石墨環(huán)內(nèi)壓自封密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、概述

　　高溫高壓閥門的閥體和閥蓋采用內(nèi)壓自封密封連接時,其密封環(huán)材料一般為金屬。金屬環(huán)密封可靠,使用壽命長。但是,閥體和閥蓋的加工精度要求高,閥門在線維修困難。近年來,石墨環(huán)以價格較低,可重復使用,更換方便等特性得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

2、分析

　　以公稱直徑為DN25 ～600mm, 公稱壓力≥PN10MPa,工作溫度< 700℃,輸送介質(zhì)為水蒸汽,閥體和閥蓋連接類型為內(nèi)壓自封密封的閥門為例,內(nèi)壓自封密封環(huán)有金屬環(huán)和石墨環(huán)兩種類型。采用金屬環(huán)密封時,其閥體和閥蓋與金屬環(huán)接觸部位需要堆焊特殊材料,材料成本和加工精度高。特別是大口徑Y(jié)形截止閥,閥體與金屬環(huán)接觸部位加工時很難達到密封要求。閥門維修拆卸金屬環(huán)后,閥體和閥蓋與金屬環(huán)接觸面需要維修,加工難度大,金屬環(huán)需要更換,費用高。采用石墨環(huán)密封時,閥門維修不用更換和加工零部件,維修時間短,石墨環(huán)可重復使用,降低了成本。

3、結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)石墨環(huán)的特點,按照產(chǎn)品系列化、通用化和標準化進行設(shè)計,并充分考慮了原金屬密封環(huán)結(jié)構(gòu)在加工和模具上的通用性,合并和壓縮了石墨環(huán)的品種規(guī)格,減少了石墨環(huán)的模具數(shù)量。金屬環(huán)與石墨環(huán)密封結(jié)構(gòu)(圖1、圖2)不同。石墨環(huán)密封結(jié)構(gòu)在閥體中腔A處增加了10°倒角,以方便石墨環(huán)二次裝配和重復使用。在閥蓋B處增加了2°斜度,以方便閥蓋裝配。對于小口徑閥門用石墨環(huán)其上部增加了金屬墊圈,防止石墨環(huán)擠出。

(a)小口徑　(b)大口徑

圖1　金屬環(huán)密封結(jié)構(gòu)

(a)小口徑　(b)大口徑

圖2　石墨環(huán)密封結(jié)構(gòu)

　　由于石墨環(huán)需要反復使用,閥體四開環(huán)槽上部直徑加大1mm,有利于石墨環(huán)裝配取出。墊圈與閥蓋、墊圈與閥體和閥體與閥蓋配合間隙控制在≤0.3mm,以防止石墨擠出和包邊損壞。

　　石墨環(huán)的技術(shù)要求有壓縮量、回彈率、含碳量、耐高溫性能、端面壓強、石墨加強形式、石墨擠出、密封性、裝拆及反復使用等指標,在分析了大量試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,石墨環(huán)采用內(nèi)部嵌入金屬絲網(wǎng),上端不銹鋼包邊,下端不銹鋼包角的加強型(圖3)結(jié)構(gòu)。

圖3　石墨環(huán)結(jié)構(gòu)

4、計算

　　(1)閥蓋直邊段厚度

圖4　閥蓋

　　閥蓋(圖4) b2b環(huán)向截面的合成應(yīng)力σob為

F———內(nèi)壓引起的總軸向力,N
Fa ———對柔性石墨墊圈的預緊力,N
Db ——— b2b截面直徑,mm
h ———閥蓋直邊段厚度,mm
l———墊片寬度,mm
[σ] t ———設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa

(2)石墨環(huán)的端面壓強

式中P———石墨環(huán)的端面壓強,MPa
　　D———石墨環(huán)外徑,mm
　　P1 ———公稱壓力,MPa

5、成本核算

　　與金屬環(huán)相比,石墨環(huán)主要從三個方面取消或降低了成本。①閥蓋密封面與閥體中腔密封面堆焊材料和加工成本。②閥蓋密封面與閥體中腔焊接成本。③石墨環(huán)相對于金屬環(huán)成本降低。

6、結(jié)語

　　石墨環(huán)已在高溫水蒸汽裝置中得到了推廣應(yīng)用,降低了成本,改善了使用性能,取得了良好的經(jīng)濟效益。