【學(xué)員問(wèn)題】雙重密封截止閥的研制和試驗？

　　【解答】一、前言

　　截止閥作為一種通用閥門(mén)，在蒸汽系統、油料系統、生活用水系統、壓縮空氣系統等中溫中壓系統得到大量應用，但是，現在使用的截止閥由于填料選用、裝填方式不公道等原因，普遍存在著(zhù)外漏現象，同時(shí)由于密封面堆焊材料選用不盡公道，也存在著(zhù)內漏現象。為了解決中溫中壓截止閥內漏、外漏題目，筆者經(jīng)過(guò)幾年的試驗研究開(kāi)發(fā)出雙重密封截止閥，雙重密封截止閥的密封性能比傳統結構截止閥有明顯進(jìn)步。雙重密封結構已獲得國家專(zhuān)利，專(zhuān)利號為ZL98226953.6.

　　二、雙重密封結構的研究

　　截止閥密封面材料配對常用的有兩種：金屬對金屬密封（簡(jiǎn)稱(chēng)金屬密封）和金屬對非金屬軟牧廈芊？簡(jiǎn)稱(chēng)軟密封）。

　　金屬密封截止閥密封結構可以看出，密封面的微觀(guān)結構中存在著(zhù)很多各式各樣的凸峰和凹溝，為了使截止閥封閉時(shí)密封不漏，必須進(jìn)步密封面的加工精度和粗糙度等級，并且對密封面施加很大的封閉力。由于對密封面施加了很大的力，密封面上必然存在著(zhù)很大局部接觸應力，對于采用具有“粘著(zhù)”傾向的金屬作為閥瓣、閥座密封面材料的截止閥，開(kāi)啟和封閉的瞬間，不可避免地存在擦傷現象，這是這類(lèi)截止閥壽命較短的主要原因之一。另外，對于金屬密封截止閥，即使進(jìn)步加工精度，要做到零泄漏也不是件輕易的事。

　　軟材料密封圈嵌進(jìn)閥瓣或用壓圈固定在閥瓣上。由于密封截止閥很輕易實(shí)現嚴密密封，保證泄漏量為零，且在加工中可以降低對密封面加工精度的要求，因此對于密封要求嚴格的液化氣截止閥和其它氣體介質(zhì)截止閥，這種軟密封結構得到廣泛應用。但是軟密封截止閥的軟密封面承壓能力差，由于手動(dòng)操縱的截止閥封閉力難以限定，當閥瓣密封面同閥體密封面接觸已能保證密封時(shí)，封閉動(dòng)作仍不能停止，因而輕易使軟材料出現永久性變形，尤其是當閥門(mén)長(cháng)期處于封閉時(shí)，由于軟密封面長(cháng)期受到過(guò)載壓力的作用而使其出現永久變形，一旦開(kāi)啟后再封閉就輕易失效。

　　針對軟密封截止閥密封嚴密但密封面承壓能力差，金屬密封截止閥密封面承壓能力強，但可能會(huì )出現擦傷，且為使金屬密封截止閥做到零泄漏，必然進(jìn)步截止閥加工精度等級的特點(diǎn)，筆者提出截止閥雙重內密封概念，即把金屬密封、軟密封各自的優(yōu)點(diǎn)組合在一起，形成一個(gè)以金屬密封為主密封，軟密封為副密封的截止閥新型密封結構。

　�。�1）方案一：此機構是由軟密封圈為彈性結構，內襯彈簧。封閉時(shí)，閥瓣向下運動(dòng)，首先接觸軟密封圈使之變形，然后接觸到金屬密封面，通過(guò)閥桿向下施加的力主要由金屬密封面承擔。金屬密封面和軟密封面共同組成了閥體密封面，金屬密封為主密封，軟密封為副密封，當金屬密封面有少量泄漏時(shí)，完全可由軟密封面保證密封。此雙重密封結構，閥瓣首先同軟密封圈接觸，由于封閉瞬間高速活動(dòng)的介質(zhì)可能破壞軟密封圈，因此該方案不甚理想。

　�。�2）方案二：此結構密封件由閥瓣、軟材料密封環(huán)、閥體金屬密封面組成，密封環(huán)通過(guò)壓環(huán)固定在閥體上。雙重密封結構中金屬密封為軸向主密封，軟密封為徑向副密封，當金屬密封面出現泄漏時(shí)，泄漏的介質(zhì)可被軟材料密封環(huán)密封，此軟材料密封環(huán)徑向密封結構可徹底避免軸向軟密封圈易被壓壞的缺陷，同時(shí)該結構加工簡(jiǎn)單，同普通截止閥相比，本錢(qián)不會(huì )增加多少。

　　根據對兩種方案的分析對比，確定方案二雙重內密封結構為所選取結構，根據這種雙重密封結構原理設計制造了公稱(chēng)壓力為2.5MPa，公稱(chēng)通徑為50mm的雙重密封截止閥樣機，并對樣機進(jìn)行靜壓壽命考核，以驗證此結構的公道性。靜壓壽命試驗進(jìn)行10000次，樣機性能完好、無(wú)泄漏。試驗結果表明，此雙重內密封結構是公道的，完全可以作為一種新的內密封結構在截止閥上得到應用。

　　三、填料密封材料選用及組合方式的研究

　　目前國內截止閥產(chǎn)品多采用單一的柔性石墨環(huán)填料。柔性石墨環(huán)填料是用柔性石墨板材剪成條纏繞在與閥桿直徑相同的棒上模壓制成的，制作工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。但單一柔性石墨環(huán)填料在應用中存在一些題目，主要表現在使用壽命短，操縱不到千次就出現泄漏。造成上述題目的主要原因是由于柔性石墨環(huán)填料在同閥桿的接觸過(guò)程中石墨顆粒向閥桿轉移并沉積在閥桿表面，一方面閥桿表面變得粗糙起來(lái)，另一方面閥桿在往復運動(dòng)過(guò)程中把部分沉積在其表面的石墨帶出填料函，造成填料的體積損失，使填料處出現泄漏。不論是試驗室試驗還是現場(chǎng)使用結果都證實(shí)了這一點(diǎn)。

　　為解決柔性石墨環(huán)填料在使用中存在的題目，作者對柔性石墨編織填料和柔性石墨環(huán)填料的組合使用進(jìn)行了試驗研究，試驗壓力為2.5MPa、填料函裝填5層填料，上下各一層裝填柔性石墨編織填料，中間三層裝填柔性石墨環(huán)填料，試驗結果表明，這種填料組合方式比較理想，同閥桿接觸的柔性石墨編織填料不僅沒(méi)有石墨轉移，而且對柔性石墨環(huán)填料轉移到閥桿上的石墨有擦拭作用，避免了填料的體積減小，明顯進(jìn)步了填料的可靠性，經(jīng)萬(wàn)次靜壓壽命考核填料處無(wú)泄漏。

　　四、金屬密封面堆焊材料選用研究

　　在蒸汽系統、生活用水系統，壓縮空氣系統使用中大量采用鑄鋼截止閥，其密封面長(cháng)期處于介質(zhì)之中，受到介質(zhì)的沖洗和腐蝕；同時(shí)，為保證截止閥密封，在密封面間必然施加一定的密封壓力，由于密封比壓的作用，截止閥閥瓣、閥座之間存在著(zhù)摩擦磨損。因此，為保證截止閥的密封，防止內漏，必然對密封面的材料及形成方式加以考慮。

　　國內目前截止閥密封面形成方式主要有6種：（1）直接在截止閥閥體、閥瓣上加工而成，此種方式主要用于銅截止閥、不銹鋼截止閥及用于油品介質(zhì)的截止閥；（2）用適當的材料加工成密封圈，把密封圈用機械連接方法、或螺紋連接方法、或壓合方法、或焊接方法分別安裝固定在截止閥閥體上和閥瓣上；（3）截止閥閥體、閥瓣上分別堆焊不銹鋼并加工成密封面；（4）截止閥基體金屬采用熱處理滲氮方法形成密封面，此種方法主要用于基體材料為特種合金的截止閥；（5）采用熱噴涂方法在基體金屬表面噴涂一層適當材料，經(jīng)加工形成密封面；（6）采用冷涂方法在基體金屬表面涂上一層適當材料，經(jīng)加工形成密封面，此方法適用于壓力、溫度不高，有耐腐蝕要求的截止閥。

　　目前碳鋼截止閥密封面主要采用在閥體、閥瓣上堆焊不銹鋼并加工的方法。國內中溫中壓碳鋼截止閥密封面采用的堆焊材料主要有Cr13型、鉻錳型和鈷基硬質(zhì)合金焊條。

　　Cr13型焊條堆焊層可通過(guò)熱處理使硬度大于35HR，從而進(jìn)步了密封面的抗壓傷能力，但是，Cr13型堆焊層合金組織結構簡(jiǎn)單，不能形成致密的、高強度的多相化合物組織，因此用Cr13型焊條堆焊的密封面，互溶性大，“粘著(zhù)”傾向大，抗擦傷能力差。固然通過(guò)熱處理方式可以調整閥體、閥瓣密封面硬度，使之形成硬度差，但即使密封副具有最佳的硬度差，密封副的抗擦傷能力也不是很理想。同時(shí)，Cr13型堆焊材料抗裂性不好，在堆焊時(shí)易出現裂紋，使用Cr13型焊材料焊前要預熱，焊后要進(jìn)行硬度差調整的熱處理，這增加了截止閥制造的工藝本錢(qián)。

　　鈷基合金堆焊焊條是一種理想的堆焊材料，抗腐蝕性、抗壓傷能力，抗沖蝕、氣蝕能力，抗擦傷能力都較好，常用來(lái)堆焊使用條件惡劣、抗磨損、抗腐蝕要求高的截止閥密封面。用鈷基硬質(zhì)合工堆焊焊條堆焊密封面的截止閥靜壓壽命一般都在6000次以上。但鈷基硬質(zhì)合金堆焊材料堆焊工藝復雜，價(jià)格較貴（是Cr13型焊條價(jià)格18倍），從制造本錢(qián)考慮，對于中溫中壓截止閥選用鈷基合金堆焊焊條也不是較佳選擇。

　　80年代中期以來(lái)，針對Cr13型焊條堆焊加工成的密封面抗擦傷能力不強的缺陷，國內有關(guān)單位陸續研制成功了85號鉻錳氮型堆焊焊條、137號鉻錳釴堆焊焊條。

　　85號焊條堆焊合金系Cr-Mn-N合金，具有優(yōu)良的抗水、蒸汽、油等弱腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，采用這種焊條堆焊截止閥閥體、閥瓣，密封面具有相當好的抗擦傷性能，抗擦傷性能優(yōu)于具有最佳硬度差的Cr13型堆焊合金。85號焊條堆焊工藝簡(jiǎn)單，抗裂性能好，堆焊時(shí)不需實(shí)施預熱、保溫順緩冷等工藝措施，同時(shí)由于閥體、閥瓣堆焊采用同一種焊條，且不需采用復雜的熱處理工藝調整閥體、閥瓣密封面的硬度差，這對組織生產(chǎn)極為方便，降低了生產(chǎn)本錢(qián)。筆者采用85號焊條堆焊閥體、閥瓣，制造了公稱(chēng)壓力2.5MPa，公稱(chēng)通徑50mm的雙重密封截止閥，并對雙重密封截止閥進(jìn)行10000次靜壓壽命試驗，試驗后對截止閥進(jìn)行解體觀(guān)察，閥體、閥瓣密封面沒(méi)有明顯擦傷痕跡。

　　137號焊條是85號焊條的改進(jìn)型，其堆焊合金屬Cr-Mn-B系合金，同85號焊條堆焊合金相比，137號焊條堆焊合金在抗裂性、可切削性和抗腐蝕性上稍差一些，且價(jià)格也貴一些（約為85號焊條價(jià)格1.5倍），但抗擦傷性能和抗氣蝕性能方面有明顯進(jìn)步，適用于中溫高（中）壓堆止閥的堆焊。

　　綜上所述，對于中溫中壓碳鋼截止閥，從綜合性能、堆焊工藝、加工工藝本錢(qián)等方面考慮，密封面堆焊材料選用85號焊條比較合適。

　　五、樣機性能測試結果

　　根據軸向為金屬密封，徑向為軟填料密封的雙重密封原理，按照GB/T12235-1989《鋼制截止閥與升降式止回閥》標準設計、制造了PN2.5、DN50雙重密封截止閥樣機，并對雙重密封截止閥樣機進(jìn)行了殼體試驗、液體密封試驗、氣體密封試驗、靜壓壽命試驗。

　　從樣機性能測試結果可以看出，雙重密封截止閥密封性能可靠，靜壓壽命長(cháng)，遠優(yōu)于普通結構截止閥。

　　以上內容均根據學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題整理而成，供參考，如有問(wèn)題請及時(shí)溝通、指正。