低溫球閥閥座結構型式的試驗分析

　　作者選取了球閥常用密封閥座的三種型式，在液氮中進(jìn)行試驗。利用試驗結果分析比較了三種閥座低溫條件下的形態(tài)，從而得出了大口徑低溫球閥閥座結構設計要點(diǎn)。

引言

　　球閥具有流阻小、結構簡(jiǎn)單、啟閉快速、安裝和操作方便等特點(diǎn)，廣泛應用于流體控制系統。按介質(zhì)的溫度范圍劃分， 球閥有常溫球閥和低溫球閥。低溫球閥工作介質(zhì)的溫度可達20K(液氫)，甚至更低。與常溫球閥相比，低溫球閥的結構以及材料選擇上有很大不同。除了閥體需采取保溫結構，如真空絕熱或發(fā)泡保溫外，主密封結構，即閥座結構及其材料的選擇是影響低溫球閥工作性能的重要因素， 尤其是大口徑低溫球閥。

　　本文對常溫狀態(tài)下常用結構型式的閥座進(jìn)行了低溫試驗， 在分析試驗結果的基礎上提出了滿(mǎn)足大口徑低溫球閥使用要求的閥座結構型式。

1、常溫狀態(tài)下閥座常用的結構型式

　　常溫狀態(tài)球閥常用的閥座結構型式有剛性閥座、帶彈性元件的閥座、聚四氟乙烯唇式閥座和組合型閥座(彈性脹圈與聚四氟乙烯唇式密封座組合)。唇式閥座的唇形結構具有較好的彈性， 可保證密封面的預壓縮量并對密封面的預壓縮量進(jìn)行補償; 組合型閥座依靠彈性脹圈良好的彈塑性變形能力， 增強閥座的變形能力和補償能力，提高了球閥的密封性。常用密封結構見(jiàn)圖1～圖5。

圖1 剛性閥座　　圖2 唇式閥座

圖3 帶蝶形彈簧的閥座

　　實(shí)際使用中， 選用哪種閥座結構需視球閥的工作壓力范圍、介質(zhì)、工作流程要求等情況確定。

2、閥座低溫試驗及結果分析

　　2.1、低溫試驗閥座的結構型式選擇

　　所涉及低溫球閥的工作介質(zhì)一般為液氧、液氮和液氫， 低溫試驗閥座的材料需具有介質(zhì)相容性又滿(mǎn)足低溫工作要求。金屬材料一般為不銹鋼或銅、鎳基合金材料;密封材料一般為聚四氟乙烯(PTFE、F4)。在分析的基礎上， 確定選擇3 種閥座作為低溫試驗的樣本，即整體式剛性閥座(圖6a)、帶彈性脹圈的組合型閥座(圖6b)、嵌入式剛性閥座(圖6c)。

圖6 閥座結構型式

　　嵌入式剛性閥座是將聚四氟乙烯密封圈以過(guò)盈配合嵌入金屬座的溝槽中。金屬座溝槽的內圓面有5°的斜角，使得密封圈壓入后單邊局部有0.5mm 的間隙，作為密封圈的收縮空間。

　　2.2、閥座低溫試驗

　　1)試驗流程

　　閥座低溫試驗時(shí)， 將不同結構型式的閥座裝配在DN150 的氣動(dòng)球閥上，分別進(jìn)行低溫介質(zhì)試驗，測試相關(guān)性能。試驗參照QJ 2474《低溫球閥通用技術(shù)條件》的規定，采用通流法試驗。試驗流程見(jiàn)圖7。

圖7 閥座低溫試驗裝置原理圖

3、結語(yǔ)

　　通過(guò)對三種不同結構的閥座進(jìn)行低溫驗證試驗，分析認為：

　　(1)低溫球閥的閥座結構設計需考慮限制聚四氟乙烯密封圈的徑向收縮量， 防止球體與閥座的摩擦力過(guò)大;在限制密封圈徑向收縮的同時(shí)，還需考慮釋放低溫狀態(tài)下產(chǎn)生的應力。

　　(2)閥座聚四氟乙烯密封圈的徑向尺寸，在保證密封比壓不超過(guò)許用比壓的前提下應盡量減小，且結構型面不宜過(guò)于復雜，壁厚應盡量均勻;在結構允許的情況下，密封圈的厚度應盡量大，增加抗拉應力的能力。

　　(3)在限制聚四氟乙烯密封圈徑向收縮的同時(shí)需考慮釋放其在溫度大范圍變化狀態(tài)下產(chǎn)生的應力。