提升式硬密封旋塞閥的工藝與設(shè)計

張麗智

溫州市臺益閥門有限公司，浙江溫州 325101

0 引言

旋塞閥廣泛地應(yīng)用于油田開采、輸送和精練設(shè)備中，同時也廣泛用于石油化工、化工、煤氣、天然氣、液化石油氣、暖通行業(yè)以及一般工業(yè)中。

在使用中， 提升式硬密封旋塞閥的主要失效形式是沖蝕磨損。雖然，通過表面熱處理或堆焊硬質(zhì)合金等方法能提高硬密封旋塞閥的使用壽命和耐擦傷性能，但仍然不能滿足輸送微顆?；蚶w維等特殊介質(zhì)的要求。通過工藝難點(diǎn)的解決，設(shè)計的優(yōu)化，可以顯著改善提升式硬密封旋塞閥的使用性能。

1 結(jié)構(gòu)特征

在顆粒介質(zhì)中，顆粒物會依附在旋塞的表面，如果直接轉(zhuǎn)動旋塞體時會出現(xiàn)刮傷密封面現(xiàn)象。為了避免上述情況的問題，通過旋塞頂端設(shè)計的提升機(jī)構(gòu)來解決此種情況。驅(qū)動裝置傳動提升式硬密封旋塞閥其結(jié)構(gòu)如圖1 所示?；竟ぷ髟頌椋洪_啟閥門時傳動裝置轉(zhuǎn)動閥桿的螺紋使旋塞體上升。旋塞體和閥體密封面脫離后再驅(qū)動旋塞轉(zhuǎn)動90 度到閥門全打開。關(guān)閉時傳動裝置使旋塞先轉(zhuǎn)動90 度至關(guān)閉位置后，旋塞體不再轉(zhuǎn)動，驅(qū)動力轉(zhuǎn)動螺紋后使旋塞體下降，與閥體密封面接觸達(dá)到密封。提升式硬密封旋塞閥兩側(cè)閥座密封面均可密封，閥門的使用不受介質(zhì)流向的限制。提升式硬密封旋塞閥關(guān)閉時，可通過手輪和閥桿對閥座密封面加壓，通過加大密封比壓，可使旋塞閥具有更好的密封性能。閥座密封面凸起，便于密封面清洗，密封面不易積存結(jié)晶介質(zhì)，或固體顆粒。固常用于化工裝置的高溫場合。

圖1 驅(qū)動裝置傳動提升式旋塞閥的結(jié)構(gòu)示意圖

2 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

2.1 圓錐面加工的問題

在臥式車床上利用靠模板裝置加工圓錐面，用靠模板裝置加工圓錐面的優(yōu)點(diǎn)是：能自動進(jìn)給，加工精度高，表面粗糙度Ra 值較低。

加工圓錐面時刀具的安裝非常重要。如刀尖未對準(zhǔn)圓錐面的中心，車出的圓錐面則呈現(xiàn)出雙曲線形。根據(jù)圓錐體形成的原理，通過圓錐體中心圓錐母線應(yīng)是一條直線。如將一個標(biāo)準(zhǔn)圓錐體離開軸線處加工，則其剖面形狀是曲線。

所以，車刀不得裝的過高于或過低于圓錐體中心。為獲得精度高的圓錐面，加工時必須把刀尖對準(zhǔn)圓錐體的中心。旋塞閥圓錐面是連續(xù)切削，刀具在沖擊下工作很容易崩掉刀尖；切削力的變化又會引起切削過程中的抖動，而影響圓錐面的精度和粗糙度。

為了避免崩掉刀尖和防止抖動，采用剛性好的刀桿，變注意選擇適合早沖擊下工作的刀具幾何形狀和調(diào)整小刀架與溜板活動面間的間隙，使之合適，不至于過大。

加工鑄鋼旋塞閥的圓錐密封面時，直徑方向的加工余量一般為7mm`10mm，切削速度為80m/min，進(jìn)給量為0.2mm/r。精加工余量為0.4mm，切削速度為120m/min，進(jìn)給量為0.08mm/r，加工表面的表面粗糙度Ra 可達(dá)1.6μm。

2.2 圓錐面表面處理的問題

目前的鍍硬鉻、滲氮表面處理技術(shù)很難滿足微顆粒等介質(zhì)工況，表面的硬度隨著時間的推移很容易出現(xiàn)刮傷、表面處理層脫落等情況，使用壽命周期不長，給經(jīng)濟(jì)造成難以估計的損失。

為了解決這種難題，旋塞體圓錐面采用超音速噴熱涂技術(shù)和閥體圓錐面自動埋弧堆焊硬質(zhì)的組合密封副，這種鎳基合金和碳化鎢(WC)調(diào)配百分比能使噴焊層與基體材質(zhì)有較高的結(jié)合強(qiáng)度，如此高的結(jié)合強(qiáng)度，使噴焊層能承受強(qiáng)烈的機(jī)械沖擊及熱沖擊而不會產(chǎn)生脫落。這樣解決了表面硬度不足、不耐磨、不耐沖蝕的問題。

閥體圓錐面堆焊硬質(zhì)合金，合金層加工后厚度≥2mm，硬度＞613HV。自動埋弧堆焊硬質(zhì)合金技術(shù)工藝特點(diǎn)：堆焊過程自動化，堆焊生產(chǎn)效率高，堆焊質(zhì)量穩(wěn)定。

自動埋弧堆焊硬質(zhì)合金技術(shù)工藝參數(shù)：電源極性為直流反極，焊劑為HJ260，堆焊電流在280A～300A，電弧電壓在28V～30V，堆焊速度在550mm/min～650mm/min，焊絲直徑取Φ2，焊絲送給速度130mm/min～160mm/min，焊絲伸出長度通常取20～60mm，焊絲伸出長度不得超出偏差±（5～10）mm，焊絲的傾斜角度保持在6°～8°，堆焊層厚度3.5mm～4.5mm。

旋塞體圓錐面噴焊WC 碳化鎢，WC 碳化鎢加工后，厚度≥2mm，硬度1000HV～1300HV。

超音速噴熱涂技術(shù)工藝特點(diǎn)：超高的焰流速度和相對較低的溫度；粉粒受熱均勻；噴涂粉末細(xì)微，噴層光滑；涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高。

超音速噴熱涂技術(shù)工藝參數(shù)：使用DJ 系統(tǒng)噴涂WC-CO涂層，當(dāng)送粉量在38g/min～70g/min 之間變化時，涂層孔隙率在1.12%～2%之間，顯微硬度在1000HV～1300HV，粉末沉積率為40%～50%范圍，涂層性能優(yōu)良。

2.3 圓錐面珩磨的問題

2.3.1 工作原理

圓錐面珩磨必須在臥式車床上增加靠模板裝置和改裝的珩磨裝備，圖2 為滾動珩磨的工作原理，圓錐體裝夾在卡盤或者工裝上，傾斜安裝著的珩磨輪以一定的壓力與圓錐面接觸。

當(dāng)圓錐面以VG 的線性速度旋轉(zhuǎn)時，由于摩擦力的作用珩磨輪以VS 的速度繞自身的軸線轉(zhuǎn)動。

同時珩磨輪還沿圓錐體軸向的方向作往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動。因珩輪軸線跟圓錐面軸線有交角α，故在圓錐面與珩輪旋轉(zhuǎn)的同時，它們之間產(chǎn)生相對的滑移，其滑移速度稱為VH。珩磨輪與圓錐面相對滑動時，磨粒就在圓錐面切去極薄的一層金屬。珩磨輪沿圓錐面軸向往復(fù)運(yùn)動使圓錐面得到交叉重疊的網(wǎng)狀痕跡，因此珩磨也能獲得Ra0.4～Ra0.25 的表面粗糙度。

圖2

從圖1 可知：

VS=VGcosα ；VH=VGsinα

珩磨輪傾角α 越大，相當(dāng)滑動速度VH 大，效率也越高。但是α 角過大會產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，故一般取α 取10°～35°。

2.3.2 珩磨速度

滾動珩磨時圓錐體的旋轉(zhuǎn)速度增大時，圓錐面的光潔度也有明顯的提高，但速度過高會產(chǎn)生抖動的現(xiàn)象，從而影響加工質(zhì)量。滾動珩磨的VG 通常取60～80m/min。滾動珩磨時的進(jìn)給量粗珩為0.2mm/r～0.4mm/r，精珩為0.05mm/r～0.15mm/r。

2.3.3 珩磨壓力

滾動珩磨時磨輪單位面積上接觸所受的力稱為珩磨的切削壓力。切削壓力大小將直接影響珩磨效率和加工表面的質(zhì)量。切削壓力不能過大或過小。切削壓力珩磨時粗珩一般取0.8MPa～1MPa；精珩一般取0.4MPa～0.6MPa。

2.3.4 珩磨的潤滑冷卻液

潤滑冷卻液不僅能沖刷掉磨具上的磨粒和切削粉末，還可以降低珩磨時的切削熱量。正確選用潤滑冷卻液不僅能改善被加工圓錐面的質(zhì)量，還能提高珩磨的效率。加工鑄鋼和鍛鋼常選用粘度小、滲透性強(qiáng)的煤油作潤滑冷卻液。根據(jù)經(jīng)驗，在煤油中加入30%左右的20 號機(jī)械油后圓錐面的質(zhì)量更好。

2.3.4 珩磨的余量

珩磨是一種光潔加工方法，切削量很小，其加工余量不宜過大。余量過大不僅會影響圓錐體的幾何形狀精度，還會降低生產(chǎn)效率。珩磨余量的大小與預(yù)加工的精度和表面質(zhì)量相關(guān)。一般直徑余量為0.01mm～0.15mm 時，一次精珩磨就行。當(dāng)直徑余量大于0.04mm 時，為了提高珩磨效率常使用不同粒度的磨具進(jìn)行粗、精兩次珩磨。粗珩切去余量的65%～70%，精珩切去余量的30%～35%。

2.3.5 珩磨輪的選擇

珩磨輪的性能取決于磨料的種類、磨料的粒度、磨具的硬度和磨具的結(jié)合劑。珩磨輪使用的磨料主要是白鋼玉和碳化硅。按加工工件選擇磨料。碳鋼和不銹鋼通常選用白鋼玉磨輪。

磨具的粒度越粗，生產(chǎn)效率高，但表面光潔度較差；磨具的粒度越細(xì)，生產(chǎn)效率低，但表面光潔度較好。一般粗磨時選用60#～150#；精磨時選用240#～W28。

珩磨輪的硬度要根據(jù)加工工件選擇。磨具的硬度過高，磨粒已鈍仍未脫落，是磨具與工件之間摩擦力增加，工件表面過熱而出現(xiàn)燒傷，從而造成表面光潔度惡化；磨具的硬度過低，磨粒還未磨鈍就脫落下來，從而加快了磨具的磨損。

珩磨較硬的金屬材質(zhì)時，磨粒易于磨鈍，為保持較好的切削性能和避免工件過熱，應(yīng)選用較軟的磨具。加工較軟的材質(zhì)，磨具的硬度應(yīng)較高。但珩磨特別軟的材料時，為避免切削堵塞磨具表面，磨具的硬度也要選硬一些。

2.4 圓錐面研磨的問題

研磨是切削量極小的光整加工方法，研磨旋塞體可采用旋塞體研磨機(jī)或手工研磨，依實(shí)際情況選擇研磨方法。

先將旋塞體研磨好，然后直接將旋塞體與圓錐孔配研。圓錐孔表面配研時，先在擦凈了的旋塞體上均勻地涂上一層研磨劑，輕放在圓錐孔上用手加壓并旋轉(zhuǎn)旋塞體，旋轉(zhuǎn)3～4 后，可將旋塞體拔出一些改變圓周位置后在進(jìn)行研磨。在研磨過程中應(yīng)經(jīng)常添加研磨劑。

研磨好后的密封面還要用毛氈加氧化鉻等磨料進(jìn)行拋光，以提高密封面的光潔度及去除個別嵌留在密封面上的磨粒，不然，閥門在密封面試驗時易出現(xiàn)泄漏。

2.5 裝配工藝的問題

旋塞閥通常是以閥體作為基準(zhǔn)零件按工藝規(guī)定的順序和方法進(jìn)行裝配。裝配前要對零、部件進(jìn)行檢查，防止未去毛刺和沒有清洗的零件進(jìn)入總裝。裝配過程中，零件要輕拿輕放，避免磕碰、劃傷已加工表面。對旋塞閥的運(yùn)動部位（如閥桿等）應(yīng)涂以工業(yè)用黃油。閥蓋與閥體中法蘭多采用螺栓連接，緊固螺栓時，應(yīng)對稱、交錯、多次、均勻地擰緊，否則閥體、閥蓋的結(jié)合面會因圓周受力不均而發(fā)生滲漏。緊固時使用的搬手不宜過長，避免預(yù)緊力過大而影響螺栓強(qiáng)度?？傃b完成后，應(yīng)旋轉(zhuǎn)操縱機(jī)構(gòu)，以便檢查旋塞閥啟閉件的運(yùn)動是否靈活，有無卡阻現(xiàn)象。閥蓋、支架等零件的安裝方向是否符合圖紙要求，各項檢查都合格后的閥門方能進(jìn)行試驗。

2.6 設(shè)計計算

提升式硬密封旋塞閥的設(shè)計核算必須考慮的問題如下：壁厚、旋塞體的通道面積、旋塞體的扭矩及扭應(yīng)力的驗算。只要綜合考慮工況介質(zhì)和使用壓力等各方面參數(shù)，加上合理設(shè)計，不僅可以節(jié)省材料，還能提升后續(xù)加工的效率。下面以表1 參數(shù)為例，來進(jìn)行設(shè)計。

表1

2.6.1 壁厚

其中 p 為公稱壓力，單位：MPa；

DN為計算內(nèi)徑，單位：mm；

[ ?L]為許用拉應(yīng)力，單位：MPa；C 為腐蝕余量，單位：mm；

圖3

圖4

2.6.2 旋塞體的通道面積

F = 2.5? B2（2）；

其中 B 為通道孔的中心處寬度，

B=0.57·d（3） ，單位：mm；

d 為公稱直徑DN，單位：mm；

F 為通道孔面積，單位：mm2；

將d=100 代入(3)式之中，得B=57；再將B 代入(2)式之中，

得F=8122.5。

圖5

2.6.3 旋塞體的扭矩及扭應(yīng)力

M=Mf+MT+MJ（4）；

MJ為介質(zhì)壓力引起的摩擦力矩，MJ=FMJfMDP/2（7），單位：N·mm；

M 為最大轉(zhuǎn)矩(帶填料)，單位：N·mm；

q 為密封比壓，q=2·p（9），單位：MPa；

FT為填料與閥桿摩擦力，F(xiàn)T=FTd b Pψ （10），單位：N;

Dp為旋塞體平均直徑，單位：mm；

fM為密封面摩擦系數(shù)，單位：無；

α 為旋塞體錐半角，單位：°；

dF為閥桿直徑，單位：mm；

D1為旋塞體大端直徑，單位：mm；

D2為旋塞體小端直徑，單位：mm；

Ψ 為無石棉填料系數(shù)，單位：無；

p 為公稱壓力，單位：MPa；

將Dp=81、fM=0.08、α=4、dF=28、D1=89.7、D2=72.3、Ψ=1.08、p=2 分別代入(5)～(11)式之中；再將Mf=816527.3、MT=6773.8、MJ=50868 代入(4)式之中，得M=874169。

τN= 4.8M /S3(12);

其中M 為最大轉(zhuǎn)矩(帶填料)，單位：；

S 為扳手方的邊長，單位：mm；

Nτ 為旋塞體最大扭應(yīng)力，單位：MPa；

[τN]為許用扭應(yīng)力，單位：MPa；

將M=765744.7、S=34 代 入(12) 式 之 中，得 Nτ =106.8；[τN]=110，τN≤[τN]，符合要求。

3 結(jié)論

提升式硬密封旋塞閥工藝難點(diǎn)的解決和設(shè)計的優(yōu)化，針對高溫、顆粒等介質(zhì)而進(jìn)行改進(jìn)；通過高溫模擬、耐磨模擬實(shí)驗及實(shí)使用際證明，提升式硬密封旋塞閥適用于化工、石油、輕紡、水電、食品制藥、醫(yī)藥、電力等工業(yè)管道的系統(tǒng)控制，切斷或接通管路介質(zhì)。對于提升式硬密封旋塞閥的使用性能的提高，可以使其應(yīng)用領(lǐng)域得到更廣泛的拓展。

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