气瓶阀外漏密封式结构设计

1.杜瓦瓶、气瓶阀外漏密封方式结构设计

　　1.1填料式气瓶阀

　　该阀阀腔介质与大气之间的密封（即外漏）是靠填料函与阀杆之间贴合紧度来实现的，有橡胶“O”形密封圈和填料函密封。由于填料函有老化问题，加之阀杆加工中有一定的椭圆度，密封性能不十分可靠，不能用于要求抽真空和加热除气的特种气体，只能用于一般工业气体。

　　填料式结构根据阀头组件的形式不同，有活瓣式、针形式、轴联式和联结式。这几种形式虽都是较为成熟设计，但活瓣式、轴联式、联结式阀头密封面与阀口无相对运动（即旋转运动），阀口不易受损伤，材质也为一软一硬，故内密封更为可靠一些，寿命也可更长一些。针形式阀口则易受损伤，并由此引起泄漏。

　　另外填料函与“O”形圈二者的比较，由于填料函式与阀杆之间的贴合紧度是靠压盖的压紧力来调节的，一旦填料老化或泄漏，还可用压紧压盖的方法来补救（此时关闭力矩自然要增大），而“O”形圈则无此选择，只能换新阀。

　　因此，对填料式气瓶阀阀头组件选用活瓣式，阀杆之间密封选用填料函式压紧方式是较为理想的选择。

　　1.2隔膜式气瓶阀

　　该类阀分弹簧式和无弹簧式两种。

　　1.2.1弹簧式气瓶阀

　　其工作原理（如图1）所示，阀杆10通过压块9驱动膜片8使阀头组件与阀口关闭。当手轮左旋阀杆上升时，由于弹簧力，膜片自身弹力及气瓶内压力使阀头组件升起，阀门开启。该阀设计需注意的主要问题是，阀件材质的合理选择，特别是耐蚀性尤为重要，弹簧弹力尽可能足够大。材质多用316L不锈钢，阀头组件（如图2）的阀芯多用具有一定硬度的塑料，如聚三氯乙烯、聚酰亚胺、尼龙等，但必须确保介质与其无相容性。

　　该阀使用中曾出现和存在的主要问题是：

　　（1）弹簧设计力不够或使用时间长弹力下降，膜片不能复位，使阀门打不开。

　　（2）塑料阀芯硬度不够或与介质相容，关闭后，使膜片超行程产生永久变形，使阀门打不开。

　　（3）相关零件加工尺寸超差，使膜片超过允许的弹性变形范围，产生永久变形，使阀门打不开。

　　（4）阀件材质选择不当，产生的腐蚀污物将弹簧卡死，膜片不能复位，使阀门打不开。如一用户对HCl介质选用304不锈钢阀体，就曾出现过这一现象。

　　（5）充不进气现象。这是由于充气压力大于弹簧力（即背压过大）而充气操作时又先打开了进气阀，后开启气瓶阀所致。为此操作时必先开启气瓶阀，后开充气阀，否则还很可能使膜片产生永久变形，使阀门打不开。

　　（6）死区较大，痕气很难用置换法吹洗干净。

　　（7）由于是平面密封，如果有污物存于密封面，会产生泄漏，必须确保管道气瓶阀腔干净。

　　1.2.2无弹簧隔膜气瓶阀

　　鉴于有弹簧式结构不时出现和存在各种问题，虽大多为过失所为，但时刻令人担忧，故出现无弹簧结构方案，其又有提拉式和自启式两种。

　　（1）提拉式隔膜气瓶阀

　　如图（3）所示，其动作原理是右旋阀杆，使联杆带动与膜片连于一体的阀头向下运动将阀关闭，反之则开启。

　　该阀主要优点是膜片不会产生永久变形，不会产生打不开现象，开启可靠；行程较大，可达到膜片厚度的2倍。设计中主要问题是联杆膜片和阀头之间的连接必须牢固可靠，不得有少许松动，如采用内螺纹连接再焊死，焊接技术要求较高（也可采用金属粘接剂）。另外膜片中间要冲孔，其尺寸大小的确定是比较复杂的理论和实践问题，必须多次实验定型。如误差过大，会影响其使用寿命；阀头如采用平面密封，也易产生内漏（气瓶、管道不洁时）。目前国内尚无该类产品，国外虽有报道，但价格昂贵。国内一客户在试用该产品中曾发生过当气瓶加热近100℃时，易熔合金安全装置熔化放气，阀头镶嵌的塑料阀芯被压后软化溢出事故。这虽然不能说明阀门自身存在什么问题，但却告诫人们，选用者一定要将自己的使用工况向厂家讲清楚，而厂家也应事先向用户讲明产品应用范围及注意事项，否则后果将不堪设想。

　　（2）自启式隔膜气瓶阀

　　该阀动作原理如图（4）所示，右旋阀杆，通过压块使膜片直接关闭阀口，反之则靠膜片自身回弹力使阀开启。

　　该阀的优点是：结构更为简单；内漏为线密封更为可靠；死区更小；因为是金属对金属密封，可用于高温（曾在400℃高温下做过试验，性能良好）。随着开关次数的增加，密封面磨合更好，密封性能也更好，关闭力矩也会越用越小。

　　该阀研制中曾出现的问题是：膜片行程选择不当，产生永久变形；压块形状及尺寸设计不当，使膜片产生永久变形，经多次反复试验才得以解决。在实际应用中进行气密性试验时，由于工人误操作，从出口打压，当气压超过10MPa时，使膜片产生永久变形，阀门打不开。故而在产品使用说明书中特别强调，在充气压力高于10MPa时，必先把气瓶阀打开再开启充气系统的进气阀，否则会产生充不进现象，甚至使膜片永久变形，使阀门打不开。

　　1.2.3波纹管式气瓶阀

　　此阀也是为解决弹簧式气瓶阀存在的问题而提出的研发课题，其动作原理与提拉式隔膜阀基本相同，只不过将膜片换成多层波纹管而已。由于其工艺更为复杂，成本更高，在此也不再多述。

　　2.隔膜阀中膜片设计

　　由于膜片是隔膜阀中起密封作用的关键件，其材料选择、形状设计、疲劳寿命、行程、柔性、刚度及固定方式是必须考虑的重要问题。

　　2.1材质选择 　　对气瓶阀而言，必选用金属材质，要求其能承受一定的拉伸应力；能产生足够的弹性变形，应力和变形可用板壳理论计算。而且要按允许过压的125%～150%进行。为了确保其好的延展性，便于成形，要进行一定的热处理工艺，保证其足够疲劳寿命。目前国内外采用的主要材质有铍铜合金（HPb）、奥氏体不锈钢316L（0Cr27Ni12Mo3）、蒙乃尔（即Monel，其是镍铜合金）、因可乃尔（即Inconel，其是镍铬合金）、钛合金和钴基合金（如L650）等。

　　2.2型面设计

　　2.2.1平膜片

　　其是一平面圆盘，其优点是制造容易，成本低、互换性好。缺点是行程小，一般只为其厚度的一半。故其不适用于流量要求大、流速过高（如H2）的场合。

　　2.2.2波纹膜片

　　波纹膜片是一个有波纹的圆盘。气瓶阀多用单波纹形式，其有带硬芯和无硬芯两种。提拉式实际上是带硬芯的一种，弹簧式及自启式则是无硬芯式一种。波纹膜片形状按标准正弦曲线进行设计，由假定的波纹高度H和实际需要波距 可通过下式计算出半径R、夹角H和波长S，即θ

　　根据R、及S设计胎具。

　　为了保证膜片线性特性在1%内，在设计时常用的经验方法是使行程小于直径的2%，如果线性度允许大于1%，则变形最大可达到直径的3%～4%。

　　波纹膜片与平膜片相比其优点是：

　　（1）在无永久变形情况下，总行程较大，可达到波高的2倍。

　　（2）在较大行程内其有效面积基本不变。

　　（3）疲劳寿命长。

　　（4）线性特性好。在相同直径和灵敏度情况下，波纹膜片直线度远大于平膜片。因此对两端固定的波纹膜片，设计者只要使压力P的作用点在拐点范围内，都可确保其变形在线性范围内，不会产生永久变形，平膜片则无此选择。

　　2.2.3膜片的固定

　　对气瓶阀而言，其膜片只能用阀盖螺纹压紧固定密封，中间要加紧压环，防止膜片有相对运动。

　　2.2.4膜片的制作

　　膜片成形胎具有两种，一种是橡胶成形胎具，其是将预先冲制的毛胚放入金属导套内，由冲头冲压橡胶成形，这一方法对胎具材质没有特殊要求，用一般钢和铜即可，可保持膜片本身厚度不变，但橡胶容易破损或溢出，成形件易出现皱折。另一种为成形和冲切组合胎具，要求阴阳膜胎具要有一定的强度，并且要锋利，硬度更高，最好用硬质合金。这一方法成品率高，目前多用之。