | 20 | 25 | 40 | 50 | 65 | 80 | 100 | 125 | 150 | 200 |
d1 | 13 | 19 | 25 | 38 | 64 | 64 | 76 | 102 | 127 | 152 | 203 |
L | 108 | 117 | 127 | 165 | 191 | 191 | 203 | 229 | 356 | 394 | 457 |
H | 59 | 63 | 75 | 95 | 142 | 142 | 152 | 178 | 252 | 272 | 342 |
W | 130 | 130 | 160 | 230 | 400 | 400 | 400 | 650 | 1050 | 1050 | 1410 |