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有关球阀的工作原理、设计理念及相关应用案例分析

来源:威尼斯平台登录有限企业编辑:发表时间:2019-07-17 09:23:40


      球阀具有不受支撑球、使得在阀腔中的球移动,以帮助密封该管线压力,使两个座位其搁置在其他。无论座椅是由金属,塑料还是其他材料制成,球阀性能的关键在于密封设计。球阀性能的另一个重要功能是阀杆密封设计。典型的浮动球阀使用软座(如PTFE:一种称为聚四氟乙烯的塑料材料,也称为Teflon)或TFM(PTFE的改良版,也称为TFM 1600)来密封管线压力。与PTFE相比,TFM具有轻微的压力/温度优势。两者都以其相当高的温度和压力能力而着称,PTFE和TFM是座椅材料的理想选择。然而,它们都没有良好的记忆力;一旦座椅以任何方式压缩或变形,材料将不会恢复其原始形状。
球阀的工作原理:
      关闭的阀门上的压力不仅作用于球的上游侧,而且作用于上游座椅的后侧。该力的结果将球和上游座椅推向下游座椅的方向(见图1)。该力可导致下游座椅的弹性变形和塑性变形。极端塑性变形的开始导致阀座的局限。
 

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      弹性变形:是在座椅设计中设计的临时变形,其使用设计中存储的能量来临时改变其形状以在压力和温度波动下改善密封性能。
      塑性变形:是由于压缩或极端压力和温度导致的座椅的永久变形。这有时被称为“冷流”。这又定义了座椅设计和材料的局限性。
座椅技术
      球阀设计中使用两种不同类型的座椅技术:果酱座椅和柔性座椅,其也被称为带电座椅。
      许多早期商用球阀设计以及今天使用的一些设计取决于卡纸座椅设计。这种类型的密封是通过在座椅设计中使用多余材料而产生的,从而将球(在组装期间)轻微地“卡住”到座椅中,这使得座椅被压靠在球体内和体壁内部(参照图2)。因此,座椅的压缩或预设由于塑性变形而损害座椅。虽然这种塑性变形很小,但需要压紧阀座以实现紧密密封。这允许在低压应用中密封,并且随着压力增加,球被迫进入下游座椅,从而导致更紧密的密封。
 

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      同样采用这种类型的设计,由于压缩,座椅已经形成一些轻微的塑性变形,因此如果上游压力显着增加,则由于球更硬地推入下游座椅,将导致更多的塑性变形。只要压力保持在高水平,这不是问题,但如果压力降低,则很可能发生泄漏,因为座椅不会恢复其原始形状,这意味着它已经“冷流”。果酱座没有压力补偿。
      与卡纸座椅相关的另一个问题是温度波动。热膨胀是材料在加热时体积的一般增加。它通常表示为每单位温度变化的长度或体积的分数变化。将系数应用于给定材料以比较从一种材料到另一种材料的热膨胀率。该速率称为材料的热膨胀系数。通常,给出固体的线性膨胀系数,而给出液体和气体的体积系数。
      在球阀温度升高的情况下,钢体和球膨胀;然而,PTFE或TFM座椅的膨胀率要高得多。可能是围绕它们的金属的八倍。如果温度变化足够高,卡纸座将产生超出其原始形状的更多塑性变形。如果阀门随后变冷,则额外变形的阀座的收缩最可能导致泄漏。果酱座也没有热补偿。
      当磨损时,球阀中的牺牲元件是座椅。座位是价格合理的替代品; 但是,在高循环条件下,根据关闭压力和阀门尺寸,堵塞座会相当快地磨损。卡纸座椅也没有磨损补偿。
      所有塑料都具有弹性行为区和塑性行为区。目标是利用弹性行为区来使用储存的能量,就像潜水板一样。
      通电座椅有许多不同的设计。同样,通电座椅有一种方法可以利用设计中设计的储能,通过利用设计中的弹性变形来补偿压力,热补偿和磨损的变化。例如,用于在座椅中实现内置能量的流行设计是形成座椅的内径,使其具有柔性。除了这种设计外,阀体和阀座外边缘之间还包括一个弯曲区域(见图3)。在阀的最终组装期间发生初始预设,或者对座椅施加压力以使座椅弯曲到弯曲区域中,从而存储弹性能量。这种设计充分利用了设计中的弹性变形,因此,由于压力,热膨胀和磨损的增加,减少了塑性变形的可能性。只要在弯曲区域中座椅和主体之间存在一些间隙,座椅就会弯曲而不是冷流。
 

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      卡纸座椅设计也使用预设,但在这种情况下,设计中没有内置弯曲区域,仅使用塑性变形来密封。
在浮动球阀内密封:
      通过果酱座椅设计和灵活的座椅设计,在新的阀门中,只要上游压力不会使球超过有效预设,就会发生上游密封。随着上游压力增加,它迫使球和上游座椅在下游座椅的方向上移动,使得球更紧地压在下游座椅上,这使得阀门紧密关闭。当发生这种情况时,阀体与上游阀座的后部之间会形成间隙。这允许上游压力进入阀腔,这正是预期的(参见图4)。
 

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      使上游压力与腔内的压力相等有几个优点;它可以减少摩擦,减少阀座损坏并提供更低的操作扭矩。如果阀门是自动化的,则会导致更小的实行器和更低的成本。
      球阀是下游密封装置。阀门有两个座位,只是为了使它双向。这意味着,无论哪种方式安装在管道中,两侧的工作方式都相同。然而,如前所述,只要上游压力不使球移过新阀门上的有效预设,就会发生上游密封。但是,随着阀门磨损,设计的有效预设值降低,因此即使在较低压力下,上游压力也更容易进入阀腔。
      为了帮助确保上游压力进入腔体以平衡压力,径向凹槽开槽到座椅的外边缘(见图5)。径向槽仅影响上游座的密封,因为下游座被球推入内部阀体,在下部阀座的后侧发生密封。径向凹槽不会使阀门单向。阀门保持双向,因为两个座椅都是相同的;阀门内部产生的力也相同,使阀门保持双向。
 

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热流体膨胀:
      在球阀中,在两个座之间产生的空腔是用于增加压力的绝对理想的安全壳。令人惊讶的是,由于热膨胀,存在与被捕获的不可压缩物的温度升高相关的压力升高幅度。在没有任何空气的情况下捕获的普通水将在华氏温度升高的每个程度上增加约100psi的压力。例如,10°F将压力提高约1000 psi。并且,大多数常见液体的压力/温度关系约为每华氏度90至110磅/平方英寸。事实上,ANSI B16.34第2.3.3段“热流体膨胀”规定:“用户有责任提供或要求提供,设计中的手段。
      球阀制造商有几种方式解决由于热流体膨胀导致的腔压增加的问题。当阀门处于打开位置时,球阀,阀座和阀体产生的空腔中的任何压力都可以通过从阀杆槽顶部到球流路径钻一个小孔而轻松排出。腔体压力很容易通过阀槽中的孔从腔体中逸出,并推出阀门的下游侧。然而,当球处于关闭位置时,更难以排空空腔。实现此目的的一种方法是在球中钻出另一个孔,以便当阀门处于关闭位置时,通气孔指向上游,从而将捕获的介质向上游排出,同时防止阀门向下游泄漏(见图6)。虽然通风孔当然是防止腔体压力建立的合适方式,但它也使阀门单向。这是使用卡纸座设计的阀门能够排空腔体压力的唯一方法。
 

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      使用通电座椅设计的阀门具有座椅前后弯曲的能力。腔体压力释放将采取阻力最小的路径。现在增加的腔压力大于上游压力将迫使上游座椅远离球并且朝向上游压力侧弯曲或弯曲并且向上游排气。只需要少量的压力释放来使腔体压力恢复正常。一些制造商称这是上游座椅的“打嗝”效应,有些人将其称为“渗透”缓解。无论如何,这些都是自我缓解的座位(见图7)。
 

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      有了这个说法,即使是那些设计自卸式阀门的制造商,也建议对于高挥发性的工作,如液氯或低温服务,已知流体或气体具有快速的热膨胀特性,建议使用上游通风球提供直接排放减轻。
结论:
      随着许多制造商在当今不断增长的球阀市场中,球阀不应被视为商品。应认真考虑确定哪种阀门最适合应用。

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