CN104455524A - 一种复合密封低温球阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合密封低温球阀，属于流体控制阀门技术领域。该球阀的阀体进口流道和出口流道的内端分别安装阀座，阀座的相对球弧表面之间装有球体，球体与垂直于流道的阀杆固连，阀杆与阀盖构成旋转副，阀体与阀座之间装有弹性结构件，阀体与阀座的缩径密封段安装复合密封圈和定位环；复合密封圈包括改性聚三氟氯乙烯材质的密封圈夹套，密封圈夹套开口朝外的环形嵌装槽内嵌入开口方向一致的C形截面金属蓄能簧，金属蓄能簧内嵌入金属橡胶圈。本发明通过材质的正确选择以及其密封结构的合理设置，妥善解决了低温状态下的密封比压严重降低问题，以及材料在深冷温度下的硬脆问题，成为可以切实满足-196℃—-269℃超低温环境下可靠密封的阀门。

Description

一种复合密封低温球阀
技术领域
本发明涉及一种球阀，尤其涉及一种复合密封低温球阀，属于流体控制阀门技术领域。
背景技术
球阀结构简单、密封应力均匀、密封性可靠、启闭迅速、维修和操作方便，因此得到广泛的应用。
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。球阀因其上述特点，成为LNG用阀门的首选对象。
然而，常温下工作的球阀均采用金属-非金属密封副。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，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。并且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。金属材料在低温条件下的强度和硬度提高，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。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术面临的难题，通过密封材料与密封结构相互有机结合的改进，提出一种可以在超低温环境确保可靠密封的复合密封低温球阀。
为了达到上述目的，本发明复合密封低温球阀包括具有圆管状进口流道和出口流道的阀体(10)，所述阀体(10)的进口流道和出口流道的内端分别安装与之具有外圆配合面的阀座(23)，所述阀座(23)的相对端具有球弧表面，两相对的球弧表面之间装有控制流道通断的球体(17)，所述球弧表面嵌装外表面紧贴球体(17)的阀座密封圈(24)，所述球体(17)与垂直于流道的阀杆(1)固连，所述阀杆(1)与固定在阀体(10)上的阀盖(9)构成旋转副，其改进之处在于：所述阀体(10)与阀座(23)之间装有使阀座(23)产生靠近球体(17)趋势的弹性结构件(22)，所述阀体(10)的进口流道和出口流道与阀座(23)的配合面外端具有缩径密封段，所述缩径密封段的内段安装复合密封圈(18)，外段安装定位环(19)；所述复合密封圈(18)包括改性聚三氟氯乙烯材质的密封圈夹套(18-1)，所述密封圈夹套(18-1)开口朝外的环形嵌装槽内嵌入开口方向一致的C形截面金属蓄能簧(18-2)，所述金属蓄能簧(18-2)内嵌入金属橡胶圈(18-3)。
采用本发明后，不仅由于在阀座弹簧圈的作用下，可以保持阀座与球体之间的密封；而且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；尤其是，本发明的复合密封圈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，密封圈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。
进一步，所述金属蓄能簧和金属橡胶圈中的金属丝均采用镍基合金材质。尤其是，所述镍基合金为镍钛形状记忆合金。
再进一步，所述弹性结构件包括安装在阀座内端的弹簧盘环，所述弹簧盘环与阀体具有垂直于流道的相对端面，两相对端面之间装有阀座弹簧圈。
更进一步，所述密封圈夹套的开口端内侧一边延伸出卡住金属蓄能簧外缘的挡檐。并且，所述密封圈夹套的开口端外侧还可以延伸出圆弧凸起。
又进一步，所述缩径密封段的外段通过销钉固定安装定位环。
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Ⅲ处局部放大结构示意图。
图3为图2中Ⅳ处的局部放大结构示意图。
图4为图1的Ⅱ处局部放大结构示意图。
图5为图1的Ⅰ处局部放大结构示意图。
以上图中主要构件包括：阀杆1、泄压旋塞2、衬套3、复合密封圈4、防静电装置5、阀体柱螺栓6、阀体柱螺母7、复合密封圈8、阀盖9、阀体10、销钉11、环形螺母12、滴水盘13、轴承14、止推垫圈15、轴承16、球体17、复合密封圈18、定位环19、销钉20、弹簧盘环21、阀座弹簧圈22、阀座23和阀座密封圈24。
具体实施方式
实施例一
本实施例复合密封超低温球阀基本结构如图1、2所示，包括具有圆管状进口流道和出口流道的阀体10。阀体10的进口流道和出口流道的内端分别安装与之具有外圆配合面的阀座23。阀座23的相对端具有球弧表面，两相对的球弧表面之间装有控制流道通断的球体。球弧表面嵌装外表面紧贴球体17的阀座密封圈24。
球体17与垂直于流道的阀杆1固连，所述阀杆1与固定在阀体10上的阀盖9构成旋转副，阀盖与阀体、阀杆与阀盖之间的常规连接和密封结构与现有技术类同，从图中不难看出，故不详述。
阀座23的内端装有弹簧盘环21，弹簧盘环21与阀体10具有垂直于流道的相对端面，两相对端面之间装有碟形阀座弹簧圈22，从而构成使阀座23产生靠近球体17趋势的弹性结构件。可以想到，该弹性结构件的弹簧圈也可以采取其它弹性件取代，抑或采用同性相斥的磁性件取代。
如图2所示，阀体10的进口流道和出口流道与阀座23的配合面外端具有缩径密封段，该缩径密封段的内段安装复合密封圈18，外段通过垂向的销钉20固定安装定位环19。
如图3所示，复合密封圈18包括改性聚三氟氯乙烯材质的密封圈夹套18-1，该密封圈夹套18-1开口朝外的环形嵌装槽内嵌入开口方向一致的C形截面金属蓄能簧18-2，该金属蓄能簧18-2内嵌入圆截面(受压之后呈图中的椭圆形)的金属橡胶圈18-3。金属蓄能簧和金属橡胶圈中的金属丝均采用镍基合金，尤其是采用镍钛形状记忆合金丝制成，该金属材料在低温条件下处于马氏体状态，在高温处于奥氏体状态，由于处于奥氏体状态的镍钛基形状记忆合金具有更高的强度和超弹性能，因而一旦超低温球阀处于温度升高状态，镍钛基形状记忆合金金属橡胶圈立即从马氏体状态相变到奥氏体状态，从而发生形状恢复，并能够提供更高的接触压力，最终保证密封的可靠性。
密封圈夹套18-1的开口端内侧一边延伸出卡住金属蓄能簧18-2外缘的挡檐18-4，密封圈夹套18-1的开口端外侧延伸出圆弧凸起18-5，这样可以使金属蓄能簧18-2和金属橡胶圈18-3产生的内部撑扩弹性作用于密封圈夹套18-1嵌装槽内，以便发挥密封圈夹套18-1改性聚三氟氯乙烯塑料低温下良好的弹性扩展作用，借助其圆弧凸部位实现密封。
此外，如图4所示，阀盖9的扣盖端面具有与阀体10垂向孔相配的中央凸台，该中央凸台之外具有密封槽，该密封槽内嵌入开口朝向凸台一侧的复合密封圈18，阀体10对应密封槽处具有插入密封槽使其中复合密封圈定位密封的止口。如图5所示，阀盖9的垂向内孔与阀杆1外圆的之间装有三道(至少二道)开口朝向流道的复合密封圈18。
以上三处的复合密封圈均由密封圈夹套、金属蓄能簧和金属橡胶圈复合而成，只因密封部位不同而在安装结构上略有差别。其中阀体10与阀座23之间的密封，由于需要阀座23在阀座弹簧圈22和弹簧盘环21的作用下沿流道方向补偿性移动，以保持阀座密封圈24的密封效果，因此需要借助复合密封圈18实现两者配合间隙的可靠密封，防止液体从配合间隙泄漏。而万一球体17与阀座23之间的密封圈24失效时，阀盖9与阀体10之间的复合密封圈可有效防止液体从该处泄漏，因此起到保险密封的作用。阀杆1与阀盖9之间的的三道密封，一旦第一道失效，另外两层可以继续实现可靠密封，因此十分可靠。
工作时，阀杆1在手柄或其它驱动装置的驱动下，可以带动球体17在两个阀座23之间自由转动。当球体通孔与阀体流道对准时,球阀呈开启状态,液态介质流通；当球体转动90度，球体通孔与阀体流道垂直时，球阀呈关闭状态。由于球阀球体仅需转动90度角，即可实现阀门全开或全关,因此球阀具有开关迅速,操作方便的特点。
采用本实施例后，不仅由于在阀座弹簧圈的作用下，可以保持阀座与球体之间的密封；而且改性聚三氟氯乙烯塑料(详见申请号为201410176544.3的中国专利文献)是一种理想的耐低温塑料，可以在-196℃—-269℃范围不发生硬化和老化，保持很好的弹性，金属橡胶则是将拉伸开的螺旋状金属丝有序排放在模具中，用冷冲压方法成型的均质弹性多孔物质，既具有所选金属固有的特性，又具有像橡胶一样的弹性，且金属橡胶圈采用镍基合金丝之类在超低温环境下(-196℃—-269℃)具有良好塑性、韧性、耐蚀性和较高强度的金属，材质与金属蓄能簧相同，因此两者可以具有接近的低温特性，从而妥善解决现有技术非金属密封圈在低温下与金属密封件、阀体等配合件收缩量相差大的难题，避免产生密封比压严重降低而导致的密封失效；尤其是，采用本实施例的复合密封圈结构，密封圈夹套中的金属蓄能簧具有良好的撑扩弹性，使得密封圈夹套在开口侧的介质压力以及内部撑扩弹性的双重作用下，得以保持与密封面可靠的贴合，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。
实验证明，本实施例通过各密封构件材质的正确选择以及其相互之间密封结构的合理设置，妥善解决了低温状态下非金属材料和金属材料膨胀系数差异导致的密封比压严重降低问题，以及材料在深冷温度下的硬脆问题，成为可以切实满足-196℃—-269℃超低温环境下可靠密封的阀门。归纳起来，本发明与已有技术相比，具有以下主要优点：
1)复合密封圈的密封主体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，保证了密封可靠性；
2)复合密封圈由密封圈夹套、金属蓄能簧和金属橡胶圈复合而成，改变了传统的密封结构，在金属蓄能簧和金属橡胶圈的双重撑扩作用下，可以确保密封接触压力，即使其中之一失效，仍能具有一定的密封接触压力，进一步保障了低温球阀的可靠密封；
3)复合密封圈的金属蓄能簧和金属橡胶圈中的金属丝采用镍基合金、尤其是镍钛形状记忆合金丝，在低温环境下具有良好的塑性、韧性和较高的强度，而且具有良好的耐蚀性。
4)在阀杆与阀盖之间、阀盖与阀体之间、阀座与阀体之间均采用复合密封圈结构，实现了多重密封，保证了各个密封环节具有同样的超低温密封的可靠性。

Claims (7)

1.一种复合密封低温球阀，包括具有圆管状进口流道和出口流道的阀体(10)，所述阀体(10)的进口流道和出口流道的内端分别安装与之具有外圆配合面的阀座(23)，所述阀座(23)的相对端具有球弧表面，两相对的球弧表面之间装有控制流道通断的球体(17)，所述球弧表面嵌装外表面紧贴球体(17)的阀座密封圈(24)，所述球体(17)与垂直于流道的阀杆(1)固连，所述阀杆(1)与固定在阀体(10)上的阀盖(9)构成旋转副，其特征在于：所述阀体(10)与阀座(23)之间装有使阀座(23)产生靠近球体(17)趋势的弹性结构件(22)，所述阀体(10)的进口流道和出口流道与阀座(23)的配合面外端具有缩径密封段，所述缩径密封段的内段安装复合密封圈(18)，外段安装定位环(19)；所述复合密封圈(18)包括改性聚三氟氯乙烯材质的密封圈夹套(18-1)，所述密封圈夹套(18-1)开口朝外的环形嵌装槽内嵌入开口方向一致的C形截面金属蓄能簧(18-2)，所述金属蓄能簧(18-2)内嵌入金属橡胶圈(18-3)。
2.根据权利要求1所述的复合密封低温球阀，其特征在于：所述金属蓄能簧和金属橡胶圈中的金属丝均采用镍基合金材质。
3.根据权利要求2所述的复合密封低温球阀，其特征在于：所述镍基合金为镍钛形状记忆合金。
4.根据权利要求2或3所述的复合密封低温球阀，其特征在于：所述弹性结构件包括安装在阀座内端的弹簧盘环，所述弹簧盘环与阀体具有垂直于流道的相对端面，两相对端面之间装有阀座弹簧圈。
5.根据权利要求4所述的复合密封低温球阀，其特征在于：所述密封圈夹套的开口端内侧一边延伸出卡住金属蓄能簧外缘的挡檐。
6.根据权利要求5所述的复合密封低温球阀，其特征在于：所述密封圈夹套的开口端外侧延伸出圆弧凸起。
7.根据权利要求6所述的复合密封低温球阀，其特征在于：所述缩径密封段的外段通过销钉固定安装定位环。
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