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有關球閥的工作原理、設計理念及相關應用案例分析

來源:上海自動化儀表有限公司作者:發表時間:2019-07-17 09:23:40


      球閥具有不受支持球、使得在閥腔中的球移動,以幫助密封該管線壓力,使兩個座位其擱置在其他。無論座椅是由金屬,塑料還是其他材料制成,球閥性能的關鍵在于密封設計。球閥性能的另一個重要功能是閥桿密封設計。典型的浮動球閥使用軟座(如PTFE:一種稱為聚四氟乙烯的塑料材料,也稱為Teflon)或TFM(PTFE的改良版,也稱為TFM 1600)來密封管線壓力。與PTFE相比,TFM具有輕微的壓力/溫度優勢。兩者都以其相當高的溫度和壓力能力而著稱,PTFE和TFM是座椅材料的理想選擇。然而,它們都沒有良好的記憶力;一旦座椅以任何方式壓縮或變形,材料將不會恢復其原始形狀。
球閥的工作原理:
      關閉的閥門上的壓力不僅作用于球的上游側,而且作用于上游座椅的后側。該力的結果將球和上游座椅推向下游座椅的方向(見圖1)。該力可導致下游座椅的彈性變形和塑性變形。極端塑性變形的開始導致閥座的局限。
 

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      彈性變形:是在座椅設計中設計的臨時變形,其使用設計中存儲的能量來臨時改變其形狀以在壓力和溫度波動下改善密封性能。
      塑性變形:是由于壓縮或極端壓力和溫度導致的座椅的永久變形。這有時被稱為“冷流”。這又定義了座椅設計和材料的局限性。
座椅技術
      球閥設計中使用兩種不同類型的座椅技術:果醬座椅和柔性座椅,其也被稱為帶電座椅。
      許多早期商用球閥設計以及今天使用的一些設計取決于卡紙座椅設計。這種類型的密封是通過在座椅設計中使用多余材料而產生的,從而將球(在組裝期間)輕微地“卡住”到座椅中,這使得座椅被壓靠在球體內和體壁內部(參照圖2)。因此,座椅的壓縮或預設由于塑性變形而損害座椅。雖然這種塑性變形很小,但需要壓緊閥座以實現緊密密封。這允許在低壓應用中密封,并且隨著壓力增加,球被迫進入下游座椅,從而導致更緊密的密封。
 

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      同樣采用這種類型的設計,由于壓縮,座椅已經形成一些輕微的塑性變形,因此如果上游壓力顯著增加,則由于球更硬地推入下游座椅,將導致更多的塑性變形。只要壓力保持在高水平,這不是問題,但如果壓力降低,則很可能發生泄漏,因為座椅不會恢復其原始形狀,這意味著它已經“冷流”。果醬座沒有壓力補償。
      與卡紙座椅相關的另一個問題是溫度波動。熱膨脹是材料在加熱時體積的一般增加。它通常表示為每單位溫度變化的長度或體積的分數變化。將系數應用于給定材料以比較從一種材料到另一種材料的熱膨脹率。該速率稱為材料的熱膨脹系數。通常,給出固體的線性膨脹系數,而給出液體和氣體的體積系數。
      在球閥溫度升高的情況下,鋼體和球膨脹;然而,PTFE或TFM座椅的膨脹率要高得多??赡苁菄@它們的金屬的八倍。如果溫度變化足夠高,卡紙座將產生超出其原始形狀的更多塑性變形。如果閥門隨后變冷,則額外變形的閥座的收縮最可能導致泄漏。果醬座也沒有熱補償。
      當磨損時,球閥中的犧牲元件是座椅。座位是價格合理的替代品; 但是,在高循環條件下,根據關閉壓力和閥門尺寸,堵塞座會相當快地磨損??堊我矝]有磨損補償。
      所有塑料都具有彈性行為區和塑性行為區。目標是利用彈性行為區來使用儲存的能量,就像潛水板一樣。
      通電座椅有許多不同的設計。同樣,通電座椅有一種方法可以利用設計中設計的儲能,通過利用設計中的彈性變形來補償壓力,熱補償和磨損的變化。例如,用于在座椅中實現內置能量的流行設計是形成座椅的內徑,使其具有柔性。除了這種設計外,閥體和閥座外邊緣之間還包括一個彎曲區域(見圖3)。在閥的最終組裝期間發生初始預設,或者對座椅施加壓力以使座椅彎曲到彎曲區域中,從而存儲彈性能量。這種設計充分利用了設計中的彈性變形,因此,由于壓力,熱膨脹和磨損的增加,減少了塑性變形的可能性。只要在彎曲區域中座椅和主體之間存在一些間隙,座椅就會彎曲而不是冷流。
 

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      卡紙座椅設計也使用預設,但在這種情況下,設計中沒有內置彎曲區域,僅使用塑性變形來密封。
在浮動球閥內密封:
      通過果醬座椅設計和靈活的座椅設計,在新的閥門中,只要上游壓力不會使球超過有效預設,就會發生上游密封。隨著上游壓力增加,它迫使球和上游座椅在下游座椅的方向上移動,使得球更緊地壓在下游座椅上,這使得閥門緊密關閉。當發生這種情況時,閥體與上游閥座的后部之間會形成間隙。這允許上游壓力進入閥腔,這正是預期的(參見圖4)。
 

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      使上游壓力與腔內的壓力相等有幾個優點;它可以減少摩擦,減少閥座損壞并提供更低的操作扭矩。如果閥門是自動化的,則會導致更小的執行器和更低的成本。
      球閥是下游密封裝置。閥門有兩個座位,只是為了使它雙向。這意味著,無論哪種方式安裝在管道中,兩側的工作方式都相同。然而,如前所述,只要上游壓力不使球移過新閥門上的有效預設,就會發生上游密封。但是,隨著閥門磨損,設計的有效預設值降低,因此即使在較低壓力下,上游壓力也更容易進入閥腔。
      為了幫助確保上游壓力進入腔體以平衡壓力,徑向凹槽開槽到座椅的外邊緣(見圖5)。徑向槽僅影響上游座的密封,因為下游座被球推入內部閥體,在下部閥座的后側發生密封。徑向凹槽不會使閥門單向。閥門保持雙向,因為兩個座椅都是相同的;閥門內部產生的力也相同,使閥門保持雙向。
 

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熱流體膨脹:
      在球閥中,在兩個座之間產生的空腔是用于增加壓力的絕對理想的安全殼。令人驚訝的是,由于熱膨脹,存在與被捕獲的不可壓縮物的溫度升高相關的壓力升高幅度。在沒有任何空氣的情況下捕獲的普通水將在華氏溫度升高的每個程度上增加約100psi的壓力。例如,10°F將壓力提高約1000 psi。并且,大多數常見液體的壓力/溫度關系約為每華氏度90至110磅/平方英寸。事實上,ANSI B16.34第2.3.3段“熱流體膨脹”規定:“用戶有責任提供或要求提供,設計中的手段。
      球閥制造商有幾種方式解決由于熱流體膨脹導致的腔壓增加的問題。當閥門處于打開位置時,球閥,閥座和閥體產生的空腔中的任何壓力都可以通過從閥桿槽頂部到球流路徑鉆一個小孔而輕松排出。腔體壓力很容易通過閥槽中的孔從腔體中逸出,并推出閥門的下游側。然而,當球處于關閉位置時,更難以排空空腔。實現此目的的一種方法是在球中鉆出另一個孔,以便當閥門處于關閉位置時,通氣孔指向上游,從而將捕獲的介質向上游排出,同時防止閥門向下游泄漏(見圖6)。雖然通風孔當然是防止腔體壓力建立的合適方式,但它也使閥門單向。這是使用卡紙座設計的閥門能夠排空腔體壓力的唯一方法。
 

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      使用通電座椅設計的閥門具有座椅前后彎曲的能力。腔體壓力釋放將采取阻力最小的路徑?,F在增加的腔壓力大于上游壓力將迫使上游座椅遠離球并且朝向上游壓力側彎曲或彎曲并且向上游排氣。只需要少量的壓力釋放來使腔體壓力恢復正常。一些制造商稱這是上游座椅的“打嗝”效應,有些人將其稱為“滲透”緩解。無論如何,這些都是自我緩解的座位(見圖7)。
 

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      有了這個說法,即使是那些設計自卸式閥門的制造商,也建議對于高揮發性的工作,如液氯或低溫服務,已知流體或氣體具有快速的熱膨脹特性,建議使用上游通風球提供直接排放減輕。
結論:
      隨著許多制造商在當今不斷增長的球閥市場中,球閥不應被視為商品。應認真考慮確定哪種閥門最適合應用。

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