1、概述

　　高溫高壓閥門的閥體和閥蓋采用內壓自封密封連接時,其密封環材料一般為金屬。金屬環密封可靠,使用壽命長。但是,閥體和閥蓋的加工精度要求高,閥門在線維修困難。近年來,石墨環以價格較低,可重復使用,更換方便等特性得到了越來越廣泛的應用。

2、分析

　　以公稱直徑為DN25 ～600mm, 公稱壓力≥PN10MPa,工作溫度< 700℃,輸送介質為水蒸汽,閥體和閥蓋連接類型為內壓自封密封的閥門為例,內壓自封密封環有金屬環和石墨環兩種類型。采用金屬環密封時,其閥體和閥蓋與金屬環接觸部位需要堆焊特殊材料,材料成本和加工精度高。特別是大口徑Y形截止閥,閥體與金屬環接觸部位加工時很難達到密封要求。閥門維修拆卸金屬環后,閥體和閥蓋與金屬環接觸面需要維修,加工難度大,金屬環需要更換,費用高。采用石墨環密封時,閥門維修不用更換和加工零部件,維修時間短,石墨環可重復使用,降低了成本。

3、結構

　　根據石墨環的特點,按照產品系列化、通用化和標準化進行設計,并充分考慮了原金屬密封環結構在加工和模具上的通用性,合并和壓縮了石墨環的品種規格,減少了石墨環的模具數量。金屬環與石墨環密封結構(圖1、圖2)不同。石墨環密封結構在閥體中腔A處增加了10°倒角,以方便石墨環二次裝配和重復使用。在閥蓋B處增加了2°斜度,以方便閥蓋裝配。對于小口徑閥門用石墨環其上部增加了金屬墊圈,防止石墨環擠出。

(a)小口徑　(b)大口徑

圖1　金屬環密封結構

(a)小口徑　(b)大口徑

圖2　石墨環密封結構

　　由于石墨環需要反復使用,閥體四開環槽上部直徑加大1mm,有利于石墨環裝配取出。墊圈與閥蓋、墊圈與閥體和閥體與閥蓋配合間隙控制在≤0.3mm,以防止石墨擠出和包邊損壞。

　　石墨環的技術要求有壓縮量、回彈率、含碳量、耐高溫性能、端面壓強、石墨加強形式、石墨擠出、密封性、裝拆及反復使用等指標,在分析了大量試驗數據的基礎上,石墨環采用內部嵌入金屬絲網,上端不銹鋼包邊,下端不銹鋼包角的加強型(圖3)結構。

圖3　石墨環結構

4、計算

　　(1)閥蓋直邊段厚度

圖4　閥蓋

　　閥蓋(圖4) b2b環向截面的合成應力σob為

F———內壓引起的總軸向力,N
Fa ———對柔性石墨墊圈的預緊力,N
Db ——— b2b截面直徑,mm
h ———閥蓋直邊段厚度,mm
l———墊片寬度,mm
[σ] t ———設計溫度下材料的許用應力,MPa

(2)石墨環的端面壓強

式中P———石墨環的端面壓強,MPa
　　D———石墨環外徑,mm
　　P1 ———公稱壓力,MPa

5、成本核算

　　與金屬環相比,石墨環主要從三個方面取消或降低了成本。①閥蓋密封面與閥體中腔密封面堆焊材料和加工成本。②閥蓋密封面與閥體中腔焊接成本。③石墨環相對于金屬環成本降低。

6、結語

　　石墨環已在高溫水蒸汽裝置中得到了推廣應用,降低了成本,改善了使用性能,取得了良好的經濟效益。