石墨环内压自封密封结构设计

2009-10-20 施进伟 中核苏阀科技实业股份有限公司

1、概述

　　高温高压阀门的阀体和阀盖采用内压自封密封连接时,其密封环材料一般为金属。金属环密封可靠,使用寿命长。但是,阀体和阀盖的加工精度要求高,阀门在线维修困难。近年来,石墨环以价格较低,可重复使用,更换方便等特性得到了越来越广泛的应用。

2、分析

　　以公称直径为DN25 ～600mm, 公称压力≥PN10MPa,工作温度< 700℃,输送介质为水蒸汽,阀体和阀盖连接类型为内压自封密封的阀门为例,内压自封密封环有金属环和石墨环两种类型。采用金属环密封时,其阀体和阀盖与金属环接触部位需要堆焊特殊材料,材料成本和加工精度高。特别是大口径Y形截止阀,阀体与金属环接触部位加工时很难达到密封要求。阀门维修拆卸金属环后,阀体和阀盖与金属环接触面需要维修,加工难度大,金属环需要更换,费用高。采用石墨环密封时,阀门维修不用更换和加工零部件,维修时间短,石墨环可重复使用,降低了成本。

3、结构

　　根据石墨环的特点,按照产品系列化、通用化和标准化进行设计,并充分考虑了原金属密封环结构在加工和模具上的通用性,合并和压缩了石墨环的品种规格,减少了石墨环的模具数量。金属环与石墨环密封结构(图1、图2)不同。石墨环密封结构在阀体中腔A处增加了10°倒角,以方便石墨环二次装配和重复使用。在阀盖B处增加了2°斜度,以方便阀盖装配。对于小口径阀门用石墨环其上部增加了金属垫圈,防止石墨环挤出。

金属环密封结构

(a)小口径　(b)大口径

图1　金属环密封结构

石墨环密封结构

(a)小口径　(b)大口径

图2　石墨环密封结构

　　由于石墨环需要反复使用,阀体四开环槽上部直径加大1mm,有利于石墨环装配取出。垫圈与阀盖、垫圈与阀体和阀体与阀盖配合间隙控制在≤0.3mm,以防止石墨挤出和包边损坏。

　　石墨环的技术要求有压缩量、回弹率、含碳量、耐高温性能、端面压强、石墨加强形式、石墨挤出、密封性、装拆及反复使用等指标,在分析了大量试验数据的基础上,石墨环采用内部嵌入金属丝网,上端不锈钢包边,下端不锈钢包角的加强型(图3)结构。

石墨环结构

图3　石墨环结构

4、计算

　　(1)阀盖直边段厚度

阀盖

图4　阀盖

　　阀盖(图4) b2b环向截面的合成应力σob为

F———内压引起的总轴向力,N
Fa ———对柔性石墨垫圈的预紧力,N
Db ——— b2b截面直径,mm
h ———阀盖直边段厚度,mm
l———垫片宽度,mm
[σ] t ———设计温度下材料的许用应力,MPa

(2)石墨环的端面压强

式中P———石墨环的端面压强,MPa
　　D———石墨环外径,mm
　　P1 ———公称压力,MPa

5、成本核算

　　与金属环相比,石墨环主要从三个方面取消或降低了成本。①阀盖密封面与阀体中腔密封面堆焊材料和加工成本。②阀盖密封面与阀体中腔焊接成本。③石墨环相对于金属环成本降低。

6、结语

　　石墨环已在高温水蒸汽装置中得到了推广应用,降低了成本,改善了使用性能,取得了良好的经济效益。