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詳細解析小型波紋管閥門結構的設計

發布於:2020-06-25 15:45:00

  1、文章概述

  在氫及氫同位素處理係統中需要使用一種小型的(閥門通徑約Φ2mm) 抗氫脆、耐腐蝕、抗輻照的中低壓閥門。要求閥門的內、外密封性好,氦漏率<1×10-9Pa·m3/s,閥門的使用壽命>100 次。在氫及氫同位素環境長期貯存後,閥門應具有較高的工作可靠性。由於氫處理係統對氫氣的純度要求很高,不能使用普通的填料閥,特別是在處理氫同位素時,不允許閥門發生任何滲漏。為此,設計了外界無漏點的小型波紋管閥門作為氫係統用閥門。

  2、波紋管閥門工作原理

  波紋管閥門以波紋管作為閥杆密封元件(如下圖) 。波紋管一端焊接固定在閥蓋和閥座上,另一端焊接在閥杆上,閥杆上下運動帶動波紋管壓縮或拉伸,波紋管起閥杆密封和彈性元件的作用。關閉閥門時,閥杆向下移動,閥瓣隨之向下移動壓緊密封麵,閥門關閉。開啟閥門時,提升閥杆,閥瓣離開密封麵,閥門打開完成開啟動作。波紋管的軸向行程通過閥杆移動的機械限位控製。

小型波紋管閥門

  3、波紋管閥門類型及材料

  根據使用要求,小型波紋管閥門采用截止閥。截止閥在短行程的條件下能迅速開啟至全流量,且具有比其他形式的閥門( 如閘閥或蝶閥) 質量輕、體積小、操作靈活和使用方便的優點。由於閥門的工作介質為氫氣,對某些材料造成氫損傷或氫脆,從而導致材料失效而產生泄漏。因此閥門選用具有抗氫腐蝕的金屬材料,具有較高的機械強度和硬度,可以滿足長期使用後的密封可靠性和耐腐蝕性要求。

  4、波紋管閥門閥杆密封設計

  為了減少波紋管閥門的外泄漏點,將閥蓋與閥座焊接在一起。在開啟或關閉過程中,閥杆軸向移動,閥杆密封必須保證閥杆在軸向移動過程中閥杆與閥蓋之間的間隙很小,以防止流體泄漏。由於波紋管與閥杆可靠的焊接將閥杆與閥腔內的流體完全隔斷,保證流體無外泄漏的通道(如下圖所示)。

波紋管閥杆密封

  5、波紋管閥門設計

  (1) 波紋管閥門的波形及直徑

  應用於閥門的波紋管波形主要有U形和S形。在承受較高工作壓力和較大位移的條件下,采用多層U形波紋管。在工作壓力高,工作位移較小,有特殊要求的場合,采用S形波紋管。由於小型波紋管閥門公稱壓力為3MPa,因此需要選擇具有較高機械強度的波紋管材料。考慮波紋管材料強度太高會使成型相對困難,所以選用單層U形波紋的波紋管。參照波紋管相關標準和設計要求,波紋管內徑取Φ6mm,外徑取Φ10mm。

  (2) 波紋管閥門的波數

  波紋管波數根據閥門啟閉行程W確定。通常波紋管的單波結構位移約為波距的40%,單波最大許用位移約為結構位移的75%。使用位移為最大許用位移的50%~70% ,單波使用位移為( 0. 15 ~0. 2) t,因此波紋管波數n 為n = w/( 0. 15~0. 2)t

  式中W———閥門啟閉行程,mm

  N———波紋管波數

  t———波距,mm

  根據計算和實際使用條件,波紋管取6個波。

  (3)波紋管閥門的壁厚確定

  波紋管的壁厚s通常根據閥門的壓力等級按照相關標準和資料預先選定,再根據公式驗算波紋管的耐壓力。高壓波紋管一般采用多層結構,以降低波紋管的剛度和應力。波紋管耐壓力驗算時,應考慮波紋管波形在壓力作用下開始發生塑性變形時的最大耐壓力Pn(臨界失穩壓力)和產生總體失穩時的壓力PS(總體失穩壓力) 。根據實際條件,選取波紋管壁厚s=0.12mm。

  (4) 波紋管閥門的使用壽命確定

  為提高波紋管的使用壽命,應根據使用要求確定波紋管的工作位移和結構,使波紋管始終工作在良好的狀態。由於波紋管的行程不能超過工作位移,波紋管的軸向行程通過閥杆移動的機械限位控製,可采取一定的結構設計措施,避免驅動裝置螺紋副轉動使波紋管扭轉而產生的扭曲變形。壓力衝擊對波紋管使用壽命會造成影響。在快速關閉閥門過程中產生的壓力峰值會使波紋管產生較大變形,從而降低波紋管的使用壽命。由於許多情況難以預計,對波紋管的耐壓強度設計要留有餘地。如果波紋管使用和安裝不正確,工作時產生的各種附加應力,同樣會降低波紋管的使用壽命。

  (5) 波紋管閥門的端部結構

  通常波紋管端部與閥杆或法蘭采用焊接連接,因此在選用波紋管端部結構時,要同時考慮焊接和波紋管成形的工藝性。常用的兩種閥門用波紋管端部基本結構形式為N形和W形(圖下圖)。根據波紋管與閥杆和閥體的焊接結構,小型波紋管閥門的波紋管端部結構采用內配合形式,波紋管的具體結構參數和結構如下圖所示。

  波紋管的端部結構

  波紋管結構

  6、波紋管閥門內密封設計

  閥門的內密封是指閥座與閥瓣(啟閉件) 相互 接觸部分的密封。閥門密封麵經常受到介質的腐蝕和磨損,是閥門中容易損壞的部件,其結構和質量直接影響閥門的使用壽命。根據波紋管閥門的工作條件和使用環境,波紋管閥門密封麵應具有良好的密合性能(即密封麵應能很好地阻止介質滲透) ,多次使用後仍有很高的密封可靠性,密封麵能承受一定的結構強度。由於波紋管軸向行程較小,要求閥門密封麵開啟高度小。密封麵應耐氫腐蝕並有良好的加工性能。

  根據波紋管閥門開啟高度小的特點,結構設計上采用抬起高度小而能獲得較大通氣麵積的刀形平 麵密封結構。閥座密封麵加工成梯形刀口,閥瓣密封麵加工為平麵。該內密封結構不僅實現了平麵密封,又可獲得適中的密封軸向力。為了減少加工工序和降低加工難度,將密封麵直接在閥座上加工(如下圖) 。

  刀形平麵密封結構

  7、結語

  根據工作環境和使用要求,設計了小型波紋管閥門的內、外密封結構,達到了閥門要求的密封精度和長期使用後的密封可靠性。

  《小型波紋管閥門結構的設計》參考資料如下:

  《閥門用金屬波紋管力學特性研究》,作者:陳紅扣

  《閥門用波紋管的力學特性分析方法研究進展》,作者:吳宗萍,羊海濤

  《波紋管類組件的製造及其應用》,作者:徐開先

  《波紋管機械密封的應用》,作者:荊留紀,薑曉東

  《閥門用金屬波紋管的參數和結構設計》,作者:李增祥

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