1．引言
隨著工業(yè)水平的不斷提高，對(duì)于閥門的密封性和可靠性要求越來越高，密封失效在可能造成重大人員傷亡事故和巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，還會(huì)造成環(huán)境污染，因此波紋管閥門由于具有雙重密封功能，其使用領(lǐng)域越來越廣。但隨著壓力的提高，對(duì)波紋管元件的耐壓和伸縮量提出了更高要求。
2．高壓波紋管閥門的設(shè)計(jì)、特點(diǎn)及工作原理
2．1 設(shè)計(jì)
高壓波紋管閥門主要由閥體、閘板(閥瓣)、閥座、波紋管組件、閥蓋接管組件、立柱、橫梁、閥桿螺母等組成。波紋管組件由金屬波紋管、填料函和波紋管座三體焊接而成；閥蓋接管組件由法蘭和接管兩件焊接而成；波紋管組件中的填料函與閥蓋焊接連接，波紋管座則與下閥桿焊接連接；閥體與閥蓋接管組件也采用焊接連接。高壓波紋管閘閥具體結(jié)構(gòu)見圖1，高壓波紋管截止閥具體結(jié)構(gòu)見圖2。
2．2 特點(diǎn)
閥門一般有兩個(gè)外漏點(diǎn)，一是閥體閥蓋聯(lián)接處，二是填料密封處。為了解決高壓狀態(tài)下這兩個(gè)外漏點(diǎn)的密封問題，我們采取了下列措施。
2.2.1 閥體閥蓋采用了焊接連接
在中低壓狀態(tài)下，閥體閥蓋一般采用中法蘭螺栓聯(lián)接，如果發(fā)生泄漏，由于是靜密封，緊緊螺栓或更換密封墊片即可解決。但高壓狀態(tài)下中法蘭螺栓聯(lián)接就不可靠了，我們采用了兩種結(jié)構(gòu)來解決這一問題：
(1)焊接結(jié)構(gòu)，在完成各項(xiàng)試驗(yàn)并合格后將閥蓋接管和閥體焊接為一體，解決閥體閥蓋聯(lián)接處的泄漏問題，如圖1所示；
(2)螺栓連接預(yù)留焊唇結(jié)構(gòu)，在閥體閥蓋中法蘭連接處各預(yù)留一個(gè)焊唇，當(dāng)中法蘭連接處出現(xiàn)泄漏時(shí)可將焊唇處焊接，以解決泄漏問題，如圖2所示。
2．2．2雙重密封設(shè)計(jì)
填料密封處由于閥桿與填料之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，屬于動(dòng)密封，采用緊固螺栓、增加或更換填料的方法只能暫時(shí)解決泄漏問題，尤其是在高壓狀態(tài)下，填料密封更成為一個(gè)難題。波紋管閥門采用波紋管加填料雙重密封結(jié)構(gòu)，波紋管為主密封，填料只有在波紋管失效后才起密封作用，所以可以有效解決填料密封處的泄漏問題，由于波紋管組件分別與閥蓋及下閥桿焊接連接，介質(zhì)被隔阻在下閥桿和填料函之外，不會(huì)進(jìn)入填料函。
2．2．3 波紋管元件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及選材
高壓狀態(tài)時(shí)對(duì)波紋管元件的要求很高，同時(shí)，由于閥門有啟閉高度要求，尤其是閘閥啟閉高度很長(zhǎng)，所以要求波紋管元件的行程很長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)波紋管元件一般采用“U”形結(jié)構(gòu)，高壓波紋管采用多層壓在一起，以滿足耐壓要求，這樣波紋管元件的升縮量就小，為了滿足閥門開啟高度，波紋管元件就會(huì)很長(zhǎng)。針對(duì)這一問題，我們與國(guó)外供應(yīng)商共同設(shè)計(jì)了波紋管元件，采用“Ω”形結(jié)構(gòu)，同時(shí)加大了波紋管元件的波形高度，有效增加了波紋管元件的升縮量，減小了波紋管元件長(zhǎng)度，從而大大降低了閥門整機(jī)高度。
下面以2″波紋管閘閥為例，800Lb級(jí)采用“U”形結(jié)構(gòu)波紋管元件，1500Lb級(jí)采用“Ω”形結(jié)構(gòu)波紋管元件，兩者主要參數(shù)對(duì)照見表1。
| 閥門規(guī)格 | 開啟高度 | 壓力級(jí) | 結(jié)構(gòu) | 材料 | 外徑 | 內(nèi)徑 | 波形高度 |
| 2″ | 42 | 800Lb | U形 | 1Cr18Ni9Ti | 39 | 28 | 5.5 |
| 2″ | 42 | 1500Lb | Ω形 | Inconel625 | 48 | 34 | 7 |
| 閥門規(guī)格 | 波距 | 波數(shù) | 層數(shù) | 單層壁厚 | 位移量 | 伸縮量 | 波紋部分長(zhǎng)度 |
| 2″ | 5 | 76 | 4 | 0.25 | ±21 | 11% | 380 |
| 2″ | 5.74 | 61 | 5 | 0.30 | ±21 | 12% | 350 |
2．3 工作原理
按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)手輪，通過閥桿螺母旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)上閥桿旋轉(zhuǎn)并下行，上閥桿帶動(dòng)連接塊及下閥桿下行，下閥桿帶動(dòng)閘板(閥瓣)下行，閘板(閥瓣)與閥座密封面吻合，閥門關(guān)閉，同時(shí)波紋管元件由于填料函與閥蓋焊接連接，而波紋管座與下閥桿焊接連接，所以處于拉伸狀態(tài)。反之閥門開啟，波紋管元件處于壓縮狀態(tài)。
3．高壓波紋管閥門的檢驗(yàn)和試驗(yàn)
根據(jù)高壓波紋管閥門的特點(diǎn)，除與其他閥門同樣的檢驗(yàn)和試驗(yàn)項(xiàng)目外，還須進(jìn)行三部分檢驗(yàn)和試驗(yàn)，一是對(duì)波紋管及波紋管組件(見圖3)進(jìn)行零部件檢驗(yàn)，二是對(duì)波紋管組件與閥桿連接(見圖4)焊后檢驗(yàn)，三是進(jìn)行波紋管閥門組裝完成后的整機(jī)檢驗(yàn)和試驗(yàn)。
3．1 波紋管及波紋管組件的檢查和試驗(yàn)
波紋管及波紋管組件的檢查和試驗(yàn)，分為出廠檢驗(yàn)和型式檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)目和順序按表2的規(guī)定。檢驗(yàn)條件除另有規(guī)定外，應(yīng)在下列條件下進(jìn)行檢驗(yàn)：
(1)環(huán)境溫度：5℃～40℃；
(2)濕度：20％～80％；
(3)大氣壓力：86kPa～106kP。
| 序號(hào) | 檢驗(yàn)項(xiàng)目 | 出廠檢驗(yàn) | 型式檢驗(yàn) | 檢驗(yàn)方法 |
| 1 | 表面質(zhì)量 | 必檢 | 必檢 | 在標(biāo)準(zhǔn)照明條件下，肉眼觀察表面及外形，結(jié)果符合JB/T6169-1992中7.1、7.2規(guī)定。 |
| 2 | 幾何尺寸 | 必檢 | 必檢 | 用分度值為0.02mm的卡尺或其精度相當(dāng)?shù)钠渌烤摺x器，檢驗(yàn)波紋管幾何尺寸，結(jié)果應(yīng)符合圖紙要求。 |
| 3 | 密封性能 | 必檢 | 必檢 | 用靈敏度為10-3mm3/s氦氣的質(zhì)譜儀泄漏試驗(yàn)裝置，不得呈現(xiàn)可探測(cè)出的滲漏。 |
| 4 | 壓力試驗(yàn) | 不檢 | 必檢 | 在室溫或38℃條件下，以1.5倍公稱壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)。 |
| 5 | 循環(huán)壽命 | 不檢 | 必檢 | 在室溫或38℃條件下的公稱壓力下進(jìn)行，加壓方式同壓力試驗(yàn)一樣，循環(huán)頻率不應(yīng)超過每秒一次。結(jié)果應(yīng)滿足表3的規(guī)定。 |
波紋管和波紋管組件的檢驗(yàn)和試驗(yàn)的合格判據(jù)：
(1)出廠檢驗(yàn)中有不合格項(xiàng)的波紋管，為不合格品。
(2)型式檢驗(yàn)樣品數(shù)至少為三件，三件循環(huán)壽命試驗(yàn)，取最小值以計(jì)算出最小循環(huán)壽命；三件試驗(yàn)件均合格，則判定該規(guī)格產(chǎn)品的型式檢驗(yàn)合格；三件中有一件不合格允許重新抽樣一次；三件試驗(yàn)中有兩件不合格則判定本次型式檢驗(yàn)不合格。
| 閥門規(guī)格 | 最小循環(huán)壽命 | ||
| 閘閥 | 截止閥 | ||
| ≤800磅級(jí)的閥門 | ≤2″ | 2000 | 5000 |
| 2-1/2″～4″ | 2000 | 5000 | |
| >4″ | 1000 | 2000 | |
| >800磅級(jí)的閥門 | ≤2″ | 2000 | 2000 |
| 2-1/2″～4″ | 1000 | 2000 | |
| >4″ | 1000 | 1000 | |
注：我國(guó)有波紋管截止閥分等標(biāo)準(zhǔn)，一等品最小循環(huán)壽命為3000次，優(yōu)等品為5000次。
3．2 波紋管組件與閥桿連接焊后檢驗(yàn)
波紋管組件與閥桿采用氬弧焊接方法進(jìn)行焊接后的密封性檢驗(yàn)：用0.6Mpa的氣體進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為3min，在水槽中檢查。
3．3 波紋管閥門組裝完成后的整機(jī)檢驗(yàn)和試驗(yàn)
波紋管閥門組裝完成后的整機(jī)檢驗(yàn)和試驗(yàn)按表4的規(guī)定。
| 序號(hào) | 檢驗(yàn)項(xiàng)目 | 檢驗(yàn)方法 |
| 1 | 低壓氣密封試驗(yàn) | 閥門關(guān)閉一半，用0.6MPa的試驗(yàn)介質(zhì)對(duì)閥門內(nèi)腔加壓，再關(guān)閉閥門進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為空氣。 |
| 2 | 高壓密封試驗(yàn) | 關(guān)閉閥門，用公稱壓力的1.1倍的試驗(yàn)介質(zhì)從進(jìn)口端加壓，試驗(yàn)介質(zhì)溫度為不高于52℃的水（可加防銹劑）。 |
| 3 | 閥門強(qiáng)度試驗(yàn) | 關(guān)閉閥門一半，用公稱壓力的1.1倍的試驗(yàn)介質(zhì)從進(jìn)口端加壓，試驗(yàn)介質(zhì)溫度為不高于52℃的水（可加防銹劑）。 |
| 4 | 氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn) | 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和20℃下，用靈敏度為10-6毫升氦/秒氦質(zhì)譜泄漏試驗(yàn)裝置對(duì)閥門進(jìn)行抽真空，當(dāng)閥門內(nèi)的真空度達(dá)5Pa時(shí)，使用噴吹法將純氦氣依次對(duì)焊縫和閥體閥蓋（鑄件）、焊接坡口處進(jìn)行檢漏。 |
4．高壓波紋管閥門的應(yīng)用
高壓波紋管閥門由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要用于易燃、易爆、有毒、滲透性強(qiáng)、有核輻射等特殊介質(zhì)和惡劣工況條件的工業(yè)管道上，因?yàn)樗哂薪饘俨y管和填料雙重密封，無外漏點(diǎn)，已廣泛用于石油化工、核電、聚酯化纖、制藥、航天工業(yè)等行業(yè)。近年來，隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，對(duì)環(huán)境有較高要求的場(chǎng)合也使用。下面簡(jiǎn)要介紹高壓波紋管閥門的幾種應(yīng)用。
4．1 精對(duì)苯二甲酸(PTA)
主要用途：制氫系統(tǒng)。
閥門主要參數(shù)：手動(dòng)波紋管閘閥，規(guī)格為1/2”～2”，設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為1500LB，殼體材料為316L,工作溫度為0℃～400℃，介質(zhì)為氫氣，殼體材料為316L。
4．2 聚脂
主要用途：年產(chǎn)15～40萬噸聚脂切片以及后紡絲項(xiàng)目中熱媒站及聚合樓的熱媒系統(tǒng)管道。
閥門主要參數(shù)：手動(dòng)波紋管閘閥，公稱直徑為15～70Omm，設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為1.6～6.4MPa，殼體材料為A105、WCB，工作溫度為0℃～325℃，介質(zhì)為氣相或液相氫化三聯(lián)苯、對(duì)二甲苯。手動(dòng)波紋管截止閥，公稱直徑為15～500mm。設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為1.6～4.0MPa，殼體材料為A105、WCB，工作溫度為0℃～325℃，介質(zhì)為氣相或液相氫化三聯(lián)苯、對(duì)二甲苯。
4．3 核電
主要用途：1000MW級(jí)核電站化學(xué)和容積控制系統(tǒng)及壓水堆核電站主回路系統(tǒng)、安注系統(tǒng)、余熱排除系統(tǒng)等。
閥門主要參數(shù)：手動(dòng)波紋管截止閥，公稱直徑為50mm，設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為25.0MPa，最高工作壓力等級(jí)為17.2MPa，閥體材料為不銹鋼，最高工作溫度為360℃，工作介質(zhì)為反應(yīng)堆冷卻劑(含硼水)。
4．4 大型乙烯
主要用途：大型乙烯熱油系統(tǒng)等。
閥門主要參數(shù)：波紋管截止閥，規(guī)格為1/2”～12”，設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為150Lb～800Lb；波紋管閘閥，規(guī)格為1/2”～8”，設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為150Lb～600Lb。
4．5 太陽能發(fā)電
主要用途：太陽能發(fā)電熱油系統(tǒng)。
閥門主要參數(shù)：手動(dòng)波紋管截止閥，公稱直徑為3/4”～6”．壓力等級(jí)為300Lb～600Lb，閥體材料為碳鋼，工作溫度為230℃～390℃，介質(zhì)為熱油。
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