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          閥門知識

          氣動截止閥密封材料的選用

          2020-06-30

          氣動截止閥


          氣動截止閥摘要

          氣動截止閥借助氣動執行器快速運動,產生較大密封比壓,達到密封效果。與此同時,存在沖擊特性,現有軟密封結構使用壽命較短。如果用于較高壓力或含顆粒介質流工況,則壽命更短,甚至無法正常使用。采用工程塑料改性技術,研制一種新型高分子材料,用作程控氣動截止閥密封件,經實際使用考核,可以滿足輸送含顆粒介質流,日常溫度工況,使用壽命不小于100萬次的要求。同時價格明顯低于PTFE,PPL,較之PEEK更是數量級差距。也可用于其它類型閥門密封。

          氣動截止閥概述氣動截止閥工作原理動態圖

          氣動截止閥由于能夠實施管路中介質流的快速截斷或接通,因而得到廣泛使用。尤其是化學工藝流程,經常采用程序集中控制,將信號接收器裝在氣動執行器上,然后在集控室遙控,從而完成氣動截止閥的關閉或啟通動作。

          流體在管路輸送過程中,夾帶顆?,F象時有發生,要求氣動截止閥應滿足介質流含顆粒工況下仍可正常運行。某些使用場合,氣動截止閥處于頻繁關閉或啟通狀態。所以密封環既要應對含顆粒介質流,又要滿足頻繁撞擊鋼制閥座工況。如此負載疊加,工況是否苛刻。采用PTFE或其改性制作,短期失效。改用PPL,壽命稍有延長。即使采用昂貴PEEK,存在硬度匹配與制作不易,導致密封效果并不理想。一種命為改性PA高分子材料采用共聚或填充改性技術制取,可以達到100萬次使用壽命,而且價格對低廉。

          氣動截止閥密封設計

          氣動截止閥用于化工生產流程,要求遙控操作。根據使用場合,選用快速啟閉且安全、環保的氣動控制方式。

          密封設計,應按介質流工作壓力設定密封比壓,由氣動力和密封面積確定。因介質流含顆粒,故密封材料須適應工況,滿足使用要求。就機械設計而言,與閥座硬度匹配以及表面性能至關重要,一是實現密封,二是氣體流或液相流工況,其表面能有效規避顆粒沖蝕。

          氣動執行器0.5s內完成氣動截止閥啟閉動作,即閥瓣密封面高速撞擊閥座,沖擊載荷滿足密封的必須比壓,同時密封圈承受很大的壓縮、剪切交變壓力。頻繁啟閉工況,隨之產生疲勞應力疊加。

          所謂“軟密封”,是利用材料承受載荷的瞬時微變形達到密封效果。密封比壓消失,密封件隨之恢復原狀。通常氣動截止閥采用軟密封結構,即將截止閥原金屬閥瓣的密封功能轉移給非金屬密封環。密封環借助螺栓固定在鋼制的閥瓣架上,為了改善密封環與閥座的接觸,以提高密封性能,宜采用小直徑螺栓,但數量增多的均布設計。氣動截止閥軟密封示意圖

          圖1表示密封環與閥瓣架的聯接示意,閥體值閥座密封面視工況,可直接加工或堆焊硬質合金加工制成,也有采用壓(旋)入硬質合金密封圈結構。通常氣動截止閥公稱通徑DN50~DN300,公稱壓力1.0~2.5MPa。

          圖示軟密封結構,裝配時用螺栓通過壓板,將密封環固定在鋼質閥瓣架上。為了消除密封環因螺栓擰緊而可能產生的變形,將密封環連同閥瓣架夾在車床上精車平面,如此保證密封環的平面度。顯然該結構的閥瓣制造工序,較之硬密封,省去鋼質閥瓣與閥座的研磨工序,同時滿足快速又頻繁啟閉要求。其關鍵技術應根據使用工況,著力研制一種使用壽命長且經濟的密封環及其固位閥瓣。

          氣動截止閥的密封試驗

          標書注明,程控氣動截止閥用于化工生產流程,管道工作介質流夾帶少量顆粒,工作溫度一般不超過100℃,工作壓力2.5MPa,耐腐蝕不作專項要求,使用壽命不小于100萬次。

          PTFE是氣動截止閥密封環常用材料,也可以借助工程塑料改性技術提高工作性能,于此相應,改性PTFE成本明顯上升。即使將改性PTFE用于含顆粒介質流,密封環工作時,可以表現出對剛性顆粒的“吸納”性,也就是說,早期為密封面受損,不至于馬上失效。盡管PTFE或改性PTFE具有“吸納”功能,仍承受不了剛性顆粒的多次碰撞。實驗室模擬試驗或實際使用表明,用作密封環,適應不了含顆粒介質流工況,亦即使用壽命偏短,應改選其它材料或另癖蹊徑致力研發新材料。

          實驗室模擬試驗,限于條件,制造廠難以做到與化工生產流程相吻合的工況。實際操作時,將氣動截止閥按國家標準或行標規定,在液壓試驗臺通過密封考核,然后置于揚砂塵場地,揚塵氣流由風機吹細砂塵土,通過管道流向氣動截止閥,目測氣流含塵量約立方米300g。由電磁閥控制氣動執行器啟閉并計數,試驗示意圖如圖2所示。氣動截止閥模擬密封工況試驗示意圖

          啟閉一定次數后,再置液壓試驗臺考核密封,如出現泄漏,則表明密封失效。反之,密封試驗通過,則進行拆檢,觀察密封面狀況,是否存在局部損傷或完好如初,作為估算密封環使用壽命的原始資料之一。

          本試驗1萬次后,置液壓試驗臺考核密封,正常。隨之試驗3萬次后,考核密封,正常。接著試驗5萬次后,考核密封,正常。然后每試驗10萬次后,考核密封,正常??偣?8萬次,考核密封,正常。

          PPL類似于PPO,機械強度及適用溫度均超過改性PTFE,價格較之改性PTFE基本處于一個數量級,用作氣動截止閥密封環,其使用壽命也比改性PTFE有一定提高,但離100萬次尚有相當差距。

          PEEK兼具有熱固性塑料的耐熱性、化學穩定性和熱塑性塑料的成型加工性能。密度1.320g.cm-2(晶態),拉伸強度94MPa(23℃),彎曲強度145MPa,斷裂伸長率150%,沖擊強度83.4KJ/M2。表明其較高的力學強度,同時耐熱性也較好,玻璃化溫度Tg為143℃,熔點Tm為334℃,zui高連續使用溫度可達到240℃以上,熱變形溫度為135~160℃。

          PEEK的優良綜合性能曾引起壓縮機設計師關注,按氣閥閥片功能要求設計PEEK閥片并制訂材質組份和生產工序,得以成功用于活塞式壓縮機氣閥,顯示非金屬閥片的不凡性能。用作氣動截止閥密封環,其工況不同于壓縮機氣閥的彈簧、閥片組合之自動閥結構。密封環借助外力直接撞擊閥座,所以應考慮硬度匹配和制作工藝,否則實用效果也不甚理想。同時價格昂貴的PEEK用作普通氣動截止閥密封環,亦非上佳選擇。

          顯然研制一種低廉、并且滿足含顆粒介質流頻繁啟閉要求的密封環是氣動截止閥密封技術面臨課題,于是一種命為改性PA的密封環應運而生。

          氣動截止閥的改性PA的制取

          觀察氣動截止閥的閥瓣密封環工作狀態,實施關閉過程,由氣動沖擊力所產生密封比壓,使密封面瞬時變形達到密封效果,開啟過程,微變形消失。就某種意義而言,亦即材料具有彈性變形的自恢復功能。所以用作密封環材質應具備足夠的機械強度,同時兼有優良的沖擊強度和突出的摩擦磨損特性。

          明確制作密封環材質的基本構思,著手母材篩選,使其基本性能符合設想,然后采用共聚或填充改性技術達到預定目標。

          擬選母料,已內酰胺單體。分子式NH(CH2)CO,白色粉狀或片狀結晶體,相對密度1.023g/cm3,熔點68~70℃,沸點267.5℃,易溶于水、乙醇、乙醚、氯仿等有機溶劑,在空氣中極易受潮。

          采用已內酰胺陰離子催化,二次真空脫水工藝。視需要,欲使制品硬度較低,借助嵌段共聚制取沖擊強度大,斷裂伸長率大的材料力學性能達到;通常硬度可由填充改性獲得一般沖擊強度與斷裂伸長率的材料力學性能實現,嵌段共聚工藝,基本流程同填充改性,只是增添嵌段真空熔融設備。

          改性PA的成型工藝不同于一般塑料的注射成型制造過程??稍谳^低的化工流程溫度下,于常壓直接澆注入預熱模具內聚合成型,其生產工藝流程如下:

          已內酰胺單體→真空熔融→液態已內酰胺→已內酰胺混合液→真空→助催化劑→攪勻澆注→聚合成型→脫模切削加工→成品

          共聚改性屬于化學改性,通過聚合物的化學反應,改變大分子鍵上的原子或原子團的種類及其結合方式,由此聚合物的分子鍵結構發生變化,從而賦予其新的性能,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過程中,添加數量不等的填充劑亦滿足某種需要。隨著各種新型填充劑與偶聯劑的出現,逐漸被認為是一種功能型添加劑,可以使所希望的某種性能獲得明星提高。

          為了制取期望的新型材料,可以采用共聚改性輔之填充改性或二者并舉技術。高分子材料制取過程,往往某種組分或工藝的改變,綜合性能可能出現顧此失彼現象,某些領域滯后實際應用。例如,添加活性劑,實驗合成一種新型材料,但運用現有合成理論未必能闡述清楚。

          工程應用,注重實效。實驗室完成材料力學性能與摩擦磨損特性試驗,初選試樣借助模擬氣動截止閥密封工況進行試驗考核,再篩選較優式樣交付用戶作實際工況進一步使用考核。及時反饋、持續改進,獲得認可后,逐步推廣用于氣動截止閥系列。

          改性PA基本性能:密度1.14g/cm3,吸水率≤0.5%,拉伸強度65MPa,斷裂伸長率46%,彎曲強度92MPa,壓縮強度95MPa,沖擊強度113KJ/M2,熱變形溫度96~102℃,線脹系數10.8x10-5。摩擦磨損特性借助M-200磨損試驗機得出:無油潤滑,摩擦系數0.36~0.40,120min試驗,磨痕寬度2.5~3.6mm,磨損量0.46~0.78mm3;邊界潤滑,摩擦系數0.10~0.12,120min試驗,磨痕寬度2.5~3.0mm,磨損量0.40~0.71mm3。

          實際使用表明,所研制密封副滿足驅動截止閥用于含顆粒介質流工況啟閉100萬次要求,而且價格相當低。

          氣動截止閥的密封機理淺析

          密封環在含顆粒介質流工作,既要承受流體沖刷,又要經受顆粒撞擊。因為氣動截止閥啟閉速度很快,一旦碰上介質流剛性顆粒,將產生很大的沖擊載荷。一般密封環無法承受氣/固雙相工質量流沖刷,則密封面產生麻點,迅速導致失效。即使選用硬度較低,具有“吸納”顆粒功能的密封環,僅稍延遲失效而已。

          為了延長程控氣動截止閥密封環在含顆粒介質流工況的使用壽命。結構設計曾試圖在閥腔密封環前設法添加顆粒阻擋功能,一是增大管道流道阻力,二是被截留顆粒的處置。如果力圖避開二相介質流對密封面的沖蝕,關閉前用工質清除雜物,面對連續化工生產流程未必適用。

          本密封環利用某些高分子材料的潤滑特性,適當調節與閥座硬度匹配,以達到工程使用目的。

          處于液體介質流工況,密封環表面親水性在運動狀態建立流體潤滑特性,更兼與之匹配閥座硬度,使其當閥瓣實施快速啟閉過程,即使碰上剛性顆粒,也會滑離表面,從而避免密封面的損傷。表面親水性影響泄漏量,是因毛細孔特征作用有薄液膜,加大通過間隙的水壓力。

          同樣,處于氣體介質流工況,當閥瓣實施快速啟閉過程,密封表面的粗糙度及其與氣體的相容性,建立類似空氣軸承的“膜”。而且材料本身的自凈型,亦可避免類似塵埃小顆粒附著。即使碰上剛性固體顆粒,適宜的硬度和自潤滑表面,使顆?;x,具有保護密封面的功能。

          程控氣動截止閥是一種常用控制閥,量大面廣,應對含顆粒介質工況,即二相介質流,現有密封技術難以滿足使用壽命不小于100萬次的要求。為了適應苛刻工況,綜合考慮閥門整體結構設計,隨著現代材料科學的介入,借助工程塑料改性技術,研制一種具有某些獨特功能的新型高分子材料,用以氣動截止閥密封,可以達到不小于100萬次的使用要求,而且價格低廉。

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