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气瓶阀外漏密封式结构设计

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气瓶阀外漏密封式结构设计

发布日期:2017-06-09 作者:www.lamoko.com 点击:

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。

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  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。


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