母文豪,付 豪

(艾坦姆流體控制技術(shù)(山東)有限公司，山東濟(jì)寧 272000)

波紋管調(diào)節(jié)閥的閥桿部位采用了金屬波紋管和填料雙重密封，應(yīng)用于嚴(yán)格控制外漏的場(chǎng)合。金屬波紋管作為波紋管調(diào)節(jié)閥的重要核心，按生產(chǎn)型式主要分為液壓成型波紋管、機(jī)械成型波紋管和焊接波紋管。金屬波紋管具有金屬特有的力學(xué)性能，密封性好、耐壓、耐腐蝕、耐高/低溫性好、彈性好、能承受一定扭矩等優(yōu)點(diǎn)。金屬波紋管在壓力、徑向力、彎矩作用下均能產(chǎn)生相應(yīng)位移，能夠始終貼合閥桿蠕動(dòng)，利用金屬隔離介質(zhì)的方式，提高閥門閥桿部位的密封性能，保護(hù)閥桿不受介質(zhì)的腐蝕。金屬波紋管主要應(yīng)用于多晶硅、聚氯乙烯、苯加氫、硫化氫、氯氣等化工產(chǎn)業(yè)[1]。

1 工作原理

作為金屬波紋管的重要應(yīng)用，波紋管調(diào)節(jié)閥主要由閥體、支座、上閥蓋、閥座、閥芯、金屬波紋管部件等組成，金屬波紋管部件則由支撐環(huán)、閥桿、防轉(zhuǎn)銷、連接環(huán)、波紋管焊接而成。通過金屬波紋管可以提高閥桿部位的密封性能，由動(dòng)密封轉(zhuǎn)換成靜密封。波紋管受壓形式多為外壓，波紋管行程建議開啟時(shí)壓縮總位移的70%，關(guān)閉時(shí)拉伸總位移的30%，現(xiàn)市面上知名波紋管品牌有：威茲曼、江蘇均隆、沈陽匯博、南京埃迪。艾坦姆流體控制技術(shù)(山東)有限公司(簡稱艾坦姆公司)采用威茲曼波紋管，該波紋管疲勞壽命可達(dá)10萬次[1-2]。

波紋管調(diào)節(jié)閥是基于普通調(diào)節(jié)閥的一種閥桿密封特化型。針對(duì)填料部位易泄漏的工況，添加金屬波紋管結(jié)構(gòu)，能將填料與閥桿之間的密封和填料與介質(zhì)之間的隔離分開，這就使得填料的密封職能與隔離職能區(qū)分開來，填料部分專注于填料與閥桿之間的密封，隔離部分則由金屬波紋管替代，專注于介質(zhì)與閥桿之間的隔離，兩者互不干涉但又缺一不可。由于填料部分的失效特點(diǎn)與波紋管部分的失效特點(diǎn)不同，且填料部分可以視作波紋管的二次保護(hù)，因此在波紋管調(diào)節(jié)閥的實(shí)際設(shè)計(jì)中，填料結(jié)構(gòu)和波紋管結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)存在。

2 設(shè)計(jì)思路

波紋管調(diào)節(jié)閥是基于普通調(diào)節(jié)閥的一種變種，因此首先需要一種成熟的普通調(diào)節(jié)閥，能夠滿足多種工況需求，在不考慮密封的條件下能夠滿足調(diào)節(jié)和密封有毒有害介質(zhì)、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的任務(wù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行波紋管調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì),波紋管調(diào)節(jié)閥需要具備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 波紋管調(diào)節(jié)閥基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

波紋管作為波紋管調(diào)節(jié)閥的核心，其尺寸非常重要，不過大多數(shù)波紋管調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)任務(wù)是不包含波紋管的設(shè)計(jì)的。目前市場(chǎng)上知名的波紋管供應(yīng)商有很多，其在波紋管使用壽命、使用強(qiáng)度上有著較豐富的經(jīng)驗(yàn)，提供的波紋管物美價(jià)廉,因此波紋管部分建議外購。

決定波紋管尺寸的參數(shù)有：使用壽命(拉壓次數(shù))、使用壓力、閥桿直徑、操作行程(拉壓行程)、介質(zhì)參數(shù)等，這些參數(shù)決定了波紋管的波數(shù)、層數(shù)、內(nèi)外徑、長度、厚度、行程，有了這些參數(shù)后才能開展支座的設(shè)計(jì)工作。波紋管的內(nèi)外徑?jīng)Q定了波紋管支座的直徑，波紋管長度和行程決定了波紋管支座的長度。為了保證波紋管與閥桿之間不會(huì)泄漏，通常采用更可靠的焊接形式，使得波紋管與閥桿成為一體，因此在波紋管調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)兼顧波紋管密封、波紋管行程、閥門調(diào)節(jié)行程等工作參數(shù)。

由于波紋管支座相當(dāng)于普通調(diào)節(jié)閥中上閥蓋與閥體的延伸，因此支座的法蘭部分可以參照閥體與上閥蓋的連接尺寸，支座的結(jié)構(gòu)可以近似為2個(gè)法蘭和1段鋼管的結(jié)合體。波紋管支座可以采用焊接的形式，也可以采用鑄造的形式。波紋管支座作為上閥蓋跟閥體的連接部分，在強(qiáng)度方面上，除了需要滿足承壓需求以外，還需要考慮上閥蓋和安裝在上面的執(zhí)行器及組件的質(zhì)量，以及執(zhí)行器開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的拉力和推力，在成本、強(qiáng)度、壽命三者之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。

3 波紋管的失效形式

波紋管作為波紋管調(diào)節(jié)閥的核心，其失效形式也是需要額外注意的。波紋管的失效形式可以分為4類，即扭轉(zhuǎn)失效、侵蝕失效、破壞失效和疲勞失效。

3.1 扭轉(zhuǎn)失效

在符合正常使用的條件下，波紋管扭轉(zhuǎn)造成的破損是波紋管失效的主要形式。隨著波紋管調(diào)節(jié)閥的開關(guān)，閥桿無法避免地在動(dòng)作過程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，由于執(zhí)行器、閥桿之間為固定連接，因此波紋管無法自動(dòng)轉(zhuǎn)回；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度超過波紋管承受極限時(shí)，則會(huì)造成波紋管扭死、粘連，此時(shí)波紋管再跟隨閥桿上下動(dòng)作時(shí)，會(huì)造成波紋管撕裂，導(dǎo)致泄漏。

扭轉(zhuǎn)失效有多種應(yīng)對(duì)方法，即可以增加波紋管厚度、層數(shù)以提升波紋管抗扭轉(zhuǎn)能力，但是成本較高。最經(jīng)濟(jì)有效的方法還是增加防轉(zhuǎn)部件，即在閥桿頂部、閥桿下部、波紋管焊接處之一添加防轉(zhuǎn)節(jié)或平鍵、銷孔，在對(duì)應(yīng)的連接部件、支座內(nèi)部設(shè)置配合防轉(zhuǎn)的肋板、鍵槽、通孔，以達(dá)到防止波紋管或者閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。該方案僅需要修改部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，容易實(shí)現(xiàn)，方案效果也較為明顯。

3.2 侵蝕失效

侵蝕失效是在波紋管工作過程中由于工藝介質(zhì)卡入或腐蝕波紋管造成的裂紋、撕裂、破損。侵蝕失效大多由介質(zhì)引起。由于波紋管工況需要應(yīng)用于嚴(yán)格控制外漏的場(chǎng)合，難免包含腐蝕性、氧化性高的介質(zhì)，為了保障波紋管動(dòng)作中的力學(xué)性能、彈性等，不會(huì)將波紋管做得很厚，這就導(dǎo)致波紋管在長久使用過程中波紋管薄壁被侵蝕穿透造成泄漏，導(dǎo)致安全事故發(fā)生。

圖2為波紋管維修件，圖3為侵蝕失效引起的泄漏照片[3]。

圖2 波紋管維修件

圖3 侵蝕失效引起的泄漏

侵蝕失效的起因?yàn)榻橘|(zhì)，但是金屬在厚度很薄的尺寸下的力學(xué)性能是固定的，因此只能通過更換更高強(qiáng)度、更耐腐蝕的材質(zhì)，提升波紋管層數(shù)，增加保護(hù)數(shù)量，被動(dòng)地提升波紋管的抗侵蝕能力，延長波紋管在惡劣工況下的使用壽命。

3.3 破壞失效

由于介質(zhì)中可能含有細(xì)小、堅(jiān)硬的顆粒，雜質(zhì)依附于波紋管表面，隨著閥門的動(dòng)作與波紋管的伸縮，波紋管的波與波之間的顆粒會(huì)被擠壓，而顆粒本身硬度很高，波紋管又較薄，很容易擠壓出凹坑、穿孔等物理破壞，造成泄漏。顆粒擠壓引起的泄漏照片見圖4，破壞失效導(dǎo)致的局部裂紋見圖5[3]。

圖4 顆粒擠壓引起的泄漏

圖5 破壞失效導(dǎo)致的局部裂紋

破壞失效的基礎(chǔ)是閥門開關(guān)動(dòng)作，介質(zhì)中的顆粒無法避免，阻止閥門開關(guān)又不切實(shí)際，因此只能提升波紋管本身的強(qiáng)度，提升材料的抗沖擊性和硬度，但這又會(huì)影響波紋管本身的力學(xué)性能，這是比較復(fù)雜的問題。根據(jù)近年來實(shí)際使用波紋管的情況，為這個(gè)問題帶來新的解決方法：由于波紋管的破壞失效是因?yàn)槭湛s時(shí)波與波之間產(chǎn)生擠壓，所以可從波紋管本身結(jié)構(gòu)入手。一種方法是改變波紋結(jié)構(gòu)，在波紋管收縮時(shí)使波與波之間形成一定角度和弧度，適當(dāng)增大波與波之間的節(jié)距；另一種方法是更改波紋管的拉壓行程，由原來的拉壓各占50%或拉70%壓30%改為拉100%壓0%的全拉伸波紋管結(jié)構(gòu)。這2種方法可以從根本上解決波與波之間的擠壓問題，使得這類結(jié)構(gòu)能夠使用在固體顆粒含量比較高的工況下。隨著波紋管廠家的研發(fā)和產(chǎn)品的迭代，這類波紋管也可以輕松訂購，為波紋管調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)帶來便利。

3.4 疲勞失效

疲勞失效是金屬材料的經(jīng)典失效形式，由于波紋管的薄壁特性，為波紋結(jié)構(gòu)帶來良好的力學(xué)性能，但也大幅度降低了波紋管的使用壽命，特別是波紋管拉伸比例過長的波紋管，使用壽命非常短。拉伸比例為波紋管的固有參數(shù)，波紋管的可拉伸長度會(huì)隨著波紋管的總長度而變化，目的是控制波紋管的拉伸比例，保證其在金屬強(qiáng)度以內(nèi)長期、可靠的動(dòng)作。全拉伸波紋管也是總長度延長的，因此不會(huì)因?yàn)槔毂壤^大造成波紋管壽命減短。圖6為波紋管橫截面，圖7為波峰處疲勞斷裂截面，圖8為波紋管側(cè)面疲勞斷裂截面[3-4]。

圖6 波紋管橫截面

圖7 波峰處疲勞斷裂截面

圖8 波紋管側(cè)面疲勞斷裂截面

疲勞失效大多集中于拉壓行程超出預(yù)定尺寸、往復(fù)拉伸次數(shù)較高的工況下。此時(shí)可以通過修改調(diào)節(jié)閥行程，為閥門設(shè)置行程限位，以減少波紋管變形量；采用多層、變形量小的波紋管，以減少波紋管在拉壓時(shí)的變形量等。由于疲勞強(qiáng)度為金屬的固有屬性，加上波紋管的壽命普遍偏短，因此也應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的易拆易修結(jié)構(gòu)，為后期波紋管維修提供便利。

4 結(jié)語

波紋管調(diào)節(jié)閥作為通用調(diào)節(jié)閥的密封進(jìn)階版，在成熟產(chǎn)品上設(shè)計(jì)僅需要考慮金屬波紋管的使用即可。筆者利用波紋管的不同失效形式，為設(shè)計(jì)者在開發(fā)后續(xù)產(chǎn)品時(shí)提供參考意見，建議將設(shè)計(jì)重心放在波紋管的使用上，既需要考慮整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，又需要考慮各種介質(zhì)的復(fù)雜工況，以力求波紋管的最大使用效果。

波紋管的加工工藝在進(jìn)步，作為設(shè)計(jì)者也需要進(jìn)步，波紋管的設(shè)計(jì)在滿足各種苛刻設(shè)計(jì)需求的同時(shí)，還需要兼顧波紋管強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)、外形與美觀、經(jīng)濟(jì)與效益，在成本、強(qiáng)度、壽命三者之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。