CN104405933A - 一种基于记忆合金弹性元件的低温双瓣式止回阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于记忆合金弹性元件的低温双瓣式止回阀，属于流体控制阀门技术领域。该阀包括具有中部通道的阀座，通道的进口侧通过中间桥部形成两半圆截面流道，通道的中部通过平行于桥部的销轴分别铰装两直边相对的半圆形阀瓣，销轴上装有使阀瓣趋于关闭位置的扭簧，扭簧采用相变温度(A_f)为20±5℃的镍钛基形状记忆合金制成，阀体与处于关闭位置的阀瓣接触部位嵌装密封件。本发明在超低温环境下，具有较低的屈服强度、较低的弹性模量、较高的塑性和韧性及良好的阻尼性能，当温度升高时，则具有高强度和极佳的弹性，可以保证即使密封件损毁，依然对阀瓣恒定的压力，从而有效抑制阀门的泄漏。

Description

一种基于记忆合金弹性元件的低温双瓣式止回阀

技术领域

本发明涉及一种止回阀，尤其涉及一种基于记忆合金弹性元件的低温双瓣式止回阀，属于流体控制阀门技术领域。 

背景技术

随着石油、化工和燃气行业的迅速发展，尤其是液化天然气(LNG)作为一种新兴能源的广泛应用，使得LNG用超低温阀门的需求量迅速增加。由于LNG常压下的温度为-162℃，且易燃易爆，因此在设计LNG超低温阀门时，对其密封性能提出了更高和更严格的要求。 

双瓣式止回阀是一种依靠介质压力开启和关闭的自动阀门，在流体输送系统中防止介质倒流，由于具有结构长度短、重量轻、体积小、流道通畅，流体阻力小、动作灵敏和关闭冲击力小等优点，因而在化工、石化、石油、排水等领域应用较为广泛。其基本结构可以参见申请号为201110360490.2的中国专利文献。 

常温下工作的止回阀采用金属-非金属和金属-金属密封副。由于非金属材料的弹性大，使得密封所需的比压小，因此密封性好。但是在低温状态下，由于非金属材料的膨胀系数较金属材料大得多，使得其低温时的收缩量与金属密封件、阀体等配合件的收缩量相差较大，从而导致密封比压严重降低而产生无法密封的结果。此外，大多数非金属材料在深冷温度下会变硬和变脆，失去韧性，从而导致冷流和应力松弛。因此，设计低温阀门时，一般温度低于-70℃需采用金属密封副材料。但在低温条件下，金属材料的强度和硬度提高，塑性和韧性降低，表现出不同程度的低温冷脆现象，严重影响到阀门的性能和安全，而且当金属密封副材料低温收缩不匹配时， 同样会影响密封性能，造成流体泄漏。此外，当遇到火灾时，密封件的损毁也将导致流体泄漏。 

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术面临的问题，提出一种不仅在超低温(-196℃—-269℃)环境确保可靠密封、而且在发生火灾时有效抑制流体泄漏的基于记忆合金弹性元件的低温双瓣式止回阀。 

为了达到上述目的，本发明基于记忆合金弹性元件的低温双瓣式止回阀包括具有中部通道的阀座，所述通道的进口侧通过中间桥部形成两半圆截面流道，所述通道的中部通过平行于桥部的销轴分别铰装两直边相对的半圆形阀瓣，所述销轴上装有使阀瓣趋于关闭位置的扭簧，所述扭簧采用相变温度(A_f)为20±5℃的镍钛基形状记忆合金制成，所述阀体与处于关闭位置的阀瓣接触部位嵌装密封件。 

正常情况下，当管路内没有液态介质时，两个阀瓣在形状记忆合金扭簧的作用下处于关闭状态。当液态介质从进口侧流向出口侧时，在液态介质压力的作用下，阀瓣将克服形状记忆合金扭簧的弹力向出口侧自动打开，阀门处于开启状态。工作中，当进口侧流速减缓而使进口侧的压力小于形状记忆合金扭簧对阀瓣的作用力时，阀瓣会在形状记忆合金扭簧的作用下向关闭位置靠近，在接近关闭位置时，出口侧的流体回涌会对阀瓣产生逐渐增大的反向作用力，该作用力与扭簧弹力的合力使阀瓣快速压向阀座上的密封件，直至完全关闭，并在该合力作用下保持密封，防止管路内的流体倒流。 

本发明针对流体输送时管路处于极低温度、而流体输送停止后温度逐渐升高，合理采用了镍钛基形状记忆合金扭簧。在超低温环境下，该合金处于马氏体状态，具有较低的屈服强度、较低的弹性模量、较高的塑性和韧性及良好的阻尼性能，不易发生疲劳断裂失效，因此在 液态介质的压力作用下，可以保证阀瓣快速打开。而当温度升高时，镍钛基形状记忆合金由马氏体相变为奥氏体，恢复记忆的奥氏体状态形状，具有高强度和理想的弹性，可以对阀瓣产生恒定的作用力，保证可靠密封，即使遇到火灾密封件损毁，高温下的记忆合金弹性可以对阀瓣产生足够大的压力，从而有效抑制阀门的泄漏。 

进一步，所述复合密封件包括改性聚三氟氯乙烯材质的密封件夹套，所述密封件夹套的截面具有C形嵌装槽，所述嵌装槽中嵌入金属蓄能簧，所述金属蓄能簧内嵌入金属橡胶圈，所述金属蓄能簧和金属橡胶圈中的金属丝材质均为镍钛基形状记忆合金。 

再进一步，所述扭簧两端分别延伸出压持阀瓣的臂部。 

更进一步，所述阀体与处于关闭位置的阀瓣接触部位嵌装由直边和半圆边构成的半圆环形复合密封件，所述中间桥部处嵌装两分别对应两半圆形阀瓣直边的密封件直边，所述通道周圈嵌装对应两半圆形阀瓣圆弧边的复合密封件半圆边。 

这样，由于改性聚三氟氯乙烯塑料可以在低温下保持很好的弹性，金属橡胶圈中的金属材质与金属蓄能簧相同，因此妥善解决了非金属与金属密封件等低温收缩量相差大的难题；并且本发明的复合密封件结构使得金属蓄能簧同时与其内芯的金属橡胶圈有机结合，在对金属橡胶圈起到一定保护作用的同时，共同起到产生内部撑扩弹性的作用，密封件夹套则在开口侧的介质压力以及内部撑扩弹性的双重作用下，得以保持低温下与密封面可靠的贴合。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

图1为本发明一个实施例的结构示意图。 

图2为图1的A-A关闭状态剖视结构示意图。 

图3为图2的I处局部放大结构示意图。 

图4为图1的A-A开启状态剖视结构示意图。 

图中1-阀座；2-阀瓣；3-形状记忆合金扭簧；4-支撑座；5-螺钉；6-键；7-固定轴；8-销轴；9-复合密封件直边(9-1密封件夹套；9-2金属蓄能簧；9-3金属橡胶条)；10-复合密封件半圆边。 

具体实施方式

实施例一 

本实施例基于记忆合金弹性元件的超低温(-196℃—-269℃)双瓣式止回阀基本结构如图1和图2所示，主要由阀座1、阀瓣2、扭簧3、支撑座4、螺钉5、键6、固定轴7、销轴8、复合密封件9-10构成。 

阀座1具有中部通道，该通道的进口侧通过中间桥部形成两半圆截面流道，该通道的中部通过平行于桥部的销轴8分别铰装两对开的半圆形阀瓣2，销轴8上装有使阀瓣2趋于关闭位置的扭簧3，该扭簧采用相变温度(Af)为20±5℃的镍钛基形状记忆合金制成，两端分别延伸出压持阀瓣2的臂部。阀体1与处于关闭位置的阀瓣2接触部位嵌装由直边9和半圆边10构成的半圆环形复合密封件，阀体1的中间桥部处嵌装两分别对应两半圆形阀瓣2直边的密封件直边9，阀体1的通道周圈嵌装对应两半圆形阀瓣2圆弧边的复合密封件半圆边10。密封件的截面结构如图3所示，包括改性聚三氟氯乙烯材质的密封件夹套9-1，密封件夹套9-1的截面具有C形嵌装槽，其中嵌入金属蓄能簧9-2，金属蓄能簧9-2内嵌入金属橡胶圈9-3，金属蓄能簧9-2和金属橡胶圈9-3中的金属丝材质均为镍钛基形状记忆合金。 

装配时，先将两个阀瓣2和两个形状记忆合金扭簧3由销轴8组装到一起后，再用支撑座4将其与固定轴7组合到一起，并用键6 和螺钉5将该组合件装配到阀座1上。阀座1的桥部和与阀瓣2外缘接触的周边部位装嵌有复合密封件直边9和半圆边10(复合密封件也可以两半圆边10合并为圆形，直边9单独制造)，可在阀门闭合时起密封作用。销轴8与两个阀瓣2的内孔间采用间隙配合，可使阀瓣2绕销轴8旋转。形状记忆合金扭簧3的内径大于销轴8的直径，工作时靠其两个伸长的臂部的弹力作用对阀瓣2施力。固定轴7装于销轴8、两个形状记忆合金3和阀瓣2的外侧，其作用是防止该组合件在弹力和介质压力作用下脱落。 

当管路内没有液态介质时，两个阀瓣2在两个形状记忆合金扭簧3的弹性作用下处于关闭状态(如图2所示)。当液态介质从进口侧流向出口侧时，在液态介质压力的作用下，阀瓣2会克服形状记忆合金扭簧3的弹力向出口侧自动打开，阀门处于开启状态(如图4所示)。当流速减缓而使进口侧的压力小于形状记忆合金扭簧3的弹力对阀瓣2的作用力时，阀瓣2便会在形状记忆合金扭簧3的作用下向阀座1靠近。随着阀瓣2向阀座1靠拢，出口侧的流体对阀瓣2产生的反作用力逐渐增大，其作用力与扭簧弹力的合力会使阀瓣2快速压向阀座1上的复合密封件9和复合密封件10，直至完全关闭，并在该合力作用下实现密封，从而防止管路内的介质倒流。 

试验表明，本实施例与已有技术相比，具有以下优点： 

1.由金属阀瓣与外层包覆改性聚三氟氯乙烯的复合密封件构成密封副，可以有效补偿超低温环境下的材料收缩问题，保证了密封的高可靠性。 

2.复合密封件采用密封件夹套、金属蓄能弹簧和金属橡胶圈构成。密封件夹套采用改性聚三氟氯乙烯密封材料，超低温条件下仍具有良好的弹性，不会变硬和变脆。金属蓄能弹簧和金属橡胶圈均由镍钛基形状记忆合金制成，两者组合具有更大的蓄能能力，能够在密封 面接触区产生更大的压力。 

3.扭转扭簧采用镍钛基形状记忆合金扭簧，在超低温环境下，镍钛基形状记忆合金处于马氏体状态，具有较低的屈服强度、较低的弹性模量、较高的塑性和韧性及良好的阻尼性能，不易发生疲劳断裂失效，尤其在液态介质的压力作用下，有利于阀瓣快速打开。而当温度升高时，镍钛基形状记忆合金相变为奥氏体状态，具有高强度和超弹性能，保证对阀瓣作用力的恒定，有利于阀门的密封性能。 

4.复合密封件的形状记忆合金弹簧和形状记忆合金橡胶圈在低温马氏体状态压入密封件夹套，使止回阀具有一定的防火功能。当着火时，即使聚三氟氯乙烯密封件完全烧毁之后，形状记忆合金弹簧和内置的形状记忆合金橡胶圈温度升高后会发生奥氏体相变，因记忆奥氏体的形状而发生膨胀，弥补聚三氟氯乙烯的烧损量，从而与金属阀瓣接触，仍起到密封作用，避免发生大的泄漏。 

Claims (4)

1.一种基于记忆合金弹性元件的低温双瓣式止回阀，包括具有中部通道的阀座，所述通道的进口侧通过中间桥部形成两半圆截面流道，所述通道的中部通过平行于桥部的销轴分别铰装两直边相对的半圆形阀瓣，所述销轴上装有使阀瓣趋于关闭位置的扭簧，所述扭簧采用相变温度为20±5℃的镍钛基形状记忆合金制成，所述阀体与处于关闭位置的阀瓣接触部位嵌装密封件。

2.根据权利要求1所述基于记忆合金弹性元件的低温双瓣式止回阀，其特征在于：所述复合密封件包括改性聚三氟氯乙烯材质的密封件夹套，所述密封件夹套的截面具有C形嵌装槽，所述嵌装槽中嵌入金属蓄能簧，所述金属蓄能簧内嵌入金属橡胶圈，所述金属蓄能簧和金属橡胶圈中的金属丝材质均为镍钛基形状记忆合金。

3.根据权利要求2所述基于记忆合金弹性元件的低温双瓣式止回阀，其特征在于：所述扭簧两端分别延伸出压持阀瓣的臂部。

4.根据权利要求2或3所述基于记忆合金弹性元件的低温双瓣式止回阀，其特征在于：所述阀体与处于关闭位置的阀瓣接触部位嵌装由直边和半圆边构成的半圆环形复合密封件，所述中间桥部处嵌装两分别对应两半圆形阀瓣直边的密封件直边，所述通道周圈嵌装对应两半圆形阀瓣圆弧边的复合密封件半圆边。