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上海陆贡阀业有限公司
阀门知识

气动截止阀密封材料的选用

2020-06-30

气动截止阀


气动截止阀摘要

气动截止阀借助气动执行器快速运动,产生较大密封比压,达到密封效果。与此同时,存在冲击特性,现有软密封结构使用寿命较短。如果用于较高压力或含颗粒介质流工况,则寿命更短,甚至无法正常使用。采用工程塑料改性技术,研制一种新型高分子材料,用作程控气动截止阀密封件,经实际使用考核,可以满足输送含颗粒介质流,日常温度工况,使用寿命不小于100万次的要求。同时价格明显低于PTFE,PPL,较之PEEK更是数量级差距。也可用于其它类型阀门密封。

气动截止阀概述气动截止阀工作原理动态图

气动截止阀由于能够实施管路中介质流的快速截断或接通,因而得到广泛使用。尤其是化学工艺流程,经常采用程序集中控制,将信号接收器装在气动执行器上,然后在集控室遥控,从而完成气动截止阀的关闭或启通动作。

流体在管路输送过程中,夹带颗粒现象时有发生,要求气动截止阀应满足介质流含颗粒工况下仍可正常运行。某些使用场合,气动截止阀处于频繁关闭或启通状态。所以密封环既要应对含颗粒介质流,又要满足频繁撞击钢制阀座工况。如此负载叠加,工况是否苛刻。采用PTFE或其改性制作,短期失效。改用PPL,寿命稍有延长。即使采用昂贵PEEK,存在硬度匹配与制作不易,导致密封效果并不理想。一种命为改性PA高分子材料采用共聚或填充改性技术制取,可以达到100万次使用寿命,而且价格对低廉。

气动截止阀密封设计

气动截止阀用于化工生产流程,要求遥控操作。根据使用场合,选用快速启闭且安全、环保的气动控制方式。

密封设计,应按介质流工作压力设定密封比压,由气动力和密封面积确定。因介质流含颗粒,故密封材料须适应工况,满足使用要求。就机械设计而言,与阀座硬度匹配以及表面性能至关重要,一是实现密封,二是气体流或液相流工况,其表面能有效规避颗粒冲蚀。

气动执行器0.5s内完成气动截止阀启闭动作,即阀瓣密封面高速撞击阀座,冲击载荷满足密封的必须比压,同时密封圈承受很大的压缩、剪切交变压力。频繁启闭工况,随之产生疲劳应力叠加。

所谓“软密封”,是利用材料承受载荷的瞬时微变形达到密封效果。密封比压消失,密封件随之恢复原状。通常气动截止阀采用软密封结构,即将截止阀原金属阀瓣的密封功能转移给非金属密封环。密封环借助螺栓固定在钢制的阀瓣架上,为了改善密封环与阀座的接触,以提高密封性能,宜采用小直径螺栓,但数量增多的均布设计。气动截止阀软密封示意图

图1表示密封环与阀瓣架的联接示意,阀体值阀座密封面视工况,可直接加工或堆焊硬质合金加工制成,也有采用压(旋)入硬质合金密封圈结构。通常气动截止阀公称通径DN50~DN300,公称压力1.0~2.5MPa。

图示软密封结构,装配时用螺栓通过压板,将密封环固定在钢质阀瓣架上。为了消除密封环因螺栓拧紧而可能产生的变形,将密封环连同阀瓣架夹在车床上精车平面,如此保证密封环的平面度。显然该结构的阀瓣制造工序,较之硬密封,省去钢质阀瓣与阀座的研磨工序,同时满足快速又频繁启闭要求。其关键技术应根据使用工况,着力研制一种使用寿命长且经济的密封环及其固位阀瓣。

气动截止阀的密封试验

标书注明,程控气动截止阀用于化工生产流程,管道工作介质流夹带少量颗粒,工作温度一般不超过100℃,工作压力2.5MPa,耐腐蚀不作专项要求,使用寿命不小于100万次。

PTFE是气动截止阀密封环常用材料,也可以借助工程塑料改性技术提高工作性能,于此相应,改性PTFE成本明显上升。即使将改性PTFE用于含颗粒介质流,密封环工作时,可以表现出对刚性颗粒的“吸纳”性,也就是说,早期为密封面受损,不至于马上失效。尽管PTFE或改性PTFE具有“吸纳”功能,仍承受不了刚性颗粒的多次碰撞。实验室模拟试验或实际使用表明,用作密封环,适应不了含颗粒介质流工况,亦即使用寿命偏短,应改选其它材料或另癖蹊径致力研发新材料。

实验室模拟试验,限于条件,制造厂难以做到与化工生产流程相吻合的工况。实际操作时,将气动截止阀按国家标准或行标规定,在液压试验台通过密封考核,然后置于扬砂尘场地,扬尘气流由风机吹细砂尘土,通过管道流向气动截止阀,目测气流含尘量约立方米300g。由电磁阀控制气动执行器启闭并计数,试验示意图如图2所示。气动截止阀模拟密封工况试验示意图

启闭一定次数后,再置液压试验台考核密封,如出现泄漏,则表明密封失效。反之,密封试验通过,则进行拆检,观察密封面状况,是否存在局部损伤或完好如初,作为估算密封环使用寿命的原始资料之一。

本试验1万次后,置液压试验台考核密封,正常。随之试验3万次后,考核密封,正常。接着试验5万次后,考核密封,正常。然后每试验10万次后,考核密封,正常。总共98万次,考核密封,正常。

PPL类似于PPO,机械强度及适用温度均超过改性PTFE,价格较之改性PTFE基本处于一个数量级,用作气动截止阀密封环,其使用寿命也比改性PTFE有一定提高,但离100万次尚有相当差距。

PEEK兼具有热固性塑料的耐热性、化学稳定性和热塑性塑料的成型加工性能。密度1.320g.cm-2(晶态),拉伸强度94MPa(23℃),弯曲强度145MPa,断裂伸长率150%,冲击强度83.4KJ/M2。表明其较高的力学强度,同时耐热性也较好,玻璃化温度Tg为143℃,熔点Tm为334℃,zui高连续使用温度可达到240℃以上,热变形温度为135~160℃。

PEEK的优良综合性能曾引起压缩机设计师关注,按气阀阀片功能要求设计PEEK阀片并制订材质组份和生产工序,得以成功用于活塞式压缩机气阀,显示非金属阀片的不凡性能。用作气动截止阀密封环,其工况不同于压缩机气阀的弹簧、阀片组合之自动阀结构。密封环借助外力直接撞击阀座,所以应考虑硬度匹配和制作工艺,否则实用效果也不甚理想。同时价格昂贵的PEEK用作普通气动截止阀密封环,亦非上佳选择。

显然研制一种低廉、并且满足含颗粒介质流频繁启闭要求的密封环是气动截止阀密封技术面临课题,于是一种命为改性PA的密封环应运而生。

气动截止阀的改性PA的制取

观察气动截止阀的阀瓣密封环工作状态,实施关闭过程,由气动冲击力所产生密封比压,使密封面瞬时变形达到密封效果,开启过程,微变形消失。就某种意义而言,亦即材料具有弹性变形的自恢复功能。所以用作密封环材质应具备足够的机械强度,同时兼有优良的冲击强度和突出的摩擦磨损特性。

明确制作密封环材质的基本构思,着手母材筛选,使其基本性能符合设想,然后采用共聚或填充改性技术达到预定目标。

拟选母料,已内酰胺单体。分子式NH(CH2)CO,白色粉状或片状结晶体,相对密度1.023g/cm3,熔点68~70℃,沸点267.5℃,易溶于水、乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂,在空气中极易受潮。

采用已内酰胺阴离子催化,二次真空脱水工艺。视需要,欲使制品硬度较低,借助嵌段共聚制取冲击强度大,断裂伸长率大的材料力学性能达到;通常硬度可由填充改性获得一般冲击强度与断裂伸长率的材料力学性能实现,嵌段共聚工艺,基本流程同填充改性,只是增添嵌段真空熔融设备。

改性PA的成型工艺不同于一般塑料的注射成型制造过程。可在较低的化工流程温度下,于常压直接浇注入预热模具内聚合成型,其生产工艺流程如下:

已内酰胺单体→真空熔融→液态已内酰胺→已内酰胺混合液→真空→助催化剂→搅匀浇注→聚合成型→脱模切削加工→成品

共聚改性属于化学改性,通过聚合物的化学反应,改变大分子键上的原子或原子团的种类及其结合方式,由此聚合物的分子键结构发生变化,从而赋予其新的性能,得到具有期望性能的新材料。

填充改性指在聚合物的加工成型过程中,添加数量不等的填充剂亦满足某种需要。随着各种新型填充剂与偶联剂的出现,逐渐被认为是一种功能型添加剂,可以使所希望的某种性能获得明星提高。

为了制取期望的新型材料,可以采用共聚改性辅之填充改性或二者并举技术。高分子材料制取过程,往往某种组分或工艺的改变,综合性能可能出现顾此失彼现象,某些领域滞后实际应用。例如,添加活性剂,实验合成一种新型材料,但运用现有合成理论未必能阐述清楚。

工程应用,注重实效。实验室完成材料力学性能与摩擦磨损特性试验,初选试样借助模拟气动截止阀密封工况进行试验考核,再筛选较优式样交付用户作实际工况进一步使用考核。及时反馈、持续改进,获得认可后,逐步推广用于气动截止阀系列。

改性PA基本性能:密度1.14g/cm3,吸水率≤0.5%,拉伸强度65MPa,断裂伸长率46%,弯曲强度92MPa,压缩强度95MPa,冲击强度113KJ/M2,热变形温度96~102℃,线胀系数10.8x10-5。摩擦磨损特性借助M-200磨损试验机得出:无油润滑,摩擦系数0.36~0.40,120min试验,磨痕宽度2.5~3.6mm,磨损量0.46~0.78mm3;边界润滑,摩擦系数0.10~0.12,120min试验,磨痕宽度2.5~3.0mm,磨损量0.40~0.71mm3。

实际使用表明,所研制密封副满足驱动截止阀用于含颗粒介质流工况启闭100万次要求,而且价格相当低。

气动截止阀的密封机理浅析

密封环在含颗粒介质流工作,既要承受流体冲刷,又要经受颗粒撞击。因为气动截止阀启闭速度很快,一旦碰上介质流刚性颗粒,将产生很大的冲击载荷。一般密封环无法承受气/固双相工质量流冲刷,则密封面产生麻点,迅速导致失效。即使选用硬度较低,具有“吸纳”颗粒功能的密封环,仅稍延迟失效而已。

为了延长程控气动截止阀密封环在含颗粒介质流工况的使用寿命。结构设计曾试图在阀腔密封环前设法添加颗粒阻挡功能,一是增大管道流道阻力,二是被截留颗粒的处置。如果力图避开二相介质流对密封面的冲蚀,关闭前用工质清除杂物,面对连续化工生产流程未必适用。

本密封环利用某些高分子材料的润滑特性,适当调节与阀座硬度匹配,以达到工程使用目的。

处于液体介质流工况,密封环表面亲水性在运动状态建立流体润滑特性,更兼与之匹配阀座硬度,使其当阀瓣实施快速启闭过程,即使碰上刚性颗粒,也会滑离表面,从而避免密封面的损伤。表面亲水性影响泄漏量,是因毛细孔特征作用有薄液膜,加大通过间隙的水压力。

同样,处于气体介质流工况,当阀瓣实施快速启闭过程,密封表面的粗糙度及其与气体的相容性,建立类似空气轴承的“膜”。而且材料本身的自净型,亦可避免类似尘埃小颗粒附着。即使碰上刚性固体颗粒,适宜的硬度和自润滑表面,使颗粒滑离,具有保护密封面的功能。

程控气动截止阀是一种常用控制阀,量大面广,应对含颗粒介质工况,即二相介质流,现有密封技术难以满足使用寿命不小于100万次的要求。为了适应苛刻工况,综合考虑阀门整体结构设计,随着现代材料科学的介入,借助工程塑料改性技术,研制一种具有某些独特功能的新型高分子材料,用以气动截止阀密封,可以达到不小于100万次的使用要求,而且价格低廉。

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