疏水閥密封面結構和性能研究

崔曉紅 呂永剛 雷 娟 李小麗

(1、甘肅紅峰機械有限責任公司，甘肅 平涼 744000 2、甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司，甘肅 平涼 744000)

1 概述

蒸汽疏水閥又稱阻氣排水閥，常被應用于石油、化工、紡織等各行業領域，用來排除蒸汽管道中生成的低溫凝結水。疏水閥按照工作原理的不同，通常分為三種類型：熱靜力型(雙金屬片、膜盒和液體膨脹型等)、熱動力型以及機械型疏水閥；而機械型疏水閥又根據浮子的不同細分為浮球型疏水閥和吊桶型疏水閥。

2 密封形式

疏水閥是一種特殊的閥門，其閥座的大小與對應的管路尺寸大小沒關系，只與管路中凝結水的產生量及其工作壓力有關。因此在確定疏水閥密封結構時，需考慮這兩個條件同時滿足。疏水閥的密封形式按照密封面的不同大致分為錐面密封、平面密封和球面密封。這幾種密封形式的結構特點以及經常應用的疏水閥類型具體如下：

2.1 錐面密封

錐面密封又叫喇叭口密封，顧名思義閥芯閥座的密封面都為錐形或形似喇叭口，且閥芯和閥座的密封面有相同角度α(圖1)。一般在設計加工時，通常將角度α 確定為60°,90°或120°，這樣的角度設計不僅方便加工，而且密封性相比其他角度效果更好。錐面密封結構的優點是密封可靠，容易加工成型；缺點則是對密封副的同心度要求較高，零件互換性差。

圖1

2.2 平面密封

平面密封常見于圓盤式蒸汽疏水閥，其運動部件與閥芯部件為一體，是一個圓盤。與其密封的閥座密封面通常也設計為一個平面(圖2)，因此閥芯閥座接觸形成一個平面密封。平面密封的優點是利于介質(流體)通過，缺點則是容易在密封面積累污物，閥座口部容易形成沖蝕。

圖2

2.3 球面密封

球面密封即閥芯的密封面為一個球面或一個球體，閥座的密封面為圓弧面，錐面或平面(圖3)。當閥芯與球面閥座接觸時，兩者的接觸面形成的線密封。線密封的接觸面相對較窄，用在壓力高，漏氣量要求較低的場合。線密封的缺點則是對嵌入的球體或圓弧面的圓度有很高的要求，而且密封面容易壓潰。

圖3

3 影響密封性能的因素

3.1 壓差對密封性能的影響

疏水閥壓差即進出口之間的壓力差，理論上壓力差和泄漏量一般成正比關系，即壓差越大，泄漏量也會相應的增加，這種關系可近似表示為：

G- 泄漏量；

M，N，S- 常數系數，取決于材料及密封面加工質量，密封面上的比壓和其他條件；

ΔP- 工作壓差; ΔP=P1-P2；

P1- 入口壓力；P2- 出口壓力。

3.2 密封比壓對密封副的影響

因為疏水閥是自力式閥門，啟閉頻繁，因此密封副材料只能選擇金屬材料。但在選擇金屬材料的同時，密封所需要的密封比壓就會相應增大。一些疏水閥在工作中，會出現閥芯和閥座在關閉后又馬上開啟的情況，這是因為閥芯的回座壓力大于閥芯的開啟壓力，即密封比壓不夠，造成了頻繁開閥。

密封面力的計算公式如下：

QMZ- 密封面上的作用力；

QMJ- 閥芯關閉時介質作用在閥芯上的力；

P- 介質的壓力，計算時取PN;

DMN- 閥座孔直徑，根據疏水閥排量確定閥座孔直徑；

bM- 閥座密封面寬度；(設計給定)

QMF- 密封面上密封力；

DMN- 密封面內徑；(設計給定)

α- 密封面錐半角。(設計給定)

一般密封形式的不同，用于閥芯必須的密封力也不同。

3.2.1 平面密封

qMF- 密封的必須比壓；

3.2.2 錐面密封

3.2.3 球面密封

在校核密封面時，一般按介質的壓力來確定比壓，因此用于密封的力是有限制的。要形成足夠的密封比壓，因而密封面的寬度，應在材料允許的情況下，盡量設計的窄一點，減小密封帶面積。

3.3 密封面材料及硬度

在疏水閥日常運行中，一部分疏水閥常常在開啟、排放、重新關閉后，會出現密封性變差并發生漏氣現象,這是因為閥芯在關閉時流體對閥座密封面造成了沖擊，蒸汽及凝結水對密封面造成了沖蝕，以及閥芯不能準確復位等因素引起的，因此我們在密封副形式及材料的選用上都需要嚴格把關，選用的材料應具有良好的耐腐蝕及耐沖蝕性能，且具有較高的強度。

3.3.1 鉻鎳鈦不銹鋼(奧氏體不銹鋼)。材料性能及其使用條件，常用牌號為06Cr18Ni11Ti，其耐腐性、耐沖蝕性和耐熱性能較好，適用于溫度≤600℃、公稱壓力≤6. 4MPa 的蒸汽、硝酸等介質中。

3.3.2 密封面的材料:鉻不銹鋼。材料性能及其使用條件，常用牌號有20Crl3、30Crl3 經調質處理，耐腐蝕性能好。常用于溫度≤450℃、公稱壓力≤32MPa 的水、蒸汽和石油等介質的閥門上。

3.3.3 密封面材料(堆焊合金)：對于一些結構較小的閥芯閥座，可以選用司太立合金棒料來加工，對于一些雙平衡閥座閥芯的密封面可以通過堆焊一些貴金屬。例如:高鉻堆焊鋼、鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金。既降低了制造成本，還獲得了良好的工作性能，大大的提高了疏水閥的耐沖擊性。參考《NB/T 47044-2014 電站閥門一般要求》附錄L。

3.4 密封面粗糙度

密封面的粗糙度對密封起著至關重要的作用，在密封過程中，表面光潔度直接關系到漏氣率的大小，實驗也證明：當閥芯閥座的表面粗糙度較低時，蒸汽泄漏量會迅速的增加。因此為減小泄漏量，我們需要通過機加手段來提高密封面的表面光潔度。

在疏水閥密封件的加工中，一般都是通過車、銑、鉆、磨等機加手段來完成其外形的加工。并通過對材料進行熱處理的方式來獲得我們設計所需的硬度?？紤]到部分機床加工精度較差，因此我們在零件加工的最后預留0.05-0.1mm 的平磨或外圓磨余量，方便去除車床加工密封面時留下的加工痕跡。待平磨工序完成后，再進行一次研磨。因為研磨是表面修整工序，磨量很小，通常留0.02-0.04mm 的余量。如余量過大，不僅延長研磨時間，使生產率降低，還可能因研磨時間過長而影響加工表面的幾何形狀精度。

對于一些密封面有錐度要求的閥座，除錐面車削成型外，還可以通過沖床沖壓成型來達到要求的錐度。在沖壓前，必須檢查壓頭、壓型模具及零件表面是否有鐵屑及顆粒等異物，并用干凈的布擦拭壓頭、零件及模具表面，待檢查完成后再進行壓型，避免密封面因異物形成斑點及不平整。對于不能一次沖壓成型的錐面，可以通過多次沖壓來達到密封面要求。

3.5 啟閉件的剛性

關閉件的剛性和結構也是影響疏水閥密封一大因素，由于金屬材料的特點不是絕對剛性，而是具有一定彈性的，因此在與介質有關的壓力及溫度作用下，尺寸會發生變化，這也引起了密封面作用力的變化。為補償這些變化對關閉件密封性能的影響，最好是將密封面公差適當放大，具有一定的間隙，使得材料受熱變形時不至于卡死。

以我公司實例說明：我公司給某用戶現場安裝了幾臺杠桿浮球式疏水閥，運行幾個月后出現了疏水閥不工作的問題。售后服務人員現場拆卸后發現，疏水閥雙座平衡閥(圖4)出現了閥桿彎曲，支架與閥芯卡死的現象?，F場工作壓力4.5MPa,工作溫度257℃，經返廠維修測量時發現，閥座與支架間間隙預留量為0.025-0.089mm，重新計算材料熱膨脹變形后將間隙調整為0.19-036mm，供貨后再未出現卡死現象。

圖4

4 疏水閥密封副常見故障及解決方案

見表1。

表1 密封副常見故障及解決方案

5 結論

影響疏水閥密封性能的因素很多，我們只能在不斷探索中逐步發現并解決問題，以實現疏水閥產品的技術質量指標達到國際先進水平，推進我國蒸汽疏水閥行業技術進步。