CN113137503B - 一种石墨密封阀门 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨密封阀门，包括阀体和阀盖，所述阀体的外部形成有阀壳，所述阀壳的内部具有中空腔，所述阀壳上设置进气口、排气口和卸气口，所述进气口、排气口和卸气口分别与所述中空腔相连通，在所述卸气口与所述中空腔的连接处设置石墨堵头，所述中空腔内设置开合控制装置和失效保护装置，所述开合控制装置能够通过带动所述石墨堵头移动控制所述卸气口的开合；在所述开合控制装置失效后，所述失效保护装置能够由休眠状态切换至唤醒状态，处于唤醒状态的失效保护装置能够通过带动所述石墨堵头移动控制所述卸气口的开合，本发明所述的石墨密封阀门具有安全性高、结构简单、安装便捷，无需中断生产等优点。

Description

一种石墨密封阀门

技术领域

本发明涉及压力阀领域，具体涉及一种石墨密封阀门。

背景技术

压力阀是通过压力变化来控制开合、实现流体控制的一种阀门，在工业、农业和居民日常生活中均有广泛的应用。

通常，压力阀包括阀体、盖合在阀体上的阀盖、设置在阀体上的进口和出口以及能够通过弹簧和阀体内的压强变化对进口或出口的开合进行控制的堵头（也称为阀芯）。其中，柔性石墨材质因具有优异的高温稳定性、耐腐蚀性、润滑性、可塑性等特点，被广泛用于制备堵头，可大幅提高现有压力阀的密封性、耐用性。

但现有压力阀常具有以下缺陷：第一，压力阀的堵头采用柔性石墨制备后，其抗腐蚀性等性能得到了大幅提高，但由于弹簧的防腐技术一直未得到大的突破，压力阀还是容易因为弹簧断裂导致失效，但现有压力阀一般无失效保护装置，当压力阀中的弹簧因腐蚀、疲劳等原因断裂失效后，该压力阀也同时失效，使得系统中的流体无法控制，当压力阀用于强腐蚀性、辐射性、高温等流体控制时，将产生难以预计的财产损失、甚至人员伤亡；第二，为克服现有压力阀无失效保护装置的问题，现有技术中常在流体管路系统中较为关键的阀门附近单独设置失效保护阀及相关的旁通管路，其目的是当压力阀失效时，可以通过失效保护阀将系统中的流体及时进行改流或导出，避免系统的中流体出现压力过大、流向无法控制等问题，但这种方法一方面是会造成生产的中断；另一方面单独设置失效保护阀及相关的管路，不但成本较高，还会占用生产空间。

因此，提供一种具有失效保护装置的石墨密封阀门，是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明设计出一种石墨密封阀门，以克服现有石墨密封阀门中不包含失效保护装置、在阀门失效后无法及时进行失效保护的问题。

为解决上述问题，本发明公开了一种石墨密封阀门，所述石墨密封阀门包括阀体和阀盖，所述阀体的外部形成有阀壳，所述阀壳的内部具有中空腔，所述阀壳上设置进气口、排气口和卸气口，所述进气口、排气口和卸气口分别与所述中空腔相连通，在所述卸气口与所述中空腔的连接处设置石墨堵头，所述中空腔内设置开合控制装置和失效保护装置，所述开合控制装置能够通过带动所述石墨堵头移动控制所述卸气口的开合；在所述开合控制装置失效后，所述失效保护装置能够由休眠状态切换至唤醒状态，处于唤醒状态的失效保护装置能够通过带动所述石墨堵头移动控制所述卸气口的开合。

进一步的，所述阀体整体呈内部中空的圆柱形结构，所述进气口沿所述阀体的中心轴线设置在所述阀体的进气端，所述阀盖相对于所述进气口盖合在所述阀体的封闭端，所述卸气口位于所述阀体的侧面上，且所述卸气口的中心轴线与所述阀体的中心轴线垂直设置，所述排气口的中心轴线与所述进气口的中心轴线之间的夹角取值范围在为30°~80°；所述排气口的中心轴线与所述卸气口的中心轴线之间的夹角取值范围为40°~80°。

进一步的，所述开合控制装置和失效保护装置通过设置在所述石墨堵头和阀盖之间的弹簧带动所述石墨堵头移动、进而控制所述卸气口的开合。

进一步的，所述弹簧包括内弹簧和外弹簧，所述内弹簧和外弹簧均沿所述阀体的中心轴线设置在所述中空腔内，且所述外弹簧环绕设置在所述内弹簧的外侧，所述开合控制装置通过所述内弹簧的伸缩带动所述石墨堵头移动、进而控制所述卸气口的开合；所述失效保护装置通过所述外弹簧的伸缩带动所述石墨堵头移动、进而控制所述卸气口的开合。

进一步的，当所述开合控制装置能够正常工作时，所述失效保护装置处于休眠状态，所述外弹簧被压缩、固定在所述阀盖上，无法进行伸缩运动；

当所述开合控制装置失效后，通过旋转所述阀盖，能够使得所述外弹簧脱离所述阀盖的压缩和固定，使得所述失效保护装置进入唤醒状态。

进一步的，所述开合控制装置包括套筒、套盖和内弹簧：

所述套筒为内部中空的圆柱形结构，所述套筒同轴设置在所述阀体内，所述套筒靠近所述阀盖的一端封闭，靠近所述石墨堵头的一端敞口；

所述套盖为内部中空的圆柱形结构，所述套盖同轴设置在所述套筒内，且所述套盖能够在所述套筒内滑动，所述套盖靠近所述阀盖的一端敞口，靠近所述石墨堵头的一端封闭；

通过相对扣合在一起的套筒和套盖可以形成一圆柱形的空间；所述内弹簧设置在所述套筒和套盖形成的空间内，所述内弹簧的一端与所述套筒相连接，另一端与所述套盖相连接，使得所述套盖能够在所述内弹簧的带动下沿所述套筒的内壁运动、进而带动所述石墨堵头运动。

进一步的，所述阀盖还包括沿周向设置的卡接凸台，对应的，所述套筒敞口的一端具有沿径向、向外侧延伸的卡接翻边，当将所述套筒装配在所述阀门内时，可首先将所述套筒自远离所述阀盖的一端插入所述卡接凸台中心的空隙，之后通过所述卡接翻边卡接在所述卡接凸台上，使得所述套筒无法向靠近所述阀盖的一侧运动。

进一步的，所述失效保护装置包括套筒和外弹簧，所述外弹簧环绕在所述套筒的外围，在所述阀盖的内表面上设置伸缩柱，通过所述伸缩柱将所述外弹簧压缩、并固定在所述阀盖中的端盖和伸缩柱之间。

一种石墨堵头的制备方法，所述方法用于制备上述的石墨堵头，所述方法包括步骤：

S1，石墨纯化；

S2，一级氧化插层；

S3，快速加压；

S4，二级氧化插层；

S5，高温加热制备膨胀石墨；

S6，压制石墨堵头。

一种加热膨胀炉，用于上述石墨堵头的制备方法制备膨胀石墨，所述加热膨胀炉包括炉膛、炉壁和加热元件，所述炉壁沿竖直方向设置，将所述炉壁的高度记为H，所述加热元件的高度位于0.4~0.5H之间，通过所述加热元件将所述加热膨胀炉的内部空间划分为下部的一次膨胀区和上部的二次膨胀区。

本申请所述的石墨密封阀门具有以下优点：

第一，所述石墨密封阀门通过设置失效保护装置使得所述阀门在开合控制装置失效后，能够通过启用失效保护装置进行失效保护，防止阀门内气体压强过大、导致爆炸等事故；

第二，本申请所述失效保护装置不但能够进行失效保护，还能够代替原来的开合控制装置对阀门内的气体进行控制，实现在不停产的前提下，所述石墨密封阀门能够继续工作；

第三，所述失效保护装置和开合控制装置均设置在所述阀门的内部，可以通过阀门的安装、一体化的安装，所述失效保护装置不需要占用额外的安装空间、安装工序和安装成本；

第四，所述失效保护装置不需要依赖电、磁等的能源供给而启动，安全性更高；

第五，所述石墨密封阀门失效时，所述卸气口将处于常开的状态，一方面，可以防止所述阀体内的气体压强过高、产生爆炸等危险；另一方面，能够通过所述卸气口无法关闭这一异常状态提示阀门故障，给出阀门开合控制装置失效的判定依据，不需要额外设置阀门故障监测装置。

附图说明

图1为本发明所述石墨密封阀门中进气口、排气口和卸气口的分布方式示意图；

图2为本发明所述石墨密封阀门的外部结构示意图；

图3为图2中A-A方向的第一剖面结构示意图（卸气口处于关闭状态）；

图4为图2中A-A方向的第二剖面结构示意图（卸气口处于打开状态）；

图5为图2中A-A方向的第三剖面结构示意图（内弹簧断裂后）；

图6为图2中A-A方向的第四剖面结构示意图（外弹簧复位后）；

图7为本发明所述石墨密封阀门中伸缩柱与外弹簧的装配结构示意图；

图8为图7中A区域的局部结构放大示意图；

图9为本发明所述石墨密封阀门中伸缩柱的立体结构示意图；

图10为本发明所述石墨密封阀门中卡接柱的正视结构示意图；

图11为本发明所述石墨密封阀门中卡接柱的立体结构示意图；

图12为本发明所述石墨密封阀门中卡接柱与卡接槽的装配结构示意图；

图13为本发明所述石墨密封阀门中密封圈径向的截面示意图；

图14为本发明所述石墨密封阀门中密封圈与阀体和阀盖的装配结构示意图（旋转阀盖、启用失效保护装置前）；

图15为本发明所述石墨密封阀门中密封圈与阀体和阀盖的装配结构示意图（旋转阀盖、启用失效保护装置后）；

图16为本发明所述加热膨胀炉的结构示意图。

附图标记说明：

1、阀体；101、进气口；102、排气口；103、卸气口；104、中空腔；105、阀壳；106、止位台；2、阀盖；201、端盖；202、外侧壁；203、内侧壁；204、密封凸台；205、伸缩柱；2051、收纳部；2052、伸缩部；2053、弧形部；206、卡接凸台；3、密封圈；301、尖端；302、加强条；303、凹陷部；4、石墨堵头；401、密封部；402、推压部；5、弹簧；501、内弹簧；502、外弹簧；5021、容纳槽；6、套筒；601、卡接柱；6011、第一卡勾；6011a、第一侧面；6011b、第二侧面；6012、第二卡勾；6012a、第三侧面；602、限位柱；603、卡接翻边；7、套盖；701、卡接槽；702、固定槽；8、加热膨胀炉；80、炉膛；81、炉壁；82、加热元件；83、输气口；84、进料口；85、排料口；86、一次膨胀区；87、二次膨胀区。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

一种石墨密封阀门，如图1~6所示，所述石墨密封阀门包括阀体1和阀盖2，所述阀体1的外部形成有阀壳105，所述阀壳105的内部具有中空腔104，所述阀壳105上设置进气口101、排气口102和卸气口103，所述进气口101、排气口102和卸气口103分别与所述中空腔104相连通，在所述卸气口103与所述中空腔104的连接处设置石墨堵头4，通过移动所述石墨堵头4能够使得所述卸气口103被关闭或打开。

进一步的，所述中空腔104内设置开合控制装置和失效保护装置，所述开合控制装置能够通过带动所述石墨堵头4移动控制所述卸气口103的开合；在所述开合控制装置失效后，所述失效保护装置能够由休眠状态切换至唤醒状态，处于唤醒状态的失效保护装置能够通过带动所述石墨堵头4移动控制所述卸气口103的开合。

具体的，当移动所述石墨堵头4将所述卸气口103覆盖、封堵住时，所述卸气口103被关闭、无法与所述中空腔104相连通；当移动所述石墨堵头4将所述卸气口103裸露出来时，所述卸气口103被打开、能够与所述中空腔104相连通，当所述卸气口103与所述中空腔104连通时，所述中空腔104内的气体能够通过所述卸气口103排出，以实现降低所述中空腔104内的气体压强的目的。

进一步的，所述阀盖2盖合在所述阀体1敞口的一端，通过所述阀盖2和阀体1的配合，共同形成所述中空腔104。

进一步的，如图1~6所示，所述阀体1整体呈内部中空的圆柱形结构，所述进气口101沿所述阀体1的中心轴线设置在所述阀体1的一端部、并在该端部形成阀门的进气端，所述阀盖2相对于所述进气口101盖合在所述阀体1的另一端部、并在该端部形成阀门的封闭端，所述卸气口103位于所述阀体1的侧面上，且所述卸气口103的中心轴线与所述阀体1的中心轴线垂直设置，所述排气口102通过一弯管接头倾斜设置在所述阀体1的一侧。

优选的，本申请所述石墨密封阀门中进气口101、排气口102和卸气口103的分布方式如图1所示（为简化图1中的线条、突出进气口101、排气口102和卸气口103的分布方式，对阀门的内部结构采用现有技术中的弹簧进行简单示意），如图1所示，所述排气口102的中心轴线与所述进气口101的中心轴线之间的夹角取值范围在30°~80°之间；所述排气口102的中心轴线与所述卸气口103的中心轴线之间的夹角取值范围在40°~80°之间。相较于现有技术中3个进出口两两相互垂直的结构，本申请所述排气口102的设置，可以在所述中空腔104靠近所述石墨堵头4的一侧形成气体流动“死角”，通过所述进气口101进入所述中空腔104内的气体需要进行大于90°的转向后才能够通过所述排气口102排出，在这一过程中，部分气体积聚在所述中空腔104靠近所述石墨堵头4的一侧，在所述石墨堵头4的表面形成一层粘滞层，粘滞层内的气体不易流动，可以降低所述石墨堵头4表面的气流波动、降低所述石墨堵头4的密封需求，进而提高所述石墨密封阀门的密封能力。

进一步的，所述进气口101上设置一锁紧圈，所述锁紧圈用于与空压机等进气装置连接，所述排气口102上设置一锥形螺母，所述锥形螺母用于与气体接收装置连接，所述卸气口103上设置一锁紧圈，所述锁紧圈用于与外部装置连接。

进一步的，所述阀盖2具有端盖201、外侧壁202和内侧壁203，所述外侧壁202环绕所述端盖201设置，所述内侧壁203位于所述外侧壁202远离所述端盖201的一端，且所述内侧壁203的外径小于所述外侧壁202的外径，所述内侧壁203的内径等于所述外侧壁202的内径，所述外侧壁202和内侧壁203的连接处形成有环形的密封凸台204，所述密封凸台204位于所述阀盖2的外表面上，使得当所述阀盖2盖合到所述阀体1上时，所述内侧壁203能够插入到所述阀壳105的内侧，所述外侧壁202位于所述阀壳105的外侧，所述阀壳105的端部抵靠在所述密封凸台204上，在所述阀壳105和密封凸台204之间的间隙中设置密封圈3，通过所述密封圈3对所述阀壳105和密封凸台204之间的间隙进行密封。

优选的，所述密封圈3采用橡胶或石棉材质进行制备。

进一步的，所述开合控制装置和失效保护装置通过设置在所述石墨堵头4和阀盖2之间的弹簧5带动所述石墨堵头4移动、进而控制所述卸气口103的开合。

更进一步的，所述弹簧5包括内弹簧501和外弹簧502，所述内弹簧501和外弹簧502均沿所述阀体1的中心轴线设置在所述中空腔104内，且所述外弹簧502的内径大于所述内弹簧501的外径，所述外弹簧502环绕设置在所述内弹簧501的外侧，所述开合控制装置通过所述内弹簧501的伸缩带动所述石墨堵头4移动、进而控制所述卸气口103的开合；所述失效保护装置通过所述外弹簧502的伸缩带动所述石墨堵头4移动、进而控制所述卸气口103的开合。

进一步的，当所述开合控制装置能够正常工作、即所述内弹簧501未断裂时，所述失效保护装置处于休眠状态，此时所述外弹簧502被压缩、固定在所述阀盖2上，无法进行伸缩运动，当所述内弹簧501断裂、开合控制装置失效后，通过旋转所述阀盖2，能够使得所述外弹簧502脱离所述阀盖2的压缩和固定，所述失效保护装置被唤醒、进入唤醒状态，能够通过所述外弹簧502的伸缩带动所述石墨堵头4移动、进而控制所述卸气口103的开合。

其中，所述开合控制装置包括套筒6、套盖7和内弹簧501，所述套筒6为内部中空的圆柱形结构，所述套筒6同轴设置在所述阀体1内，所述套筒6靠近所述封闭端的一端封闭，靠近所述石墨堵头4的一端敞口；所述套盖7也为内部中空的圆柱形结构，所述套盖7同轴设置在所述套筒6内，且所述套盖7能够在所述套筒6内滑动，所述套盖7靠近所述端盖201，即封闭端的一端敞口，靠近所述石墨堵头4的一端封闭，如此，通过相对扣合在一起的套筒6和套盖7可以形成一圆柱形的空间；所述内弹簧501设置在所述套筒6和套盖7形成的空间内，所述内弹簧501的一端与所述套筒6封闭的端部相连接，另一端与所述套盖7封闭的端部相连接，使得所述套盖7能够在所述内弹簧501的带动下沿所述套筒6的内壁运动、进而带动所述石墨堵头4运动。

开始使用时，如图3~4所示，所述卸气口103被所述石墨堵头4封堵，随着所述中空腔104内的气体压强将逐渐增大，在所述中空腔104内气体压强的作用下，所述石墨堵头4将逐渐向靠近所述端盖201的一端运动，使得所述卸气口103被打开、所述中空腔104内的气体能够通过所述卸气口103排出，同时推动所述套盖7向所述内弹簧501运动、将所述内弹簧501压缩；随着所述中空腔104内的气体不断排出，所述中空腔104内的气体压强逐渐降低，所述石墨堵头4远离所述内弹簧501的一侧受到的气体压强逐渐降低，当所述石墨堵头4远离所述内弹簧501的一侧受到的气体压力小于所述内弹簧501的回复力时，所述内弹簧501将能够通过所述套盖7推动所述石墨堵头4向远离所述端盖201的一侧运动，重新将所述卸气口103封堵上。如此周期循环，在所述中空腔104内的气体压强过高时，通过所述石墨堵头4的移动打开所述卸气口103进行卸气；当所述中空腔104内的气体压强降低后，通过所述石墨堵头4的移动封堵所述卸气口103。

进一步的，所述阀盖2还包括沿周向设置的卡接凸台206，所述卡接凸台206位于所述内侧壁203远离所述端盖201的一端，所述卡接凸台206为自所述阀盖2的内侧壁203沿径向、向所述阀盖2的中心延伸的凸起状结构，对应的，所述套筒6敞口的一端具有沿径向、向外侧延伸的卡接翻边603，当将所述套筒6装配在所述阀门内时，可首先将所述套筒6自远离所述端盖201的一端插入所述卡接凸台206中心的空隙，之后通过所述卡接翻边603卡接在所述卡接凸台206上，使得所述套筒6无法向靠近所述端盖201的一侧运动。

进一步的，所述石墨堵头4包括一体成型的密封部401和推压部402，所述密封部401为圆柱形结构，所述密封部401与所述阀体1同轴设置，所述密封部401的外表面能够与所述阀壳105的内表面，即所述内侧壁203和外侧壁202的内表面紧密贴合，防止通过所述进气口101进入所述中空腔104内的气体扩散至所述石墨堵头4靠近所述端盖201的一侧；所述推压部402也为圆柱形结构，所述推压部402与所述阀体1同轴设置，且所述推压部402的外径小于所述密封部401的外径，所述推压部402位于所述密封部401靠近所述套盖7的一侧，所述推压部402的外径小于所述套筒6的内径，如此，所述推压部402能够伸入所述套筒6内、并推动所述套盖7在所述套筒6内运动。

进一步的，如图3所示，所述阀壳105内设置止位台106，所述止位台106为设置在所述阀壳105内表面上的凸起，所述止位台106能够对所述石墨堵头4的运动终点进行限定，当所述石墨堵头4向远离所述端盖201的一端运动至与所述止位台106相接触时，所述石墨堵头4刚好能够完整地封堵住所述卸气口103上，且无法继续向远离所述端盖201的一端运动。通过所述止位台106的设置能够对所述石墨堵头4向远离所述端盖201的一端运动的终点进行限定，防止所述石墨堵头4运动距离过大、错开所述卸气口103，造成所述卸气口103无法被完全封堵。

进一步的，如图2~6所述，所述失效保护装置包括套筒6和外弹簧502，所述外弹簧502环绕在所述套筒6的外围，在所述阀盖2的内表面上设置伸缩柱205，通过所述伸缩柱205将所述外弹簧502压缩、并固定在所述端盖201和伸缩柱205之间。

具体的，所述外弹簧502的一端与所述端盖201相连接，另一端被所述伸缩柱205压缩，使得所述外弹簧502被固定在所述阀盖2上，无法与所述套筒6相接触。

进一步的，所述套筒6的外表面设置限位柱602，装配完成后，所述限位柱602位于所述伸缩柱205与所述卡接凸台206之间，使得当所述外弹簧502被固定在所述端盖201和伸缩柱205之间时，无法与所述限位柱602接触。

进一步的，所述套筒6内设置卡接柱601，对应的，所述套盖7内设置卡接槽701，当所述内弹簧501失效断裂后，所述套盖7能够在所述石墨堵头4的推动下向所述套筒6的底部运动，使得所述卡接柱601和卡接槽701能够卡接在一起。

作为本申请的一些实施例，如图10~12所示，所述卡接柱601的端部设置第一卡勾6011和第二卡勾6012，所述第一卡勾6011通过第一侧面6011a和第二侧面6011b形成，所述第一侧面6011a和第二侧面6011b呈锐角设置，所述第一侧面6011a和第二侧面6011b之间的夹角α的取值范围为20~60°，所述第一侧面6011a自所述卡接柱601的端部、沿着平行于所述套筒6轴向的方向延伸，且所述第一侧面6011a的两端分别与所述卡接柱601和第二侧面6011b相连接，所述第二侧面6011b的一端与所述第一侧面6011a相连接、另一端悬置；所述第二卡勾6012通过第二侧面6011b和第三侧面6012a形成，所述第三侧面6012a和第二侧面6011b之间的夹角β的取值范围为80~120°，所述第三侧面6012a的一端与所述第二侧面6011b相连接、另一端悬置。

对应的，如图12所示，所述卡接槽701的侧壁上设置固定槽702，将所述套盖7向所述套筒6内推进，所述卡接柱601能够伸入所述卡接槽701内，所述第一卡勾6011能够卡接在所述卡接槽701内，所述第二卡勾6012能够卡接在所述固定槽702内，实现所述卡接柱601和卡接槽701的连接。通过第一卡勾6011、第二卡勾6012、卡接槽701和固定槽702的相互配合，能够实现所述套筒6和套盖7的稳定连接。

优选的，所述卡接柱601位于所述套筒6封闭的底部，且所述卡接柱601的高度低于所述内弹簧501未失效时，所述套盖7能够插入的最大深度，如此，可以避免在所述内弹簧501未失效时，所述套筒6和套盖7意外卡接在一起。

进一步的，如图7~9所示，所述伸缩柱205包括收纳部2051和伸缩部2052，所述收纳部2051固定连接在所述阀盖2的内表面上，所述收纳部2051内部中空，可以用来收纳所述伸缩部2052，所述伸缩部2052可伸缩地设置在所述收纳部2051的端部，且所述伸缩部2052和收纳部2051之间的伸缩间隙设置以所述伸缩部2052在外弹簧502的作用下能够收缩进所述收纳部2051内、但所述伸缩部2052在重力的作用下，不会意外滑出为宜。当所述伸缩部2052受到外力按压时，所述伸缩部2052能够收缩进收纳部2051内。当所述伸缩部2052从所述收纳部2051中伸出时，所述外弹簧502能够被所述伸缩部2052止挡、压缩和固定在所述阀盖2上；当所述伸缩部2052受到外力按压、收缩进收纳部2051内时，所述伸缩柱205的长度变短，所述外弹簧502将不再被所述伸缩柱205压缩，所述外弹簧502通过回复形变、轴向长度变长，将能够与所述限位柱602接触，之后受所述限位柱602的止挡，可以通过所述限位柱602带动所述套筒6向远离所述阀盖2的一端运动。

优选的，所述收纳部伸缩柱205沿径向设置在所述外侧壁202或内侧壁203的内表面上。

进一步的，所述外弹簧502上设置容纳槽5021，所述容纳槽5021为沿所述外弹簧502的周向设置的环形凹槽，所述伸缩部2052的一侧设置弧形部2053、对侧为平直的平面，当所述内弹簧501未断裂失效之前，所述伸缩部2052从所述收纳部2051中伸出、并卡接在所述容纳槽5021内，此时，所述弧形部2053与所述容纳槽5021的侧壁之间具有一定的间距，所述外弹簧502被所述伸缩部2052压缩和固定在所述阀盖2上；当所述内弹簧501断裂失效后，旋转所述阀盖2，使得所述弧形部2053与所述容纳槽5021的侧壁接触，之后继续旋转所述阀盖2，由于所述弧形部2053的弧形表面，在所述容纳槽5021的侧壁与弧形部2053之间将产生沿所述外弹簧502径向、向外的按压力，在该力的作用下，所述伸缩部2052被按压进入收纳部2051内，所述伸缩部2052不再对所述外弹簧502进行压缩和固定，此时，外弹簧502通过回复形变、轴向长度变长，将能够与所述限位柱602接触。

优选的，所述收纳部2051的长度设置应使得其能够收纳所述伸缩部2052，同时，不会与所述外弹簧502相接触为宜；所述伸缩部2052的设置应使得当其从所述收纳部2051中伸出后，能够对所述外弹簧502进行压缩和固定，同时，当其被按压进入收纳部2051内后，不再与所述外弹簧502相接触为宜。

作为本申请的一些实施例，所述阀体1和阀盖2之间通过螺纹连接。具体的，在所述内侧壁203的外表面上设置外螺纹，在所述阀壳105的内表面上设置内螺纹，所述内侧壁203和阀壳105之间通过螺纹连接，如此，可以提高所述阀体1和阀盖2之间的连接稳定性和密封程度。此时，如图13~15所示，所述密封圈3采用橡胶材质制备，且所述密封圈3的横截面形状如图13所示，所述密封圈3相对的两侧分别设置两个尖端301，两个尖端301分别在所述密封圈3的两侧形成喇叭状的凹槽，如此，在装配所述阀体1和阀盖2时，所述密封圈3两侧的尖端301将分别与所述密封凸台204和阀体1端部接触、并填充在所述密封凸台204和阀体1端部之间的缝隙内，可以通过所述尖端301的变形、填充需要密封的缝隙，提高密封程度。

优选的，所述密封圈3还包括沿所述阀体1的周向设置的环形加强条302，所述密封圈3上间隔设置至少两根所述加强条302，在相邻两个加强条302之间设置环形凹陷部303。使用过程中，当所述开合控制装置失效，需要启动所述失效保护装置时，可以通过旋转所述阀盖2唤醒所述失效保护装置，而所述加强条302和凹陷部303的设置，为旋转所述阀盖2、将进一步插入所述阀体1内导致的密封圈3压缩变形，提供了变形空间。

以下通过具体实施过程对所述石墨密封阀门的工作过程进行说明：如图3所示开始使用时，所述卸气口103被所述石墨堵头4封堵，所述进气口101与空压机等进气装置连接，所述排气口102与所述进气口101相连通，外部气体通过所述进气口101进入所述中空腔104内，之后通过所述排气口102排出。当所述进气口101的进气速度大于所述排气口102的排气速度时，随着时间的推移，存储在所述中空腔104内、无法及时排出的气体将越来越多，所述中空腔104内的气体压强将逐渐增大，在所述中空腔104内气体压强的作用下，所述石墨堵头4将推动所述套盖7一起逐渐向靠近所述端盖201的一端运动，使得所述卸气口103被打开、所述中空腔104内的气体能够通过所述卸气口103排出，同时将所述内弹簧501压缩，在此过程中，所述失效保护装置处于休眠状态，所述外弹簧502被所述伸缩柱205压缩固定在所述阀盖2上、不与所述套筒6接触，所述套筒6通过所述卡接翻边603卡接固定在所述卡接凸台206上；随着所述中空腔104内的气体不断排出，所述中空腔104内的气体逐渐降低，所述石墨堵头4远离所述内弹簧501的一侧受到的气体压强逐渐降低，当所述石墨堵头4远离所述内弹簧501的一侧受到的气体压力小于所述内弹簧501的回复力时，所述石墨堵头4和套盖7将在所述内弹簧501的回复力的作用下向远离所述端盖201的一侧运动，重新将所述卸气口103封堵上，如图4所示。如此周期循环，在所述中空腔104内的气体压强过高时，通过所述石墨堵头4的移动打开所述卸气口103进行卸气；当所述中空腔104内的气体压强降低后，通过所述石墨堵头4的移动封堵所述卸气口103。

在使用过程中，一旦所述内弹簧501断裂失效，即所述开合控制装置失效，所述石墨堵头4将会失去所述内弹簧501的弹力，在所述中空腔104内的气体压强的作用下，所述石墨堵头4将向靠近所述阀盖2的一侧运动，使得所述卸气口103无法闭合，此时，由于失去了内弹簧501的弹力，所述石墨堵头4将持续向靠近所述阀盖2的一侧运动，进而将所述套盖7推入所述套筒6的底部，直至所述卡接柱601插入所述卡接槽701内，如图5所示，完成所述套盖7和套筒6的固定连接、之后所述石墨堵头4将无法往卸气口103移动、无法关闭卸气口103。

当用户发现所述卸气口103无法闭合时，可以通过旋转所述阀盖2、唤醒所述失效保护装置，使得所述伸缩柱205中的伸缩部2052能够在所述外弹簧502上容纳槽5021的作用下伸入所述收纳部2051中，将所述外弹簧502释放，之后所述外弹簧502将要回复形变、轴向的长度变长，直至与所述套筒6外表面上的限位柱602接触，之后，随着所述外弹簧502继续回复形变，所述外弹簧502将能够通过所述限位柱602带动所述套筒6和石墨堵头4向远离所述阀盖2的一侧运动，直至所述石墨堵头4再次与所述止位台106接触、并将所述卸气口103重新封堵上，如图6所示。之后，将所述套筒6、套盖7的结合体作为推动所述石墨堵头4运动的中间传递物，通过所述外弹簧502和所述中空腔104内气体压强的变化控制所述石墨堵头4的运动状态，重新控制所述石墨密封闭阀门的开合。

综上所述，不难发现本申请所述的石墨密封阀门具有以下优点：第一，所述石墨密封阀门通过设置失效保护装置使得所述阀门在开合控制装置失效后，能够通过启用失效保护装置进行失效保护，防止阀门内气体压强过大、导致爆炸等事故；第二，本申请所述失效保护装置不但能够进行失效保护，还能够代替原来的开合控制装置对阀门内的气体进行控制，实现在不停产的前提下，所述石墨密封阀门能够继续工作；第三，所述失效保护装置和开合控制装置均设置在所述阀门的内部，可以通过阀门的安装、一体化的安装，所述失效保护装置不需要占用额外的安装空间、安装工序和安装成本；第四，所述失效保护装置不需要依赖电、磁等的能源供给而启动，安全性更高；第五，所述石墨密封阀门失效时，所述卸气口103将处于常开的状态，一方面，可以防止所述阀体1内的气体压强过高、产生爆炸等危险；另一方面，能够通过所述卸气口103无法关闭这一异常状态提示阀门故障，给出阀门开合控制装置失效的判定依据，不需要额外设置阀门故障监测装置。

但与现有技术相比，在上述石墨密封阀门中，为了适应所述开合控制装置和失效保护装置的结构，所述石墨堵头4被设计成了由较为粗大的密封部401和较为细长的推压部402组成的结构，相较于现有技术中横截面积均一的圆柱形石墨制堵头而言，本申请所述石墨密封阀门中石墨堵头4由于结构和尺寸的改变、强度有所降低，为提高所述石墨堵头4的强度，弥补所述石墨密封阀门的不足，本申请还提供一种石墨堵头的制备方法，所述石墨堵头的制备方法用于制备上述的石墨堵头4时，能够有效提高所述石墨堵头4的强度，所述石墨堵头的制备方法包括步骤：

S1，石墨纯化；

S2，一级氧化插层；

S3，快速加压；

S4，二级氧化插层；

S5，高温加热制备膨胀石墨；

S6，压制石墨堵头。

其中，所述步骤S1具体包括：

S11，碱熔过程：将氢氧化钠溶液和天然鳞片石墨按照一定比例加入反应釜中，加热、搅拌，使其充分反应，反应结束后，将反应物水洗至中性，并在80℃以下烘干；

S12，酸解过程：将碱熔后的石墨与盐酸溶液一起加入到反应釜中，加热、搅拌，使其充分反应，反应结束后，将反应物水洗至中性，并在80℃以下烘干。

进一步的，所述步骤S11包括：将质量浓度为40%~50%的氢氧化钠溶液和天然鳞片石墨按照质量比例为0.3~0.5：1的比例加入反应釜中，在230~250℃加热、搅拌3~4h，使其充分反应，反应结束后，将反应物水洗至中性，并在60~70℃下烘干至恒重。

进一步的，所述步骤S12包括：将碱熔后的石墨与质量浓度为7%盐酸溶液一起加入到反应釜中，在140℃~150℃加热、搅拌2~3h，使其充分反应，反应结束后，将反应物水洗至中性，并在60~70℃下烘干至恒重。

天然鳞片石墨中一般共生或伴生有多种脉石成分，用普通的重选、浮选等方式对天然鳞片石墨中的杂质去除效果有限，本申请中对天然鳞片石墨进行纯化的主要目的是为了提高石墨中的碳含量，除去天然鳞片石墨中的SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、Na₂O、MgO、K₂O等成分，使得石墨中的碳含量在99.9%以上，达到高纯石墨的标准，为后期进行氧化插层和高温膨化提供基础。

进一步的，所述步骤S21包括：

S21，将氧化剂、插层剂和纯化后的石墨加入反应釜中，在一定温度下持续搅拌、使其进行一级氧化插层反应；

S22，将一级氧化插层反应后的混合物抽滤，得一级氧化插层反应产物。

优选的，所述插层剂应为2阶以上的插层剂。更加优选的，所述插层剂为3阶插层剂。

作为本申请的一些实施例，所述氧化剂为高锰酸钾，所述插层剂为硫酸。

具体的，在所述步骤S21中，分别取一定量的高锰酸钾和浓硫酸，加入反应釜中，搅拌均匀后加入经纯化后的石墨，于25~30℃下加热、搅拌，反应30~40min，使其充分进行一级氧化插层反应。

优选的，所述高锰酸钾和纯化后的石墨的质量比为0.13~0.2:1，所述浓硫酸和纯化后的石墨的质量比为0.35~0.4:1。

进一步的，所述步骤S3包括：

S31，将一级氧化插层反应产物装入待加压的容器中，使得一级氧化插层反应产物的厚度不超过50mm；

S32，将盛放有一级氧化插层反应产物的容器充分摇动，例如，可将其置于摇床中，摇动3~5min；

S33，取下装有一级氧化插层反应产物的容器，在10~18Mpa下保持5~10S。

进一步的，所述步骤S4包括：

S41，将加压后的一级氧化插层反应产物取出，与氧化剂和插层剂一起置于反应釜中，超声使其分散均匀；

S42，在一定温度下搅拌、使其进行二级氧化插层反应；

S43，将一级氧化插层反应后的混合物抽滤，得二级氧化插层反应产物，并将二级氧化插层反应产物水洗至中性，并在80℃以下烘干至恒重，得到可膨胀石墨。

优选的，所述插层剂为阶数≤2阶的插层剂。

更加优选的，所述插层剂为1阶插层剂。

作为本申请的一些实施例，所述氧化剂为K₂CrO₇或KClO4，所述插层剂为磷酸、硝酸和乙酸按照一定比例混合后得到混合酸，其中，磷酸、硝酸和乙酸的重量比为8：1:1。

在所述步骤S41中，将氧化剂、插层剂和加压后的一级氧化插层反应产物按照0.2:0.3:1的比例于反应釜中，超声1~2min即可。

在所述步骤S42中，于25~30℃下加热、搅拌，反应40~60min，使其充分进行二级氧化插层反应。

进一步的，所述步骤S5包括：

S41，将二级氧化插层反应产物首先在400~600℃下进行一次膨胀；

S42，将一次膨胀后的产物在800~1000℃下进行二次膨胀。

其中，所述一次膨胀和二次膨胀过程通过加热膨胀炉8来控制。

如图16所示，所述加热膨胀炉8包括炉膛80、炉壁81、加热元件82、输气口83、进料口84和排料口85，所述炉壁81沿竖直方向设置，通过所述炉壁81在所述加热膨胀炉8的内部形成炉膛80，将所述炉壁81的高度记为H，所述加热元件82的高度位于0.4~0.5H之间，所述输气口83的高度不超过0.2H，所述进料口84的高度位于0.2~0.3H之间，所述排料口85的高度不低于0.8H，如此，可以通过所述加热元件82的高度设置将所述加热膨胀炉8的内部空间划分为下部的一次膨胀区86和上部的二次膨胀区87，其中，所述一次膨胀区86位于所述加热元件82的下侧，所述二次膨胀区87位于所述加热元件82的上侧。

使用时，首先通过所述加热元件82将其所在高度的炉膛80加热至二次膨胀的温度，即800~1000℃之间，之后打开所述输气口83向所述加热膨胀炉8内充入空气，同时调整所述加热元件82的功率，将所述加热元件82所在高度的炉膛80的温度位置在800~1000℃之间，之后通过所述进料口84连续加入所述的二级氧化插层反应产物，使得所述二级氧化插层反应产物在所述输气口83通入的空气的带动作用下，从所述加热膨胀炉8的下端向所述加热膨胀炉8的上端运动，在穿过所述一次膨胀区86的过程中，产生一次膨胀；之后继续向上运动，在穿过所述二次膨胀区87的过程中，产生二次膨胀，最后通过所述排料口85排出。

所述输气口83通入的空气进入所述加热膨胀炉8内后，由于所述加热元件82位于所述加热膨胀炉8的中部，使得所述加热膨胀炉8中部的温度较高，下部的温度较低，随着热空气上升和输气口83通入的新空气，所述加热膨胀炉8下部、即所述一次膨胀区86的温度将低于中部的温度、维持在400~600℃之间，所述加热膨胀炉8上部的温度、即所述二次膨胀区87处的温度将能够维持在800~1000℃之间，使得所述一次膨胀区86的温度能够满足一次膨胀的温度需求、所述二次膨胀区87的温度能够满足二次膨胀的温度需求，同时，由于所述膨胀石墨的密度较小，所述输气口83通入少量空气即可满足带动其从所述加热膨胀炉8的下部到上部运动的需求，最终，通过一个加热膨胀炉8即可连续实现一次膨胀和二次膨胀。

此外，在所述加热膨胀炉8中，可以通过调整所述加热元件82的高度、调整所述一次膨胀区86和二次膨胀区87的空间划分，还可以通过调整所述加热元件82的高度、所述加热元件82的工作频率、所述输气口83通入空气的量等实现调整所述一次膨胀区86和二次膨胀区87的温度的目的。

进一步的，在所述排料口85上设置过滤装置，通过过滤装置将膨胀后的石墨拦截下来，同时使得所述排料口85排出的空气可以通过；

进一步的，还可以将所述排料口85排出的高温空气重新通过所述输气口83通入炉膛80内，实现节能减排、同时避免所述炉膛80内的温度由于直接引入冷空气产生大幅波动。

进一步的，还可以通过调整所述输气口83通入空气的量来调整石墨通过所述一次膨胀区86和二次膨胀区87的时间，实现调整一次膨胀和二次膨胀时间的目的。

本申请所述石墨堵头的制备方法的原理为：首先通过石墨纯化制备出高纯石墨，为后期进行氧化插层提供良好的基础，之后通过一级氧化插层对石墨进行高阶的插层；并通过快速加压降低高阶插层后石墨的层间距，便于后续低阶插层的充分进行；在快速加压后，通过二级氧化插层进行低阶的插层，最终通过高阶和低阶插层相配合，制备出不同基团交替插层的产物，然后通过一次膨胀和二次膨胀使高阶插层引入的基团和低阶插层引入的基团分别分解，使得可膨胀石墨的体积膨胀、得到柔性石墨，最后通过压制成型制备出高强度的石墨堵头4。

省略上述步骤S2和S3，即依次按照上述步骤S1、S4、S5和S6制备出相同尺寸的试验堵头，与采用上述的石墨堵头的制备方法制备出的石墨堵头4相比，发现：试验堵头的强度低于上述的石墨堵头4的强度。

通过对比实验交换一级和二级插层的顺序，即先进行上述的低阶的二级插层反应、经过快速加压后，再进行上述的高阶的一级插层反应发现：交换高阶和低阶插层的顺序，先进行低阶插层反应、后进行高阶插层反应，易导致插层（尤其是高阶插层过程）不均匀，由于插层不均匀，导致膨胀不均匀、膨胀后的石墨整体强度降低。

通过对比实验取消一级和二级插层之间的快速加压，即在一级氧化插层之后直接进行二级氧化插层发现：在高阶的一级插层反应后，若不通过快速加压降低石墨片层之间的差距，则二级插层反应时，插层剂不容易均匀地进入石墨的片层间，致使插层反应时间延长3倍以上，极大地降低生产速率。

需要说明的是：插层反应中插层剂的阶数计算过程已经被现有技术公开，本申请不再赘述。

综上所述，可见，本申请所述的石墨堵头的制备方法具有生产连续性好、节能环保、制备的石墨堵头的强度高的优点。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种石墨密封阀门，所述石墨密封阀门包括阀体（1）和阀盖（2），所述阀体（1）的外部形成有阀壳（105），所述阀壳（105）的内部具有中空腔（104），所述阀壳（105）上设置进气口（101）、排气口（102）和卸气口（103），所述进气口（101）、排气口（102）和卸气口（103）分别与所述中空腔（104）相连通，在所述卸气口（103）与所述中空腔（104）的连接处设置石墨堵头（4），其特征在于，所述中空腔（104）内设置开合控制装置和失效保护装置，所述开合控制装置能够通过带动所述石墨堵头（4）移动控制所述卸气口（103）的开合；在所述开合控制装置失效后，所述失效保护装置能够由休眠状态切换至唤醒状态，处于唤醒状态的失效保护装置能够通过带动所述石墨堵头（4）移动控制所述卸气口（103）的开合；所述开合控制装置和失效保护装置通过设置在所述石墨堵头（4）和阀盖（2）之间的弹簧（5）带动所述石墨堵头（4）移动、进而控制所述卸气口（103）的开合，所述弹簧（5）包括内弹簧（501）和外弹簧（502），所述内弹簧（501）和外弹簧（502）均沿所述阀体（1）的中心轴线设置在所述中空腔（104）内，且所述外弹簧（502）环绕设置在所述内弹簧（501）的外侧，所述开合控制装置通过所述内弹簧（501）的伸缩带动所述石墨堵头（4）移动、进而控制所述卸气口（103）的开合；所述失效保护装置通过所述外弹簧（502）的伸缩带动所述石墨堵头（4）移动、进而控制所述卸气口（103）的开合。

2.根据权利要求1所述的石墨密封阀门，其特征在于，所述阀体（1）整体呈内部中空的圆柱形结构，所述进气口（101）沿所述阀体（1）的中心轴线设置在所述阀体（1）的进气端，所述阀盖（2）相对于所述进气口（101）盖合在所述阀体（1）的封闭端，所述卸气口（103）位于所述阀体（1）的侧面上，且所述卸气口（103）的中心轴线与所述阀体（1）的中心轴线垂直设置，所述排气口（102）的中心轴线与所述进气口（101）的中心轴线之间的夹角取值范围在为30°~80°；所述排气口（102）的中心轴线与所述卸气口（103）的中心轴线之间的夹角取值范围为40°~80°。

3.根据权利要求1所述的石墨密封阀门，其特征在于，当所述开合控制装置能够正常工作时，所述失效保护装置处于休眠状态，所述外弹簧（502）被压缩、固定在所述阀盖（2）上，无法进行伸缩运动；当所述开合控制装置失效后，通过旋转所述阀盖（2），能够使得所述外弹簧（502）脱离所述阀盖（2）的压缩和固定，使得所述失效保护装置进入唤醒状态。

4.根据权利要求3所述的石墨密封阀门，其特征在于，所述开合控制装置包括套筒（6）、套盖（7）和内弹簧（501）：所述套筒（6）为内部中空的圆柱形结构，所述套筒（6）同轴设置在所述阀体（1）内，所述套筒（6）靠近所述阀盖（2）的一端封闭，靠近所述石墨堵头（4）的一端敞口；所述套盖（7）为内部中空的圆柱形结构，所述套盖（7）同轴设置在所述套筒（6）内，且所述套盖（7）能够在所述套筒（6）内滑动，所述套盖（7）靠近所述阀盖（2）的一端敞口，靠近所述石墨堵头（4）的一端封闭；通过相对扣合在一起的套筒（6）和套盖（7）可以形成一圆柱形的空间；所述内弹簧（501）设置在所述套筒（6）和套盖（7）形成的空间内，所述内弹簧（501）的一端与所述套筒（6）相连接，另一端与所述套盖（7）相连接，使得所述套盖（7）能够在所述内弹簧（501）的带动下沿所述套筒（6）的内壁运动、进而带动所述石墨堵头（4）运动。

5.根据权利要求4所述的石墨密封阀门，其特征在于，所述阀盖（2）还包括沿周向设置的卡接凸台（206），对应的，所述套筒（6）敞口的一端具有沿径向、向外侧延伸的卡接翻边（603），当将所述套筒（6）装配在所述阀门内时，可首先将所述套筒（6）自远离所述阀盖（2）的一端插入所述卡接凸台（206）中心的空隙，之后通过所述卡接翻边（603）卡接在所述卡接凸台（206）上，使得所述套筒（6）无法向靠近所述阀盖（2）的一侧运动。

6.根据权利要求5所述的石墨密封阀门，其特征在于，所述失效保护装置包括套筒（6）和外弹簧（502），所述外弹簧（502）环绕在所述套筒（6）的外围，在所述阀盖（2）的内表面上设置伸缩柱（205），通过所述伸缩柱（205）将所述外弹簧（502）压缩、并固定在所述阀盖（2）中的端盖（201）和伸缩柱（205）之间。

7.一种石墨密封阀门中石墨堵头的制备方法，其特征在于，所述方法用于制备上述权利要求1~6任一项所述石墨密封阀门中的石墨堵头，所述方法包括步骤：

S1，石墨纯化；

S2，一级氧化插层；

S3，快速加压；

S4，二级氧化插层；

S5，高温加热制备膨胀石墨；

S6，压制石墨堵头。

8.一种加热膨胀炉，其特征在于，用于上述权利要求7所述石墨密封阀门中石墨堵头的制备方法制备膨胀石墨，所述加热膨胀炉包括炉膛（80）、炉壁（81）和加热元件（82），所述炉壁（81）沿竖直方向设置，将所述炉壁（81）的高度记为H，所述加热元件（82）的高度位于0.4~0.5H之间，通过所述加热元件（82）将所述加热膨胀炉的内部空间划分为下部的一次膨胀区（86）和上部的二次膨胀区（87）。

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