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用于深冷工况的四偏心蝶阀

发布于:2016-05-28 15:36:46

  LNG、液氮以及其它深冷介质都是在低于-160℃的温度中工作的。用于这种条件的管道和装置对材质规格的要求不是很明确,也不难满足。《AD-2000规范》第W10章列出了大量可用于深冷工况承压部件的材质。管段连接法兰用的密封元件也同样是标准件,有若干供应商可以提供。最大的问题来自于阀门。对阀门材质和屈服程度的要求,都是沿用对相关管道的要求和计算方法算出的。阀轴密封通常是石墨材质,必须能承受超低温。在QUADAX系列中,PTFE(聚四氟乙烯)或PTFE/石墨复合材料都是可能的选择,它们能避免阀轴出现膨胀,也能使阀门可以装配横向阀轴。最困难的环节是阀门在超低温下的密封性能,不是向外界泄露,而是沿着管道方向。阀门的公称直接越大,泄露也就越严重。


  超低温下出现的问题


  在高温或常温下密封性能极好的阀门,在超低温下却很难做到密封,如果你知道了其中的原因可能会大吃一惊。密封失灵是由一种物理现象造成的,这种现象尽管在普通物理文献中鲜有提及但它确实存在。根据一般的文献可知,均匀各项同性金属的热胀冷缩和温度成线性关系。另外,热胀冷缩的程度和部件壁厚无关。这种理论认为无论部件的温度如何,只要是部件整体同时均匀降温或升温,部件上的圆孔始终都会保持圆形。根据这一理论,无论圆孔周围的壁厚是否一致,圆孔都将保持圆形。即使温度上升到1000℃,这种理论被证明仍然是正确的。但人们发现在低温下情况却不是这样的,大约从-40℃开始,金属的收缩不再呈现线性,而是根据部件壁厚不同呈现不同的收缩率。


  三偏心蝶阀


  三偏心蝶阀阀座的表面是由一个锥体的外表面加上一个圆形底面构成的。由于锥体是通过斜切加工的,锥体底面和锥轴并非成直角,阀座开口呈现圆形。考虑到上述事实,再加上阀体的外径并非圆形,因此三偏心蝶阀不同部位的壁厚必定是不均匀的。椭圆形阀座在阀体内耳轴区的轴长较短,该区域内壁厚也就较大,因为阀座在这个部位的体积较小。另外,我们发现多数阀门在轴承区域的材料厚度确实更大,尽管技术上并不需要这样。


  阀门的密封副通常是叠层材质,外形和阀座相匹配,所以也是椭圆形。从目前市场上供应的所有产品来看,密封复合层内侧上的孔通常都是圆形。这会产生不良的后果,密封副最厚的部位恰恰就是阀体壁厚最薄的部位,而且反之亦然。根据上述情况,再结合低温下非线性收缩的物理特性,在阀体收缩最剧烈的部位,密封副的收缩最小,反之亦然。毫无疑问,这种情况会导致阀门很难达到英国6364标准,常温下密封效果完好的三偏心蝶阀更是如此。需要注意的是,该标准允许公称直径600mm的阀门有3600ml/分钟的泄露率。


  艰难的折中


  三偏心蝶阀的叠层密封副必须具有多项功能。只有在密封副叠层的弹性和柔软程度恰好能允许密封副弥补掉锥形阀座表面最细微的瑕疵时,密封副才能实现其主要功能:零泄露。此外叠层密封副还必须承受阀门关闭时的作用力,因为全部的压差都会作用在阀碟上。密封副的第三项功能是充当蝶阀的限止装置。当阀门达到关闭位时,叠层密封副必须能阻止执行器继续动作。阀门设计师不得不寻找一种折中的办法,使密封副同时实现这三种功能。叠层密封副必须比较柔软并有足够弹性,才能使阀门实现零气泡密闭。与此同时还要有足够的强度和刚性,才能承受阀门关闭后的压差作用力,以及执行器扭矩造成的额外作用力。实践证明这样的折中点很难找到,如果是大尺寸或高压差阀门就更困难了。对于用在深冷工况的三偏心蝶阀,那就难上加难了。


  四偏心蝶阀设计


  QUADAX蝶阀的四偏心设计非常独特并已申请了专利,即使它采用了叠层密封副,也无需像对待三偏心设计那样寻找任何折中方案。由于采用了四偏心设计,对密封副就可以采用普通的设计规范。这意味着密封副可以非常柔软和弹性,不用具备其它功能。市场上有售的标准Inconel O型环就可以作为纯金属密封副用在这里,不用考虑再增加石墨等软性材质。不仅如此,四偏心设计还能将原本施加于叠层密封副上的所有作用力和扭矩都转移到坚硬的不锈钢实心阀碟上。


  另外,QUADAX的阀体特意采用了各种壁厚都很均匀的设计。而且密封副的各处壁厚也是相同的。甚至在阀体的轴承区域也不存在额外的材料。这样就保持了密封副、阀座以及阀门的各个部位都有相同的热胀冷缩特性,而且是对称的。所以即使尺寸很大,QUADAX仍具有极好的密封性能。


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