衬氟塑料阀门设计若干问题探讨

1概述

随着现代石油化工工业的快速发展, 带动了衬里阀门的发展, 较早生产的衬橡胶和搪瓷阀门已不能满足日新月异的工业需要, 因此出现了各种材料的衬里阀门, 其中衬氟塑料阀门已成为现代石油和化工工业中应用最广泛的阀门品种之一。

2分析

氟塑料是性能优越的热塑性材料, 典型的聚四氟乙烯 (PTFE) 材料具有优良的耐热性和耐寒性, 可长期在-195～200℃范围内使用。其低摩擦性和自润滑性非常好, 还具有优良的电绝缘性和优异的化学稳定性, 可耐各种强酸、强碱和强氧化剂的腐蚀。由于氟塑料具有这些优异特性, 所以特别适合做耐腐蚀性强的阀门材料, 已部分替代昂贵的哈氏合金和钛合金材料。

氟塑料的抗拉强度和硬度相对较低, 不适宜单独做阀门壳体材料, 所以通常作为衬里材料。衬氟塑料阀门的外壳材料一般有灰铸铁、球墨铸铁、碳素钢、不锈钢、铜合金和铝合金等。灰铸铁由于机械强度低, 容易碎裂, 现在使用较少。

3设计

3.1 技术条件

衬氟塑料阀门的设计压力一般为PN≤2.0MPa (150Lb) , 其使用温度应根据壳体材料和氟塑料的适用温度综合确定。一般碳钢衬氟塑料阀门的工作温度为-29～180℃。各类衬氟塑料阀门的公称通径可根据企业的生产条件而定, 表1所列衬氟塑料阀门的公称通径可作参照。

衬氟塑料阀门的技术条件可参照相应金属阀门的技术条件或设计规范。如衬氟塑料闸阀的技术要求参照采用GB/T 12234, 衬氟塑料截止阀和升降式止回阀的技术要求参照采用GB/T 12235, 衬氟塑料止回阀的技术要求参照采用GB/T 12236, 衬氟塑料球阀的技术要求参照采用GB/T 12237, 衬氟塑料蝶阀的技术要求参照采用GB/T 12238, 衬氟塑料隔膜阀的技术要求参照采用GB/T 12239, 衬氟塑料旋塞阀的技术要求参照采用GB/T 12240。

3.2 相关要求

由于衬氟塑料阀门有其自身的特点和要求, 因此还必须满足相关的技术要求。

(1) 阀门壳体的最小壁厚按照GB/T 12224标准中的规定, 其压力等级按1.6MPa或2.0MPa选取, 但此壁厚不包括衬里层厚度, 衬里层厚度推荐采用表2的尺寸。也可按用户要求确定。

表1各类衬里阀门公称通径范围导出到EXCEL

公称通径 DN (mm)	闸阀	截止阀	升降式 止回阀	旋启式 止回阀	球阀	蝶阀	旋塞阀	隔膜阀
15	-	√	√	-	√	-	-	√
20	-	√	√	-	√	-	-	√
25	-	√	√	√	√	-	√	√
32	-	√	√	√	√	-	√	√
40	√	√	√	√	√	-	√	√
50	√	√	√	√	√	√	√	√
65	√	√	√	√	√	√	√	√
80	√	√	√	√	√	√	√	√
100	√	√	√	√	√	√	√	√
125	√	√	√	√	√	√	√	√
150	√	√	√	√	√	√	√	√
200	√	√	√	√	√	√	√	√
250	√	√	√	√	√	√	√	√
300	√	√	√	√	√	√	√	√
350	√	-	-	√	√	√	-	-
400	√	-	-	√	√	√	-	-
450	√	-	-	√	√	√	-	-
500	√	-	-	√	√	√	-	-
600	√	-	-	-	-	√	-	-
700	-	-	-	-	-	√	-	-
800	-	-	-	-	-	√	-	-
1 000	-	-	-	-	-	√	-	-
1 200	-	-	-	-	-	√	-	-

(2) 法兰连接衬氟塑料阀门的结构长度按GB/T 12221的规定, 也可按用户的要求确定其结构长度。

(3) 衬氟塑料阀门的法兰连接尺寸按GB/T 9113.1的规定或行业标准的规定。也可由用户在订货合同中确定。但不得采用焊接连接方式。

(4) 衬氟塑料阀门通道尺寸可按表3选取, 还可根据用户要求确定。对于阀门的可扫线性, 按用户要求给予满足。

(5) 衬氟塑料阀门的手轮或扳手上使用脱开力矩或轴力所需要的最大力应不超过360N。扳手应不长于两倍的阀门结构长度。

(6) 如果买方有要求, 阀门应提供锁定机构。锁定机构应设计为在开启或关闭位置锁定阀门。特别是有毒有害的介质上使用的阀门, 应提供锁定机构, 保证使用安全。

(7) 配有手动或动力驱动装置的阀门应提供一个可见的位置指示器以指示关闭件的开启和关闭位置。特别是衬里闸阀和截止阀, 位置指示器的作用十分明显, 因为氟塑料相对较软, 用力过大容易损坏密封面, 减少使用寿命。对于旋塞阀和球阀, 其扳手或位置指示器, 当阀门在开启的位置, 应与管道在一直线上, 当阀门在关闭位置, 应横置于管道上。

(8) 操作装置和阀杆加长装配应提供一种防止由阀杆或阀盖密封泄漏引起的在机构中压力聚集的方法。外部的连接应加以密封, 例如用垫片或O形圈, 以防止外界杂质进入机构。

(9) 驱动装置可采用电动、液动、气动和蜗杆传动方式。装置与阀盖或阀杆加长装置的连接面应设计成能防止零件的错误或不当的装配。传动装置的输出应不超过阀门驱动链的最大载荷能力。

(10) 阀杆应设计有防喷出机构, 以防止在阀杆填料或保护圈卸去后在内压下阀杆喷出。

表2衬氟塑料厚度mm

表3阀门通道尺寸mm 导出到EXCEL

公称通径 DN	孔口直径 PN0.6～1.6MPa	公称通径 DN	孔口直径 PN0.6～1.6MPa
15	13	500	487
20	19	550	538
25	25	600	589
32	32	650	633
40	38	700	665
50	49	750	710
65	62	800	768
80	74	850	830
100	100	900	874
150	150	950	925
200	200	1 000	976
250	250	1 050	1 020
300	300	1 200	1 166
350	334	1 350	1 312
400	385	1 400	1 360
450	436

3.3 内部结构

(1) 常规阀门的设计, 只需考虑阀门铸件的铸造工艺性和结构的合理性, 对于衬氟塑料阀门, 还应考虑衬氟塑料的模压工艺性、生产成本和流道畅通等问题。

例如截止阀, 其S形的阀门壳体流道设计 (图1) , 在铸造工艺性上没有问题, 如果是衬氟塑料截止阀设计成这样的结构, 衬氟塑料模压工艺将无法实现。为了满足衬氟塑料模压的工艺性要求, 又符合截止阀的一般性能参数规范。此衬氟塑料截止阀应设计成如图2的样式。

图1 普通截止阀

图2 衬氟塑料截止阀

又如球阀的球体与阀杆, 蝶阀的蝶板与阀杆, 常规阀门的设计是分开的 (图3) , 如果衬氟塑料球阀和蝶阀采用这样的连接方式, 可以达到规定的衬氟工艺性, 但使用过程中常常出现问题。阀杆头部受力部位在反复交变受力过程中, 容易损坏衬里层, 导致衬里层破坏, 钢质骨架会受到腐蚀性介质的腐蚀而失效。从而缩短阀门使用寿命。所以, 在设计中, 通常设计成整体式 (图4) , 实践证明, 阀杆与阈瓣整体式的结构的设计使用效果良好。

图3 阀杆与阀瓣分离式结构

(a) 球阀 (b) 蝶阀

图4 阀杆与阀瓣整体式结构

(a) 球阀 (b) 蝶阀

(2) 衬氟塑料阀门的内部设计形状应尽量简洁, 要充分考虑模具制造的难易, 模压工艺的合理, 制造成本的低廉, 并保证介质流动顺畅, 要求衬里面平整, 所有转角处呈圆弧过渡, 圆弧半径R≥2mm。

(3) 衬氟塑料阀门的壳体内件如采用焊接方式, 其焊缝应设计成连续焊, 并且为对接焊缝。焊缝应符合GB/T 150的规定。

(4) 法兰面的衬氟塑料应设计成衬满密封面, 并且有扣紧基体的设计结构, 防止脱壳 (图5) , 其他方法有粗车螺纹沟槽法及钻螺纹孔紧固法等。

(5) 衬里层厚度不得小于2mm。因为氟塑料是高分子材料, 具有吸收少量与其接触的气体的特性。随着温度升高, 材料体积膨胀, 分子之间空隙增大, 渗透吸收就加剧, 只有适当增加厚度才能减少渗透。因此, 在衬里层设计时采用增加厚度来弥补这一缺陷, 经过试验、研究确定δ≥2mm较为合适。

(6) 衬里层的表面应当光滑平整, 无气孔、裂纹、夹杂等缺陷。法兰的翻边处及其他转角处应色泽均匀, 无泛白现象。

图5 防止氟塑料衬里脱壳方法

(a) 衬满密封面并附加扣紧基体结构 (b) 粗车螺纹沟槽法 (c) 螺纹孔紧固法

3.4 材料选择

衬里材料必须符合相关材料标准的规定, 其密度宜选用≥2.16g/cm3的氟塑料, 且不允许有杂质存在。目前常用的氟塑料有FEP (F46) 、PFA、PTFE (F4) 和F2等。随着新型塑料工程材料的不断出现, 将给阀门衬里增添更多的品种。用于食品、医药、卫生级阀门衬里材料, 还要求无毒、无菌、无杂质及清洁卫生的材料, 严禁使用再生、回收或无牌号的材料。

衬氟塑料阀门的连接螺栓应选用适合于阀门工况和压力额定值的螺栓。

4结语

还有很多设计和工艺方法能满足衬里阀门的特殊要求, 如滚塑工艺、喷塑工艺、热喷涂陶瓷和纳米复合材料等新工艺、新技术及新材料在阀门衬里上的应用, 并取得非常好的效果。