蔣仲先

(旅順永勝氣體閥門廠,遼寧大連沙河口連華街78-3-2號 116021）

氣瓶閥的設計和選用①

蔣仲先

(旅順永勝氣體閥門廠,遼寧大連沙河口連華街78-3-2號 116021）

氣瓶閥具有結構簡單、品種多樣、需求量大、安全可靠性要求高等特點。針對填料式、隔膜式、波紋管式氣瓶閥的結構特點,就如何選用問題進行了闡述。重點討論了波紋膜片的設計問題。同時也對其今后的發(fā)展提出了看法,僅供讀者參考。

氣瓶閥;設計;選用

氣瓶閥是指適用于各種氣瓶作為充氣、儲氣和放氣的啟閉裝置。按氣瓶用途主要分為工業(yè)用氣瓶、醫(yī)用氣瓶和特種氣體用氣瓶,因而氣瓶閥也自然形成了這三種類型。其中前兩類已形成了國家(部級）標準,即:JB 3328—83《氣瓶閥和管路閥》和JB 3339—83《小型醫(yī)用氣瓶框式閥的連接尺寸》。由于我國特種氣體是改革開放以來隨著電子工業(yè)、光導技術等新興工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的新型氣體門類,故其相適應的氣瓶及閥還沒有制定統(tǒng)一的國家 (部級）標準,目前仍沿用JB 3328—83或借用美國CGA標準即美國壓縮氣體協(xié)會標準。

氣瓶閥的特點主要有:

(1）結構較為簡單。整個結構件只有20個左右。

(2）規(guī)格品種多。根據對某專業(yè)廠統(tǒng)計,同一材質的型號多達二百四十余種,如果再按不同材質、不同連接尺寸、不同介質要求加以排列組合,其數量之多可想而知。

(3）需要量大。大型專業(yè)廠年產量不少于百萬余只。

(4）安全可靠性要求高。特別是對有毒、易燃、易爆、強腐蝕性、放射性和要求高純度、高潔凈氣體更為突出,它關系到使用質量和人身安全。

(5）進口產品與國產的差價較大。結構類似的同一型號產品,進口價一般高于國產3～4倍 (有的還要高）。因而對使用者而言,在滿足使用要求的前提下,盡可能考慮國產化也是十分必要的。為此對其結構設計和如何選用方面的知識,也應該有一定的了解。筆者現(xiàn)將多年來從事這方面工作主要是特氣閥門遇到的有關問題做如下小結,以供同仁和用戶參考。不妥之處,望能指正,不勝感激。

1 氣瓶閥的技術要求

設計者按產品的技術要求進行設計,而產品的技術要求是根據其使用工況并在該工況下所制定的通用標準來確定的,現(xiàn)分述如下:

1.1 工業(yè)用氣瓶閥使用要求

工業(yè)用氣瓶閥使用技術要求主要有:

(1）關閉力矩不得超過0.5 kg·m。

(2）氣密性。試驗壓力為1.1倍工作壓力下,持續(xù)時間不少于30 s,無泄漏。

(3）閥體耐壓強度。在2倍工作壓力下,持續(xù)時間大于3 min應能正常工作。

(5）耐用性。以最大關閉力矩全行程開閉1000次后,應能正常工作。

(6）耐溫性。在-40～60℃時應能正常工作。

(7）安全裝置。根據需求提出。

(8）進出口連接螺紋尺寸。按選用氣瓶及介質確定。

1.2 醫(yī)用閥技術要求

該類閥除滿足上述工業(yè)氣用閥各項技術要求外,由于其與框的相對位置是根據不同介質,由框上銷子分別插入到閥上相應的孔 (圖1中的①～⑥）內來固定的,因而加工尺寸的保證是尤為重要的。圖1所示為第一種框式的連接型式和尺寸,加工時必按表1的規(guī)定進行加工。其他連接型式和尺寸詳見JB 8339—83。另外,閥上必打有清晰永久性的化學元素符號。

圖1 框式連接型式和尺寸Fig.1 Connection types and sizes fo r frame type

表1 框式連接尺寸Table 1 Connection sizes for frame type

1.3 特種氣體氣瓶閥技術要求

特種氣體具有如下特性:

(1）化學性質復雜。如易燃、易爆、有毒、強腐蝕性、放射性等。

(2）純度要求高。有的要求6 N(國外已達7 N）。

(3）潔凈度要求高。以集成電路用氣為例,當集成度為 256 K位時,塵埃最大允許直徑 ≤0.1μm,顆粒度＜1顆/升。

(4）穩(wěn)定性高。有的要求2年內介質不變質。

(5）氣瓶要在高溫下 (＞100℃）加熱除氣。

因而該類閥除滿足上述工業(yè)氣用閥一般常規(guī)技術要求外,還應考慮滿足如下特殊要求:

(1）氣密性更為安全可靠。要進行氦質譜檢漏檢測,漏率一般不大于1×10-6L/s。真空度要達到1.33×10-2Pa。

(2）吸附性小、內壁粗糙度要盡量小。如要求純度為6 N以上氣體 Ra≤0.04μm。因此內壁要進行電化學拋光或機械拋光。

(3）高潔凈度。國外已在1000級凈化間組裝、試驗、封存,要采用先進可靠的清洗工藝。

(4）適用溫度范圍應為-40～120℃。

(5）選用高質量材質,國外多用316 L。

2 氣瓶閥結構設計

氣瓶閥結構設計按外漏密封方式分為填料式、隔膜式及波紋管式三種,現(xiàn)分述如下:

2.1 填料式氣瓶閥

該閥閥腔介質與大氣之間的密封 (即外漏）是靠填料函與閥桿之間貼合緊度來實現(xiàn)的 (如圖2～5所示）,其中圖2為橡膠“O”形密封圈。圖3為填料函密封。由于填料函有老化問題,加之閥桿加工中有一定的橢圓度,密封性能不十分可靠,不能用于要求抽真空和加熱除氣的特種氣體,只能用于一般工業(yè)氣體。

圖2 活瓣式Fig.2 Air valve type

填料式結構根據閥頭組件的形式不同,有活瓣式 (圖2）、針形式 (圖3）、軸聯(lián)式 (圖4）和聯(lián)結式 (圖5）。這幾種形式雖都是較為成熟設計,但活瓣式、軸聯(lián)式、聯(lián)結式閥頭密封面與閥口無相對運動 (即旋轉運動）,閥口不易受損傷,材質也為一軟一硬,故內密封更為可靠一些,壽命也可更長一些。而圖3針形式閥口則易受損傷,并由此引起泄漏。

另外填料函與“O”形圈二者的比較,由于填料函式與閥桿之間的貼合緊度是靠壓蓋的壓緊力來調節(jié)的,一旦填料老化或泄漏,還可用壓緊壓蓋的方法來補救 (此時關閉力矩自然要增大）,而“O”形圈則無此選擇,只能換新閥。

因此,對填料式氣瓶閥閥頭組件選用活瓣式,閥桿之間密封選用填料函式壓緊方式是較為理想的選擇。

圖5 聯(lián)結式Fig.5 Connection type

2.2 隔膜式氣瓶閥

該類閥分彈簧式和無彈簧式兩種。

2.2.1 彈簧式氣瓶閥

其工作原理如圖6所示,閥桿10通過壓塊9驅動膜片8使閥頭組件與閥口關閉。當手輪左旋閥桿上升時,由于彈簧力,膜片自身彈力及氣瓶內壓力使閥頭組件升起,閥門開啟。該閥設計需注意的主要問題是,閥件材質的合理選擇,特別是耐蝕性尤為重要,彈簧彈力盡可能足夠大。材質多用316L不銹鋼,閥頭組件 (如圖7）的閥芯多用具有一定硬度的塑料,如聚三氯乙烯、聚酰亞胺、尼龍等,但必須確保介質與其無相容性。

該閥使用中曾出現(xiàn)和存在的主要問題是:

(1）彈簧設計力不夠或使用時間長彈力下降,膜片不能復位,使閥門打不開。

(2）塑料閥芯硬度不夠或與介質相容,關閉后,使膜片超行程產生永久變形,使閥門打不開。

(3）相關零件加工尺寸超差,使膜片超過允許的彈性變形范圍,產生永久變形,使閥門打不開。

(4）閥件材質選擇不當,產生的腐蝕污物將彈簧卡死,膜片不能復位,使閥門打不開。如一用戶對HCl介質選用304不銹鋼閥體,就曾出現(xiàn)過這一現(xiàn)象。

(5）充不進氣現(xiàn)象。這是由于充氣壓力大于彈簧力 (即背壓過大）而充氣操作時又先打開了進氣閥,后開啟氣瓶閥所致。為此操作時必先開啟氣瓶閥,后開充氣閥,否則還很可能使膜片產生永久變形,使閥門打不開。

(6）死區(qū)較大,痕氣很難用置換法吹洗干凈。

(7）由于是平面密封,如果有污物存于密封面,會產生泄漏,必須確保管道氣瓶閥腔干凈。

2.2.2 無彈簧隔膜氣瓶閥

鑒于有彈簧式結構不時出現(xiàn)和存在各種問題,雖大多為過失所為,但時刻令人擔憂,故出現(xiàn)無彈簧結構方案,其又有提拉式和自啟式兩種。

2.2.2.1 提拉式隔膜氣瓶閥

如圖8所示,其動作原理是右旋閥桿,使聯(lián)桿帶動與膜片連于一體的閥頭向下運動將閥關閉,反之則開啟。

該閥主要優(yōu)點是膜片不會產生永久變形,不會產生打不開現(xiàn)象,開啟可靠;行程較大,可達到膜片厚度的2倍。設計中主要問題是聯(lián)桿膜片和閥頭之間的連接必須牢固可靠,不得有少許松動,如采用內螺紋連接再焊死,焊接技術要求較高 (也可采用金屬粘接劑）。另外膜片中間要沖孔,其尺寸大小的確定是比較復雜的理論和實踐問題,必須多次實驗定型。如誤差過大,會影響其使用壽命;閥頭如采用平面密封,也易產生內漏 (氣瓶、管道不潔時）。目前國內尚無該類產品,國外雖有報道,但價格昂貴。國內一客戶在試用該產品中曾發(fā)生過當氣瓶加熱近100℃時,易熔合金安全裝置熔化放氣,閥頭鑲嵌的塑料閥芯被壓后軟化溢出事故。這雖然不能說明閥門自身存在什么問題,但卻告誡人們,選用者一定要將自己的使用工況向廠家講清楚,而廠家也應事先向用戶講明產品應用范圍及注意事項,否則后果將不堪設想。

圖8 提拉式隔膜閥簡圖Fig.8 Life-draw type diaphragm valve

2.2.2.2 自啟式隔膜氣瓶閥

該閥是我廠迫于克服彈簧式結構存在的問題,于2005年開始進行研發(fā)的。當時國內外并無報道,直到2007年在仿制進口的隔膜常開氣動閥時,方知其所用直通閥與我廠結構完全相同。其采用時間也早于我廠,只不過我廠在國內首次用于氣瓶閥上而已。

該閥動作原理如圖9所示,右旋閥桿,通過壓塊使膜片直接關閉閥口,反之則靠膜片自身回彈力使閥開啟。

圖9 自啟式隔膜閥簡圖Fig.9 Self opening type diaphragm valve

該閥的優(yōu)點是:結構更為簡單;內漏為線密封更為可靠;死區(qū)更小;因為是金屬對金屬密封,可用于高溫 (曾在400℃高溫下做過試驗,性能良好）。隨著開關次數的增加,密封面磨合更好,密封性能也更好,關閉力矩也會越用越小。

該閥研制中曾出現(xiàn)的問題是:膜片行程選擇不當,產生永久變形;壓塊形狀及尺寸設計不當,使膜片產生永久變形,經多次反復試驗才得以解決。在實際應用中進行氣密性試驗時,由于工人誤操作,從出口打壓,當氣壓超過10 M Pa時,使膜片產生永久變形,閥門打不開。故而在產品使用說明書中特別強調,在充氣壓力高于10 M Pa時,必先把氣瓶閥打開再開啟充氣系統(tǒng)的進氣閥,否則會產生充不進現(xiàn)象,甚至使膜片永久變形,使閥門打不開。

數年來我廠產品用戶已近百家,除上述因誤操作出現(xiàn)事故外,再也沒有不好的信息反饋。2009年向四川紅華特氣公司提供的上千只CGA 640標準的特氣閥采用該結構,確保了100%的合格率。首次取代進口產品,為國家節(jié)約了外匯。目前我廠之所以敢于放心批量投產該系列產品,就在于技術比較成熟,質量能夠保證,該結構形式用于氣瓶閥是安全可行的。

2.2.3 波紋管式氣瓶閥

此閥也是為解決彈簧式氣瓶閥存在的問題而提出的研發(fā)課題,其動作原理與提拉式隔膜閥基本相同,只不過將膜片換成多層波紋管而已。也曾試制出樣機,然而由于其工藝更為復雜,成本更高,故而放棄,在此也不再多述。

3 膜片設計

由于膜片是隔膜閥中起密封作用的關鍵件,其材料選擇、形狀設計、疲勞壽命、行程、柔性、剛度及固定方式是必須考慮的重要問題。

3.1 材質選擇

對氣瓶閥而言,必選用金屬材質,要求其能承受一定的拉伸應力;能產生足夠的彈性變形,應力和變形可用板殼理論計算。而且要按允許過壓的125%～150%進行。為了確保其好的延展性,便于成形,要進行一定的熱處理工藝,保證其足夠疲勞壽命。目前國內外采用的主要材質有鈹銅合金(HPb）、奧氏體不銹鋼 316L (0Cr27Ni12Mo3）、蒙乃爾 (即 Monel,其是鎳銅合金）、因可乃爾(即Inconel,其是鎳鉻合金）、鈦合金和鈷基合金(如L 650）等。我廠對蒙乃爾、316L (表面鍍鈦,曾用于HCl）都試用過,效果良好,并在仿制隔膜式常開氣動閥時對316L和國外的鈷基合金進行了對比性試驗,結果如表2所示。

表2 316L和鈷基合金膜片對比試驗Table 2 Contrast test of 316 L to Cobalt-based alloy diaphragm

3.2 型面設計

3.2.1 平膜片

其是一平面圓盤,其優(yōu)點是制造容易,成本低、互換性好。缺點是行程小,一般只為其厚度的一半。故其不適用于流量要求大、流速過高 (如H2）的場合。

3.2.2 波紋膜片

波紋膜片是一個有波紋的圓盤。氣瓶閥多用單波紋形式,其有帶硬芯 (圖10）和無硬芯 (圖11）兩種。提拉式實際上是帶硬芯的一種,彈簧式及自啟式則是無硬芯式一種。

波紋膜片形狀按標準正弦曲線進行設計 (圖12）,由假定的波紋高度 H和實際需要波距l(xiāng)可通過下式計算出半徑R、夾角θ和波長S,即

圖12 波紋膜片幾何圖形Fig.12 Geometric figure of co rrugated diaphragm

根據R、θ及S設計胎具。

為了保證膜片線性特性在1%內,在設計時常用的經驗方法是使行程小于直徑的2%,如果線性度允許大于1%,則變形最大可達到直徑的3%～4%。

波紋膜片與平膜片相比其優(yōu)點是:

(1）在無永久變形情況下,總行程較大,可達到波高的2倍。

(2）在較大行程內其有效面積基本不變。

(3）疲勞壽命長。

(4）線性特性好。如圖13所示,在相同直徑和靈敏度情況下,波紋膜片直線度遠大于平膜片。因此對兩端固定的波紋膜片,設計者只要使壓力 P的作用點在拐點A范圍內 (如圖14所示）,都可確保其變形在線性范圍內,不會產生永久變形,平膜片則無此選擇。

圖13 膜片的線性曲線Fig.13 Linearity curve of diaphragm

3.2.3 膜片的固定

對氣瓶閥而言,其膜片只能用閥蓋螺紋壓緊固定密封,中間要加緊壓環(huán),防止膜片有相對運動。

3.2.4 膜片的制作

膜片成形胎具有兩種,圖15是橡膠成形胎具,其是將預先沖制的毛胚放入金屬導套內,由沖頭沖壓橡膠成形,這一方法對胎具材質沒有特殊要求,用一般鋼和銅即可,可保持膜片本身厚度不變,但橡膠容易破損或溢出,成形件易出現(xiàn)皺折。圖16所示為成形和沖切組合胎具,要求陰陽膜胎具要有一定的強度,并且要鋒利,硬度更高,最好用硬質合金。這一方法成品率高,目前多用之。

圖16 膜片成形和沖切組合胎具Fig.16 Combination positioner for forming and punching the diaphragm

表3 國內外氣瓶口螺紋代號及尺寸Table 3 Cylinder o rifice thread code and size at home and abroad

4 氣瓶閥的選用

用戶在選用氣瓶閥時,一般要向廠家提出如下要求:

(1）與介質直接接觸的閥體材質。主要是滿足耐腐蝕性要求。

(2）最高耐壓強度。

(3）最高使用溫度范圍。

(4）與氣瓶口螺紋連接尺寸 (即閥的進口尺寸）,這要根據所選用的氣瓶口螺紋代號來確定,如表3所示。

(5）氣瓶閥出口連接型式和尺寸的選擇

①工作壓力為 12.5～200 M Pa,介質為氧、氮、空氣和氟里昂的氣瓶閥,可采用三種連接型式。

如借用美國CGA標準,其相適用的介質如表4所示。

表4 CGA標準適用介質一覽表※Table 4 The schedule of suitable substance for CGA standand

(6）安全爆破裝置的選擇

安全爆破裝置是為氣瓶超壓爆破而設,多用于高壓氣體,其類型有爆破片式 (詳見 GB 567—1999《爆破片與爆破片裝置》）、易熔合金式、易爆合金與爆破片混合式、彈簧和易熔合金式。由于易熔合金式會帶來污染,筆者認為應把爆破片式作為首選。另外,從廠家樣本可以看出,對同一種介質所用氣瓶閥,有的帶安全爆破裝置,有的不帶,應選不帶為宜,以免引起不必要的麻煩。爆破壓力為工作壓力的1.2～1.6倍。

(7）氦質譜檢漏試驗要求

這是特種氣體用閥特殊要求,一般漏率≤1× 10-6L/s即可,至于檢測的百分比,目前還沒有統(tǒng)一的標準。從我廠實測結果來看,如果氣密性試驗時間延長至一分鐘,氦質譜檢漏率皆能達到≤1× 10-11L/s。故我廠暫定企業(yè)標準為:100～500件按3%抽檢,500～1000件按5%抽檢。多于1000件與用戶協(xié)商決定,但不得少于6%。

(8）內壁粗糙度要求。用戶要根據介質純度決定內壁是否進行電化學拋光或機械拋光。

(9）潔凈度要求。如閥內腔除油要求、塵埃顆粒量的要求 (一般用加過濾器解決）等。

(10）與氣瓶閥相連的配套件的選用。

這也是用戶在實際應用中經常碰到的問題,主要包括:

(1）穩(wěn)壓 (減壓）器的選用

高壓氣體介質輸出時大都需要減壓并穩(wěn)定在一定壓力范圍內使用,為此需在氣瓶出口連接減壓器。對一般工業(yè)氣體而言,選用常規(guī)夾布橡膠膜片的銅質產品即可,對特種氣體則需選用金屬膜片的不銹鋼產品,選用時需對減壓后調壓范圍及流量大小提出要求。我廠GY型產品即為此而設,并有調壓范圍:0～0.6 M Pa、0～1.2 M Pa,流量為40 m3/h和80 m3/h兩種規(guī)格,氣瓶內壓力皆可達到20 M Pa。

(2）微流分析取樣閥的選用

該閥連于氣瓶閥出口及分析儀之間,取樣分析用,如果只要求減壓微流量調節(jié) (0～3000 m L/ min）,不需減壓,我廠WL型即可滿足要求,其中WL—I型還可知氣瓶內壓力和相對輸出流量, WL—Ⅱ只知氣瓶內壓力。如果要求減壓后還需穩(wěn)壓在一定壓力下,并能進行微流量調節(jié),可用小型的 GY型減壓器,其采用Φ40壓力表,體積小,重量輕,特別適用于4～8 L氣瓶。

(3）過濾器的選用

與氣瓶出口連接的管線上接過濾裝置,在充氣時可以防止管路中污物進入閥腔內粘于閥口的密封面上引起內漏 (實際應用中常有這一現(xiàn)象發(fā)生）;輸出時,可以確保顆粒量達到要求。這對特種氣體的使用是十分必要的。

(4）吹洗裝置 (氣瓶柜）的選用

氣瓶內工藝氣體在初次使用時,或在氣瓶更換前后,都需將與氣瓶閥連接的管線內及閥腔內的痕氣排除干凈,否則不僅影響氣體的使用質量,同時還會影響設備和人身安全 (對有毒和強腐蝕性氣體）,為此需在氣瓶閥出口處連接吹洗裝置 (系統(tǒng)）。吹洗方法有置換式和稀釋式兩種,前者簡單易行,但很難徹底排除管路內死角處痕氣且效率低。后者先進可靠,但成本也高,國外有全自動和手動兩種。筆者于光明院期間曾主持仿制國外手動式稀釋裝置二十余臺并用于生產,取得較好社會和經濟效益。近年來國內再也無這方面報道,可以斷言這一領域的研究開發(fā)在國內仍是空白。詳見參考文獻 [4]。

5 幾點看法

(1）一般工業(yè)氣瓶閥技術比較成熟,采用活瓣式結構、填料函式密封是較為理想選擇。

(2）從安全可靠性考慮,特種氣體氣瓶閥選用無彈簧式隔膜閥是最佳選擇。自啟式結構在工藝性、成本、死區(qū)方面優(yōu)于提拉式。

(3）波紋膜片優(yōu)于平膜片,316L材質是自啟式隔膜閥較為理想的選擇 (對HCl介質,應表面鍍鈦）。

(4）對于安全爆破裝置的選擇,在可帶與不用帶的情況下,盡量不帶 (特別是對有毒、易燃、易爆介質）,對高壓氣體一定要帶時,選用爆破片式為最佳選擇。

(5）包括氣瓶在內的特氣用閥及配套器件是一項綜合性系統(tǒng)工程,但至今沒有統(tǒng)一的國家標準。代表總體技術水平的全自動吹洗裝置,至今國內仍是空白,全部依靠進口。有關領導單位,應加強投入,組織攻關,徹底改變這一領域的落后局面。

[1]國內外有關產品樣本;

[2]壽震東.閥門使用知識 [M].石家莊:河北人民出版社,1983.

[3]蔣仲先,王君,勞偉儀.國內外特氣閥概況 [J].低溫與特氣,1991.

[4]蔣仲先,王君.國內外特種氣體吹洗裝置及其應用[J].低溫與特氣,1995.

[5]閥門管件設計編譯組編譯.美國閥門管件設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1984.

[6]Mario Di Giovanni.FLA T AND CORRUGA TED D IAPHRAGM DESIGN HANDBOOK[M].MARCEL DEKKER INC,1982.

Design And Choose of Cylinder Valve

JIANG Zhongxian
(Dalian Yongsheng Gas Valves Factory of China,Dalian 116021,China）

The cylinder valve have the charactericsof simp le structure,large demand,higher safety reliabiliby and so on.Aiming at the structural characteristics of packing type,diaphragm and bellow cylinder valves,describe how to select these cylinder valves.Discuss the design problem of corrugated diaphragm mainly,and put fo rward the view s on their future development to offer some reference for readers.

cylinder valve;design;select

TQ117

A

1007-7804(2011）05-0003-09

10.3969/j.issn.1007-7804.2011.05.002

2011-08-12

蔣仲先,1961年畢業(yè)于北京航空學院 (現(xiàn)北京航空航天大學）,20世紀80年代于光明化工研究設計院主持特氣閥課題研發(fā)工作,高級工程師。獲五項原化工部科技進步獎,三項國家專利,在全國性刊物上發(fā)表論文十余篇。曾任全國閥門標準技術委員會成員,全國閥門科技情報網東北地區(qū)負責人,大連市流體工程學會副理事長等職,現(xiàn)任旅順永勝氣體閥門廠技術顧問 (原任總工程師）。