張麗智

溫州市臺(tái)益閥門(mén)有限公司，浙江溫州 325101

0 引言

旋塞閥廣泛地應(yīng)用于油田開(kāi)采、輸送和精練設(shè)備中，同時(shí)也廣泛用于石油化工、化工、煤氣、天然氣、液化石油氣、暖通行業(yè)以及一般工業(yè)中。

在使用中， 提升式硬密封旋塞閥的主要失效形式是沖蝕磨損。雖然，通過(guò)表面熱處理或堆焊硬質(zhì)合金等方法能提高硬密封旋塞閥的使用壽命和耐擦傷性能，但仍然不能滿(mǎn)足輸送微顆?；蚶w維等特殊介質(zhì)的要求。通過(guò)工藝難點(diǎn)的解決，設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可以顯著改善提升式硬密封旋塞閥的使用性能。

1 結(jié)構(gòu)特征

在顆粒介質(zhì)中，顆粒物會(huì)依附在旋塞的表面，如果直接轉(zhuǎn)動(dòng)旋塞體時(shí)會(huì)出現(xiàn)刮傷密封面現(xiàn)象。為了避免上述情況的問(wèn)題，通過(guò)旋塞頂端設(shè)計(jì)的提升機(jī)構(gòu)來(lái)解決此種情況。驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)提升式硬密封旋塞閥其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。基本工作原理為：開(kāi)啟閥門(mén)時(shí)傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿的螺紋使旋塞體上升。旋塞體和閥體密封面脫離后再驅(qū)動(dòng)旋塞轉(zhuǎn)動(dòng)90 度到閥門(mén)全打開(kāi)。關(guān)閉時(shí)傳動(dòng)裝置使旋塞先轉(zhuǎn)動(dòng)90 度至關(guān)閉位置后，旋塞體不再轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋后使旋塞體下降，與閥體密封面接觸達(dá)到密封。提升式硬密封旋塞閥兩側(cè)閥座密封面均可密封，閥門(mén)的使用不受介質(zhì)流向的限制。提升式硬密封旋塞閥關(guān)閉時(shí)，可通過(guò)手輪和閥桿對(duì)閥座密封面加壓，通過(guò)加大密封比壓，可使旋塞閥具有更好的密封性能。閥座密封面凸起，便于密封面清洗，密封面不易積存結(jié)晶介質(zhì)，或固體顆粒。固常用于化工裝置的高溫場(chǎng)合。

圖1 驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)提升式旋塞閥的結(jié)構(gòu)示意圖

2 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

2.1 圓錐面加工的問(wèn)題

在臥式車(chē)床上利用靠模板裝置加工圓錐面，用靠模板裝置加工圓錐面的優(yōu)點(diǎn)是：能自動(dòng)進(jìn)給，加工精度高，表面粗糙度Ra 值較低。

加工圓錐面時(shí)刀具的安裝非常重要。如刀尖未對(duì)準(zhǔn)圓錐面的中心，車(chē)出的圓錐面則呈現(xiàn)出雙曲線(xiàn)形。根據(jù)圓錐體形成的原理，通過(guò)圓錐體中心圓錐母線(xiàn)應(yīng)是一條直線(xiàn)。如將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓錐體離開(kāi)軸線(xiàn)處加工，則其剖面形狀是曲線(xiàn)。

所以，車(chē)刀不得裝的過(guò)高于或過(guò)低于圓錐體中心。為獲得精度高的圓錐面，加工時(shí)必須把刀尖對(duì)準(zhǔn)圓錐體的中心。旋塞閥圓錐面是連續(xù)切削，刀具在沖擊下工作很容易崩掉刀尖；切削力的變化又會(huì)引起切削過(guò)程中的抖動(dòng)，而影響圓錐面的精度和粗糙度。

為了避免崩掉刀尖和防止抖動(dòng)，采用剛性好的刀桿，變注意選擇適合早沖擊下工作的刀具幾何形狀和調(diào)整小刀架與溜板活動(dòng)面間的間隙，使之合適，不至于過(guò)大。

加工鑄鋼旋塞閥的圓錐密封面時(shí)，直徑方向的加工余量一般為7mm`10mm，切削速度為80m/min，進(jìn)給量為0.2mm/r。精加工余量為0.4mm，切削速度為120m/min，進(jìn)給量為0.08mm/r，加工表面的表面粗糙度Ra 可達(dá)1.6μm。

2.2 圓錐面表面處理的問(wèn)題

目前的鍍硬鉻、滲氮表面處理技術(shù)很難滿(mǎn)足微顆粒等介質(zhì)工況，表面的硬度隨著時(shí)間的推移很容易出現(xiàn)刮傷、表面處理層脫落等情況，使用壽命周期不長(zhǎng)，給經(jīng)濟(jì)造成難以估計(jì)的損失。

為了解決這種難題，旋塞體圓錐面采用超音速?lài)姛嵬考夹g(shù)和閥體圓錐面自動(dòng)埋弧堆焊硬質(zhì)的組合密封副，這種鎳基合金和碳化鎢(WC)調(diào)配百分比能使噴焊層與基體材質(zhì)有較高的結(jié)合強(qiáng)度，如此高的結(jié)合強(qiáng)度，使噴焊層能承受強(qiáng)烈的機(jī)械沖擊及熱沖擊而不會(huì)產(chǎn)生脫落。這樣解決了表面硬度不足、不耐磨、不耐沖蝕的問(wèn)題。

閥體圓錐面堆焊硬質(zhì)合金，合金層加工后厚度≥2mm，硬度＞613HV。自動(dòng)埋弧堆焊硬質(zhì)合金技術(shù)工藝特點(diǎn)：堆焊過(guò)程自動(dòng)化，堆焊生產(chǎn)效率高，堆焊質(zhì)量穩(wěn)定。

自動(dòng)埋弧堆焊硬質(zhì)合金技術(shù)工藝參數(shù)：電源極性為直流反極，焊劑為HJ260，堆焊電流在280A～300A，電弧電壓在28V～30V，堆焊速度在550mm/min～650mm/min，焊絲直徑取Φ2，焊絲送給速度130mm/min～160mm/min，焊絲伸出長(zhǎng)度通常取20～60mm，焊絲伸出長(zhǎng)度不得超出偏差±（5～10）mm，焊絲的傾斜角度保持在6°～8°，堆焊層厚度3.5mm～4.5mm。

旋塞體圓錐面噴焊WC 碳化鎢，WC 碳化鎢加工后，厚度≥2mm，硬度1000HV～1300HV。

超音速?lài)姛嵬考夹g(shù)工藝特點(diǎn)：超高的焰流速度和相對(duì)較低的溫度；粉粒受熱均勻；噴涂粉末細(xì)微，噴層光滑；涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高。

超音速?lài)姛嵬考夹g(shù)工藝參數(shù)：使用DJ 系統(tǒng)噴涂WC-CO涂層，當(dāng)送粉量在38g/min～70g/min 之間變化時(shí)，涂層孔隙率在1.12%～2%之間，顯微硬度在1000HV～1300HV，粉末沉積率為40%～50%范圍，涂層性能優(yōu)良。

2.3 圓錐面珩磨的問(wèn)題

2.3.1 工作原理

圓錐面珩磨必須在臥式車(chē)床上增加靠模板裝置和改裝的珩磨裝備，圖2 為滾動(dòng)珩磨的工作原理，圓錐體裝夾在卡盤(pán)或者工裝上，傾斜安裝著的珩磨輪以一定的壓力與圓錐面接觸。

當(dāng)圓錐面以VG 的線(xiàn)性速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于摩擦力的作用珩磨輪以VS 的速度繞自身的軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

同時(shí)珩磨輪還沿圓錐體軸向的方向作往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。因珩輪軸線(xiàn)跟圓錐面軸線(xiàn)有交角α，故在圓錐面與珩輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，它們之間產(chǎn)生相對(duì)的滑移，其滑移速度稱(chēng)為VH。珩磨輪與圓錐面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，磨粒就在圓錐面切去極薄的一層金屬。珩磨輪沿圓錐面軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)使圓錐面得到交叉重疊的網(wǎng)狀痕跡，因此珩磨也能獲得Ra0.4～Ra0.25 的表面粗糙度。

圖2

從圖1 可知：

VS=VGcosα ；VH=VGsinα

珩磨輪傾角α 越大，相當(dāng)滑動(dòng)速度VH 大，效率也越高。但是α 角過(guò)大會(huì)產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，故一般取α 取10°～35°。

2.3.2 珩磨速度

滾動(dòng)珩磨時(shí)圓錐體的旋轉(zhuǎn)速度增大時(shí)，圓錐面的光潔度也有明顯的提高，但速度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)的現(xiàn)象，從而影響加工質(zhì)量。滾動(dòng)珩磨的VG 通常取60～80m/min。滾動(dòng)珩磨時(shí)的進(jìn)給量粗珩為0.2mm/r～0.4mm/r，精珩為0.05mm/r～0.15mm/r。

2.3.3 珩磨壓力

滾動(dòng)珩磨時(shí)磨輪單位面積上接觸所受的力稱(chēng)為珩磨的切削壓力。切削壓力大小將直接影響珩磨效率和加工表面的質(zhì)量。切削壓力不能過(guò)大或過(guò)小。切削壓力珩磨時(shí)粗珩一般取0.8MPa～1MPa；精珩一般取0.4MPa～0.6MPa。

2.3.4 珩磨的潤(rùn)滑冷卻液

潤(rùn)滑冷卻液不僅能沖刷掉磨具上的磨粒和切削粉末，還可以降低珩磨時(shí)的切削熱量。正確選用潤(rùn)滑冷卻液不僅能改善被加工圓錐面的質(zhì)量，還能提高珩磨的效率。加工鑄鋼和鍛鋼常選用粘度小、滲透性強(qiáng)的煤油作潤(rùn)滑冷卻液。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在煤油中加入30%左右的20 號(hào)機(jī)械油后圓錐面的質(zhì)量更好。

2.3.4 珩磨的余量

珩磨是一種光潔加工方法，切削量很小，其加工余量不宜過(guò)大。余量過(guò)大不僅會(huì)影響圓錐體的幾何形狀精度，還會(huì)降低生產(chǎn)效率。珩磨余量的大小與預(yù)加工的精度和表面質(zhì)量相關(guān)。一般直徑余量為0.01mm～0.15mm 時(shí)，一次精珩磨就行。當(dāng)直徑余量大于0.04mm 時(shí)，為了提高珩磨效率常使用不同粒度的磨具進(jìn)行粗、精兩次珩磨。粗珩切去余量的65%～70%，精珩切去余量的30%～35%。

2.3.5 珩磨輪的選擇

珩磨輪的性能取決于磨料的種類(lèi)、磨料的粒度、磨具的硬度和磨具的結(jié)合劑。珩磨輪使用的磨料主要是白鋼玉和碳化硅。按加工工件選擇磨料。碳鋼和不銹鋼通常選用白鋼玉磨輪。

磨具的粒度越粗，生產(chǎn)效率高，但表面光潔度較差；磨具的粒度越細(xì)，生產(chǎn)效率低，但表面光潔度較好。一般粗磨時(shí)選用60#～150#；精磨時(shí)選用240#～W28。

珩磨輪的硬度要根據(jù)加工工件選擇。磨具的硬度過(guò)高，磨粒已鈍仍未脫落，是磨具與工件之間摩擦力增加，工件表面過(guò)熱而出現(xiàn)燒傷，從而造成表面光潔度惡化；磨具的硬度過(guò)低，磨粒還未磨鈍就脫落下來(lái)，從而加快了磨具的磨損。

珩磨較硬的金屬材質(zhì)時(shí)，磨粒易于磨鈍，為保持較好的切削性能和避免工件過(guò)熱，應(yīng)選用較軟的磨具。加工較軟的材質(zhì)，磨具的硬度應(yīng)較高。但珩磨特別軟的材料時(shí)，為避免切削堵塞磨具表面，磨具的硬度也要選硬一些。

2.4 圓錐面研磨的問(wèn)題

研磨是切削量極小的光整加工方法，研磨旋塞體可采用旋塞體研磨機(jī)或手工研磨，依實(shí)際情況選擇研磨方法。

先將旋塞體研磨好，然后直接將旋塞體與圓錐孔配研。圓錐孔表面配研時(shí)，先在擦凈了的旋塞體上均勻地涂上一層研磨劑，輕放在圓錐孔上用手加壓并旋轉(zhuǎn)旋塞體，旋轉(zhuǎn)3～4 后，可將旋塞體拔出一些改變圓周位置后在進(jìn)行研磨。在研磨過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常添加研磨劑。

研磨好后的密封面還要用毛氈加氧化鉻等磨料進(jìn)行拋光，以提高密封面的光潔度及去除個(gè)別嵌留在密封面上的磨粒，不然，閥門(mén)在密封面試驗(yàn)時(shí)易出現(xiàn)泄漏。

2.5 裝配工藝的問(wèn)題

旋塞閥通常是以閥體作為基準(zhǔn)零件按工藝規(guī)定的順序和方法進(jìn)行裝配。裝配前要對(duì)零、部件進(jìn)行檢查，防止未去毛刺和沒(méi)有清洗的零件進(jìn)入總裝。裝配過(guò)程中，零件要輕拿輕放，避免磕碰、劃傷已加工表面。對(duì)旋塞閥的運(yùn)動(dòng)部位（如閥桿等）應(yīng)涂以工業(yè)用黃油。閥蓋與閥體中法蘭多采用螺栓連接，緊固螺栓時(shí)，應(yīng)對(duì)稱(chēng)、交錯(cuò)、多次、均勻地?cái)Q緊，否則閥體、閥蓋的結(jié)合面會(huì)因圓周受力不均而發(fā)生滲漏。緊固時(shí)使用的搬手不宜過(guò)長(zhǎng)，避免預(yù)緊力過(guò)大而影響螺栓強(qiáng)度?？傃b完成后，應(yīng)旋轉(zhuǎn)操縱機(jī)構(gòu)，以便檢查旋塞閥啟閉件的運(yùn)動(dòng)是否靈活，有無(wú)卡阻現(xiàn)象。閥蓋、支架等零件的安裝方向是否符合圖紙要求，各項(xiàng)檢查都合格后的閥門(mén)方能進(jìn)行試驗(yàn)。

2.6 設(shè)計(jì)計(jì)算

提升式硬密封旋塞閥的設(shè)計(jì)核算必須考慮的問(wèn)題如下：壁厚、旋塞體的通道面積、旋塞體的扭矩及扭應(yīng)力的驗(yàn)算。只要綜合考慮工況介質(zhì)和使用壓力等各方面參數(shù)，加上合理設(shè)計(jì)，不僅可以節(jié)省材料，還能提升后續(xù)加工的效率。下面以表1 參數(shù)為例，來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1

2.6.1 壁厚

其中 p 為公稱(chēng)壓力，單位：MPa；

DN為計(jì)算內(nèi)徑，單位：mm；

[ ?L]為許用拉應(yīng)力，單位：MPa；C 為腐蝕余量，單位：mm；

圖3

圖4

2.6.2 旋塞體的通道面積

F = 2.5? B2（2）；

其中 B 為通道孔的中心處寬度，

B=0.57·d（3） ，單位：mm；

d 為公稱(chēng)直徑DN，單位：mm；

F 為通道孔面積，單位：mm2；

將d=100 代入(3)式之中，得B=57；再將B 代入(2)式之中，

得F=8122.5。

圖5

2.6.3 旋塞體的扭矩及扭應(yīng)力

M=Mf+MT+MJ（4）；

MJ為介質(zhì)壓力引起的摩擦力矩，MJ=FMJfMDP/2（7），單位：N·mm；

M 為最大轉(zhuǎn)矩(帶填料)，單位：N·mm；

q 為密封比壓，q=2·p（9），單位：MPa；

FT為填料與閥桿摩擦力，F(xiàn)T=FTd b Pψ （10），單位：N;

Dp為旋塞體平均直徑，單位：mm；

fM為密封面摩擦系數(shù)，單位：無(wú)；

α 為旋塞體錐半角，單位：°；

dF為閥桿直徑，單位：mm；

D1為旋塞體大端直徑，單位：mm；

D2為旋塞體小端直徑，單位：mm；

Ψ 為無(wú)石棉填料系數(shù)，單位：無(wú)；

p 為公稱(chēng)壓力，單位：MPa；

將Dp=81、fM=0.08、α=4、dF=28、D1=89.7、D2=72.3、Ψ=1.08、p=2 分別代入(5)～(11)式之中；再將Mf=816527.3、MT=6773.8、MJ=50868 代入(4)式之中，得M=874169。

τN= 4.8M /S3(12);

其中M 為最大轉(zhuǎn)矩(帶填料)，單位：；

S 為扳手方的邊長(zhǎng)，單位：mm；

Nτ 為旋塞體最大扭應(yīng)力，單位：MPa；

[τN]為許用扭應(yīng)力，單位：MPa；

將M=765744.7、S=34 代 入(12) 式 之 中，得 Nτ =106.8；[τN]=110，τN≤[τN]，符合要求。

3 結(jié)論

提升式硬密封旋塞閥工藝難點(diǎn)的解決和設(shè)計(jì)的優(yōu)化，針對(duì)高溫、顆粒等介質(zhì)而進(jìn)行改進(jìn)；通過(guò)高溫模擬、耐磨模擬實(shí)驗(yàn)及實(shí)使用際證明，提升式硬密封旋塞閥適用于化工、石油、輕紡、水電、食品制藥、醫(yī)藥、電力等工業(yè)管道的系統(tǒng)控制，切斷或接通管路介質(zhì)。對(duì)于提升式硬密封旋塞閥的使用性能的提高，可以使其應(yīng)用領(lǐng)域得到更廣泛的拓展。

[1]吳子健.熱噴涂技術(shù)與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]王娟.表面堆焊與熱噴涂技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]陸培文，高風(fēng)琴.閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè).2版.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

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