介紹了一種新型高壓大通徑不銹鋼氧氣截止閥的結(jié)構(gòu)特點、主要技術(shù)參數(shù)、材料選用和試驗，進行了截止閥的流場仿真計算分析。

1、概述

　　用于高壓氧氣的管路與閥門具有特殊的技術(shù)要求，如防靜電、閥門流道和內(nèi)表面的形狀、材料選擇、密封面設(shè)計、閥瓣和閥桿的防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等都要求較高。目前研制的高壓大通徑氧氣截止閥基本都選用蒙乃爾合金材料，價格昂貴。本文介紹了一種按照GB16912-2008和IGCDOC13/02/E所規(guī)定的各種條款設(shè)計的新型高壓大通徑不銹氧氣截止閥。

2、主要技術(shù)指標(biāo)

　　公稱通徑　DN250

　　公稱壓力　15MPa

　　工作介質(zhì)　99.5%氧氣

　　工作溫度　-10～50℃

　　結(jié)構(gòu)型式　角式

　　最大工作壓力　12MPa

　　實際最大工作流量　27.5kg/s

3、結(jié)構(gòu)

　　研制的DN250、900磅級氧氣截止閥(圖1)為氣動驅(qū)動。當(dāng)氣缸活塞上端通氣下端排氣時閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，依靠閥瓣和閥座密封面的壓緊變形將介質(zhì)封閉在入口。當(dāng)活塞上端排氣下端通氣時閥門打開，閥瓣的行程通過上密封限位來保證。在支架上預(yù)留兩個窗口，可以隨時對填料進行壓緊。套筒和閥座的密封采用金屬纏繞墊密封。

圖1　氧氣截止閥

　　3.1、閥蓋

　　閥蓋結(jié)構(gòu)有上裝式、下裝式和自緊式等。上裝式和下裝式閥蓋受介質(zhì)壓力較大，通常使用在公稱壓力不超過26MPa的閥門。上裝式閥蓋適用于直通式、角式和直流式等結(jié)構(gòu)的閥門，下裝式閥蓋在高壓情況下通常只使用在角式閥門中。下裝式閥蓋較容易解決閥座與閥體的固定問題，方便閥座的安裝、維修和更換。自緊式閥蓋結(jié)構(gòu)通常使用在高壓情況，一般不小于26MPa磅級。但自緊式閥蓋結(jié)構(gòu)對零件的加工精度和裝配技術(shù)有較高的要求。考慮到采用平衡式結(jié)構(gòu)，并且氧閥有低壓使用工況，所以閥蓋采用上裝式結(jié)構(gòu)。

　　3.2、閥座

　　高壓截止閥密封副選用金屬密封。常用的金屬密封結(jié)構(gòu)有平面密封、錐面密封和線密封。平面密封的工藝性好，閥瓣導(dǎo)向要求不高。錐面密封和線密封的閥瓣則需要精密定位導(dǎo)向。由于截止閥的套筒可以為閥瓣提供很好的導(dǎo)向，閥座選用錐面密封，密封面半錐角為30°。為了提高閥座的密封性和壽命，需要對閥瓣和閥座的密封面進行堆焊和研磨。因堆焊時要進行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，故將閥座與閥體設(shè)計為分體式。先在閥座上堆焊后，再將閥座焊接到閥體上(圖2)。

圖2　氧氣截止閥閥座結(jié)構(gòu)

　　3.3、閥瓣和閥桿防轉(zhuǎn)

　　閥桿防轉(zhuǎn)采用兩個防轉(zhuǎn)夾板和一個鍵與閥桿通過螺釘緊固，在一個防轉(zhuǎn)夾板上伸出防轉(zhuǎn)螺栓桿與閥體支架的導(dǎo)向槽配合(圖3)，確保閥桿只能進行上下移動，不會發(fā)上旋轉(zhuǎn)。閥瓣和閥桿通過鎖緊螺母連接，鎖緊螺母和閥瓣之間通過安裝一個螺釘實現(xiàn)防松。閥瓣中有一個通過電火花加工的孔，孔中安裝了一個圓柱銷，與閥桿頭部銑出的一個槽進行配合，該結(jié)構(gòu)可以防止閥瓣與閥桿之間發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)(圖4)。

　　3.4、閥桿密封

　　閥桿密封采用填料結(jié)構(gòu)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，填料選用6層增強聚四氟乙烯V形填料。閥桿填料密封可能會因為溫度變化、填料蠕變、磨損和擠出等原因出現(xiàn)填料松弛現(xiàn)象，維護不及時可能會引發(fā)泄漏事故。氧氣截止閥的閥桿密封結(jié)構(gòu)中，采用帶碟形彈簧加載的活載壓緊結(jié)構(gòu)(圖5)，碟形彈簧可以使填料保持相對恒定的壓緊力，避免填料密封出現(xiàn)松弛或過壓現(xiàn)象，提高填料使用壽命，延長維護周期。

圖3　閥桿防轉(zhuǎn)

圖4　閥瓣防轉(zhuǎn)

圖5　閥桿密封

　　3.5、上密封

　　上密封是閥門全開時，阻止介質(zhì)向填料函處滲漏的一種密封結(jié)構(gòu)，通常采用錐形密封或球面密封。上密封閥座通常設(shè)在閥蓋或閥體上，上密封閥瓣通常設(shè)在閥桿上。為了降低成本，將上密封閥瓣設(shè)在鎖緊螺母上，閥瓣壓蓋與閥瓣通過O形圈實現(xiàn)端面密封，但此結(jié)構(gòu)中閥瓣壓蓋與閥桿存在一定的間隙，上密封閥瓣的導(dǎo)向較差，不宜采用錐形密封，故采用球形密封(圖6)。上密封閥座在閥蓋上直接加工，考慮到密封力較大，采用120°錐面，閥瓣壓蓋加工成球面。

圖6　上密封

　　3.6、防靜電設(shè)計

　　根據(jù)GB16912-2008，氧氣(包括液氧)設(shè)備、管道、閥門的法蘭連接和螺紋連接處，應(yīng)采用金屬導(dǎo)線跨接，其跨接電阻應(yīng)小于0.03Ω。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為閥門設(shè)計時在其法蘭連接處預(yù)留金屬導(dǎo)線接口(螺釘壓接)，方便閥門、管路系統(tǒng)連接后法蘭之間的導(dǎo)線跨接。

4、材料選擇

　　氧氣閥門中，與氧氣接觸零件的選材是設(shè)計的關(guān)鍵，特別是高壓氧氣閥。設(shè)計中根據(jù)GB16912-2008、IGCDOC13/02/E和GB10877-89等標(biāo)準(zhǔn)，并兼顧經(jīng)濟性考慮進行選材。

　　4.1、金屬材料

　　根據(jù)氧氣用角式截止閥工作壓力12MPa，氣體流速小于4.5m/s的實際工況條件，閥體和閥蓋選用304材料。閥桿和套筒選用沉淀硬化不銹鋼05Cr17Ni14Cu4Nb，閥座選用不銹鋼304[6]，在閥座密封面堆焊司太立合金。

　　4.2、非金屬材料

　　氧氣介質(zhì)閥中的非金屬材料主要為各種非金屬密封件。如閥瓣和套筒的動密封、套筒與閥體間的密封和閥桿密封等。閥桿密封采用柔性石墨材料或聚四氟乙烯，閥瓣和套筒的動密封采用阻燃性較好的氟橡膠O形圈或PTFE包覆O形圈。導(dǎo)向筒與閥體之間的密封選用金屬纏繞墊，而閥體和套筒、閥座與閥體間的冗余密封選用氟橡膠O形圈。

5、清洗和試驗

　　氧氣截止閥的清洗脫脂按HGJ202-1982進行。裝配前，金屬零件用四氯化碳或氟里昂清洗，非金屬零件用四氯化碳清洗，并吹干。采用紫外線(波長為320～380nm，光源為聚光，光密度至少在30cm長度上達到5.0mW/cm²)檢測脫脂件表面。脫脂合格的零件用潔凈無油白布或氣相防銹膜等包裝好，以防二次污染。在裝配中，橡膠O形圈潤滑脂選用抗化學(xué)介質(zhì)潤滑脂7804。施工人員應(yīng)穿戴干凈，工作服上無油污，保持雙手或手套干凈無油脂。裝配環(huán)境潔凈無油，地面不起塵，相對濕度小于75%。

　　試驗時先進行液壓強度試驗，然后分解閥門，并按要求清洗零件，再裝配進行密封性試驗，試驗介質(zhì)為高純氮(99.99%)。閥門試驗合格后，需再次進行脫脂處理和檢測，合格后包裝出廠。

6、流場計算

　　以入口壓力為12MPa，流量為27.5kg/s，使用介質(zhì)為氧氣，進行截止閥流場仿真計算(圖7)。閥體的流道內(nèi)大部分區(qū)域流速小于4.5m/s。只在環(huán)形腔與出口流道的交匯處最大流速為5.2m/s。經(jīng)過分析，其原因可能是環(huán)形腔與出口流道的過渡不夠光滑。設(shè)計時可在該處增加過渡段，加工時也需對該處進行打磨處理。

圖7　角式氧閥速度分布

7、結(jié)語

　　新型高壓氧氣管路用截止閥，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和主體材料的選用上符合相關(guān)規(guī)范。閥門組裝時嚴(yán)格按照要求進行脫脂、禁油和相關(guān)的檢驗，性能良好。閥門成本低，易于控制，可滿足工況條件的要求。