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之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹高壓大通徑不銹鋼氧氣截止閥設(shè)計(jì)介紹了一種新型高壓大通徑不銹鋼氧氣截止閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主要技術(shù)參數(shù)、材料選用和試驗(yàn)，進(jìn)行了截止閥的流場仿真計(jì)算分析。

1、高壓大通徑不銹鋼氧氣截止閥設(shè)計(jì)概述
用于高壓氧氣的管路與閥門具有特殊的技術(shù)要求，如防靜電、閥門流道和內(nèi)表面的形狀、材料選擇、密封面設(shè)計(jì)、閥瓣和閥桿的防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等都要求較高。目前研制的高壓大通徑氧氣截止閥基本都選用蒙乃爾合金材料，價(jià)格昂貴。本文介紹了一種按照GB16912-2008和IGCDOC13/02/E所規(guī)定的各種條款設(shè)計(jì)的新型高壓大通徑不銹氧氣截止閥。YJ41W不銹鋼氧氣截止閥除了具有普通閥門的功能外，又有其自身的特點(diǎn)。在制造時(shí)采用嚴(yán)格的禁油措施，并且所有零件在安裝前均進(jìn)行嚴(yán)格的脫脂處理。所有通徑閥門法蘭端均設(shè)有導(dǎo)電螺孔，以防靜電。閥門外露部位有保護(hù)措施，防止塵土和油類污染。該類產(chǎn)品的所用材料分兩大類：一類是選用了鑄造硅黃銅為閥體、閥蓋、閥瓣的用材；另一類是選用了不銹鋼為閥體、閥蓋、閥瓣的用材。
YJ41W不銹鋼氧氣截止閥是根據(jù)氧氣管網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)以及考慮氧氣介質(zhì)的易燃易爆的特性，以安全可靠和性能*為設(shè)計(jì)原則，并參照中華人民共和國冶金工業(yè)部制定的《氧氣安全規(guī)程》的規(guī)定而設(shè)計(jì)、制造的確保氧氣管網(wǎng)安全運(yùn)行的閥門。主體材料選用不銹鋼或阻燃性*的銅合金，密封面為本體或堆焊D802，其余內(nèi)件采用不銹鋼或銅合金；傳動(dòng)部位的潤滑采用不可燃的潤滑脂，并標(biāo)有明顯的禁油標(biāo)記。在結(jié)構(gòu)上，支架采用全閉封，并有導(dǎo)除靜電裝置，閥桿上配有防塵帽。
高壓大通徑不銹鋼氧氣截止閥設(shè)計(jì)YJ41W不銹鋼氧氣截止閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
1、對于公稱壓力PN≥1.6MPa、DNl25～200采用內(nèi)旁通結(jié)構(gòu)；DN250～500采用帶外旁通閥結(jié)構(gòu)。其目的是減小閥前、閥后的壓力差以避免高流速、高沖刷以及防止產(chǎn)生高溫，從而保證了氧氣管網(wǎng)的安全運(yùn)行，同時(shí)也減小了操作力矩。
2、介質(zhì)流向：PN≥1.6MPa、DN≤100介質(zhì)由閥瓣下方流入閥瓣上方(即低進(jìn)高出)，DN≥125介質(zhì)由閥瓣卜方流入下方(高進(jìn)低出)o對于DN≥125的閥門采用介質(zhì)高進(jìn)低出的流向，一方面足內(nèi)旁通閥結(jié)構(gòu)上的需要，另一方面由于介質(zhì)壓力的作用使閥門的關(guān)閉力大大減小。
3、該閥設(shè)有導(dǎo)靜電安全裝置，可避免因靜電產(chǎn)生火花。
4、與普通截止閥相比，氧氣管路用截止閥的支架部分采用全封閉式結(jié)構(gòu)，且壓緊填料時(shí)可以打開支架上的防護(hù)蓋板，起到了防油防塵的作用。并有明顯的禁油標(biāo)記。
5、全部零件采用嚴(yán)格的脫脂處理。

2、主要技術(shù)指標(biāo)
公稱通徑 DN250

公稱壓力 15MPa

工作介質(zhì) 99.5%氧氣

工作溫度 -10～50℃

結(jié)構(gòu)型式 角式

zui大工作壓力 12MPa

實(shí)際zui大工作流量 27.5kg/s

3、結(jié)構(gòu)
研制的DN250、900磅級氧氣截止閥(圖1)為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)氣缸活塞上端通氣下端排氣時(shí)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，依靠閥瓣和閥座密封面的壓緊變形將介質(zhì)封閉在入口。當(dāng)活塞上端排氣下端通氣時(shí)閥門打開，閥瓣的行程通過上密封限位來保證。在支架上預(yù)留兩個(gè)窗口，可以隨時(shí)對填料進(jìn)行壓緊。套筒和閥座的密封采用金屬纏繞墊密封。高壓氧氣管路用不銹鋼截止閥圖1 氧氣截止閥

3.1、閥蓋

閥蓋結(jié)構(gòu)有上裝式、下裝式和自緊式等。上裝式和下裝式閥蓋受介質(zhì)壓力較大，通常使用在公稱壓力不超過26MPa的閥門。上裝式閥蓋適用于直通式、角式和直流式等結(jié)構(gòu)的閥門，下裝式閥蓋在高壓情況下通常只使用在角式閥門中。下裝式閥蓋較容易解決閥座與閥體的固定問題，方便閥座的安裝、維修和更換。自緊式閥蓋結(jié)構(gòu)通常使用在高壓情況，一般不小于26MPa磅級。但自緊式閥蓋結(jié)構(gòu)對零件的加工精度和裝配技術(shù)有較高的要求?？紤]到采用平衡式結(jié)構(gòu)，并且氧閥有低壓使用工況，所以閥蓋采用上裝式結(jié)構(gòu)。

3.2、閥座

高壓截止閥密封副選用金屬密封。常用的金屬密封結(jié)構(gòu)有平面密封、錐面密封和線密封。平面密封的工藝性好，閥瓣導(dǎo)向要求不高。錐面密封和線密封的閥瓣則需要精密定位導(dǎo)向。由于截止閥的套筒可以為閥瓣提供很好的導(dǎo)向，閥座選用錐面密封，密封面半錐角為30°。為了提高閥座的密封性和壽命，需要對閥瓣和閥座的密封面進(jìn)行堆焊和研磨。因堆焊時(shí)要進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，故將閥座與閥體設(shè)計(jì)為分體式。先在閥座上堆焊后，再將閥座焊接到閥體上(圖2)。高壓氧氣管路用不銹鋼截止圖2 氧氣截止閥閥座結(jié)構(gòu)

3.3、閥瓣和閥桿防轉(zhuǎn)

閥桿防轉(zhuǎn)采用兩個(gè)防轉(zhuǎn)夾板和一個(gè)鍵與閥桿通過螺釘緊固，在一個(gè)防轉(zhuǎn)夾板上伸出防轉(zhuǎn)螺栓桿與閥體支架的導(dǎo)向槽配合(圖3)，確保閥桿只能進(jìn)行上下移動(dòng)，不會發(fā)上旋轉(zhuǎn)。閥瓣和閥桿通過鎖緊螺母連接，鎖緊螺母和閥瓣之間通過安裝一個(gè)螺釘實(shí)現(xiàn)防松。閥瓣中有一個(gè)通過電火花加工的孔，孔中安裝了一個(gè)圓柱銷，與閥桿頭部銑出的一個(gè)槽進(jìn)行配合，該結(jié)構(gòu)可以防止閥瓣與閥桿之間發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)(圖4)。

3.4、閥桿密封

閥桿密封采用填料結(jié)構(gòu)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，填料選用6層增強(qiáng)聚四氟乙烯V形填料。閥桿填料密封可能會因?yàn)闇囟茸兓⑻盍先渥?、磨損和擠出等原因出現(xiàn)填料松弛現(xiàn)象，維護(hù)不及時(shí)可能會引發(fā)泄漏事故。氧氣截止閥的閥桿密封結(jié)構(gòu)中，采用帶碟形彈簧加載的活載壓緊結(jié)構(gòu)(圖5)，碟形彈簧可以使填料保持相對恒定的壓緊力，避免填料密封出現(xiàn)松弛或過壓現(xiàn)象，提高填料使用壽命，延長維護(hù)周期。高壓氧氣管路用不銹鋼截止閥圖3 閥桿防轉(zhuǎn)高壓氧氣管路用不銹鋼截止閥圖4 閥瓣防轉(zhuǎn)高壓氧氣管路用不銹鋼截止閥圖5 閥桿密封

3.5、上密封

上密封是閥門全開時(shí)，阻止介質(zhì)向填料函處滲漏的一種密封結(jié)構(gòu)，通常采用錐形密封或球面密封。上密封閥座通常設(shè)在閥蓋或閥體上，上密封閥瓣通常設(shè)在閥桿上。為了降低成本，將上密封閥瓣設(shè)在鎖緊螺母上，閥瓣壓蓋與閥瓣通過O形圈實(shí)現(xiàn)端面密封，但此結(jié)構(gòu)中閥瓣壓蓋與閥桿存在一定的間隙，上密封閥瓣的導(dǎo)向較差，不宜采用錐形密封，故采用球形密封(圖6)。上密封閥座在閥蓋上直接加工，考慮到密封力較大，采用120°錐面，閥瓣壓蓋加工成球面。高壓氧氣管路用不銹鋼截止閥圖6 上密封

3.6、防靜電設(shè)計(jì)

根據(jù)GB16912-2008，氧氣(包括液氧)設(shè)備、管道、閥門的法蘭連接和螺紋連接處，應(yīng)采用金屬導(dǎo)線跨接，其跨接電阻應(yīng)小于0.03Ω。因此認(rèn)為閥門設(shè)計(jì)時(shí)在其法蘭連接處預(yù)留金屬導(dǎo)線接口(螺釘壓接)，方便閥門、管路系統(tǒng)連接后法蘭之間的導(dǎo)線跨接。

4、材料選擇
氧氣閥門中，與氧氣接觸零件的選材是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，特別是高壓氧氣閥。設(shè)計(jì)中根據(jù)GB16912-2008、IGCDOC13/02/E和GB10877-89等標(biāo)準(zhǔn)，并兼顧經(jīng)濟(jì)性考慮進(jìn)行選材。

不銹鋼氧氣閥結(jié)構(gòu)說明
1、不銹鋼氧氣閥主要由閥體、閥蓋、閥瓣等零件組成；
2、球形閥體，手里均勻;
3、不銹鋼氧氣閥為手動(dòng)操作，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪，閥門關(guān)閉，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪，閥門開啟；
4、DN50以下不銹鋼氧氣閥無滾珠軸承，
5、DN150、DN200、DN250、DN300等大口徑不銹鋼氧氣閥增設(shè)副閥瓣。介質(zhì)流從閥瓣上部流向下方。

不銹鋼氧氣閥主要特點(diǎn)
1、JY41W不銹鋼氧氣閥系列特殊設(shè)計(jì)的不銹鋼或銅合金截止閥，主要用于氧壓機(jī)加壓后的管道。
2、啟閉靈活。不銹鋼氧氣閥根據(jù)通徑的大小采用兩種結(jié)構(gòu)，小通徑的為普通結(jié)構(gòu)，大通徑的增設(shè)副閥瓣，以平衡閥前和閥后壓差，減少啟閉力矩。
3、安全可靠。不銹鋼氧氣閥制造時(shí)采用嚴(yán)格禁油措施，填料材質(zhì)為聚四氟乙烯，閥桿設(shè)計(jì)成升降桿，即閥桿升降時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)，閥瓣隨其升降，因而減少對填料的磨損，同時(shí)上密封磨損亦降到zui低程度。所有閥件在安裝前均經(jīng)過嚴(yán)格脫脂，確保使用時(shí)安全可靠。
4、閥桿外露部分均有保護(hù)措施，可以防止塵土和油污，支架軸承潤滑采用氟化脂。
5、不銹鋼氧氣閥在法蘭端加設(shè)導(dǎo)電螺孔，以防靜電。
4.1、金屬材料

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥根據(jù)氧氣用角式截止閥工作壓力12MPa，氣體流速小于4.5m/s的實(shí)際工況條件，閥體和閥蓋選用304材料。閥桿和套筒選用沉淀硬化不銹鋼05Cr17Ni14Cu4Nb，閥座選用不銹鋼304[6]，在閥座密封面堆焊司太立合金。

4.2、非金屬材料

氧氣介質(zhì)閥中的非金屬材料主要為各種非金屬密封件。如閥瓣和套筒的動(dòng)密封、套筒與閥體間的密封和閥桿密封等。閥桿密封采用柔性石墨材料或聚四氟乙烯，閥瓣和套筒的動(dòng)密封采用阻燃性較好的氟橡膠O形圈或PTFE包覆O形圈。導(dǎo)向筒與閥體之間的密封選用金屬纏繞墊，而閥體和套筒、閥座與閥體間的冗余密封選用氟橡膠O形圈。

5、清洗和試驗(yàn)
氧氣截止閥的清洗脫脂按HGJ202-1982進(jìn)行。裝配前，金屬零件用四氯化碳或氟里昂清洗，非金屬零件用四氯化碳清洗，并吹干。采用紫外線(波長為320～380nm，光源為聚光，光密度至少在30cm長度上達(dá)到5.0mW/cm2)檢測脫脂件表面。脫脂合格的零件用潔凈無油白布或氣相防銹膜等包裝好，以防二次污染。在裝配中，橡膠O形圈潤滑脂選用抗化學(xué)介質(zhì)潤滑脂7804。施工人員應(yīng)穿戴干凈，工作服上無油污，保持雙手或手套干凈無油脂。裝配環(huán)境潔凈無油，地面不起塵，相對濕度小于75%。

試驗(yàn)時(shí)*行液壓強(qiáng)度試驗(yàn)，然后分解閥門，并按要求清洗零件，再裝配進(jìn)行密封性試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為高純氮(99.99%)。閥門試驗(yàn)合格后，需再次進(jìn)行脫脂處理和檢測，合格后包裝出廠。

6、流場計(jì)算
以入口壓力為12MPa，流量為27.5kg/s，使用介質(zhì)為氧氣，進(jìn)行截止閥流場仿真計(jì)算(圖7)。閥體的流道內(nèi)大部分區(qū)域流速小于4.5m/s。只在環(huán)形腔與出口流道的交匯處zui大流速為5.2m/s。經(jīng)過分析，其原因可能是環(huán)形腔與出口流道的過渡不夠光滑。設(shè)計(jì)時(shí)可在該處增加過渡段，加工時(shí)也需對該處進(jìn)行打磨處理。高壓氧氣管路用不銹鋼截止閥圖7 角式氧閥速度分布

7、結(jié)語
新型高壓氧氣管路用截止閥，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主體材料的選用上符合相關(guān)規(guī)范。閥門組裝時(shí)嚴(yán)格按照要求進(jìn)行脫脂、禁油和相關(guān)的檢驗(yàn)，性能良好。閥門成本低，易于控制，可滿足工況條件的要求。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥