氣瓶閥外漏密封式結構設計

1.杜瓦瓶、氣瓶閥外漏密封方式結構設計

　　1.1填料式氣瓶閥

　　該閥閥腔介質(zhì)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(lái)實(shí)現的，有橡膠“O”形密封圈和填料函密封。由于填料函有老化問(wèn)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。

　　填料式結構根據閥頭組件的形式不同，有活瓣式、針形式、軸聯(lián)式和聯(lián)結式。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(wú)相對運動(dòng)（即旋轉運動(dòng)），閥口不易受損傷，材質(zhì)也為一軟一硬，故內密封更為可靠一些，壽命也可更長(cháng)一些。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(lái)調節的，一旦填料老化或泄漏，還可用壓緊壓蓋的方法來(lái)補救（此時(shí)關(guān)閉力矩自然要增大），而“O”形圈則無(wú)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。

　　1.2隔膜式氣瓶閥

　　該類(lèi)閥分彈簧式和無(wú)彈簧式兩種。

　　1.2.1彈簧式氣瓶閥

　　其工作原理（如圖1）所示，閥桿10通過(guò)壓塊9驅動(dòng)膜片8使閥頭組件與閥口關(guān)閉。當手輪左旋閥桿上升時(shí)，由于彈簧力，膜片自身彈力及氣瓶?jì)葔毫κ归y頭組件升起，閥門(mén)開(kāi)啟。該閥設計需注意的主要問(wèn)題是，閥件材質(zhì)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(zhì)多用316L不銹鋼，閥頭組件（如圖2）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(zhì)與其無(wú)相容性。

　　該閥使用中曾出現和存在的主要問(wèn)題是：

　?。?）彈簧設計力不夠或使用時(shí)間長(cháng)彈力下降，膜片不能復位，使閥門(mén)打不開(kāi)。

　?。?）塑料閥芯硬度不夠或與介質(zhì)相容，關(guān)閉后，使膜片超行程產(chǎn)生永久變形，使閥門(mén)打不開(kāi)。

　?。?）相關(guān)零件加工尺寸超差，使膜片超過(guò)允許的彈性變形范圍，產(chǎn)生永久變形，使閥門(mén)打不開(kāi)。

　?。?）閥件材質(zhì)選擇不當，產(chǎn)生的腐蝕污物將彈簧卡死，膜片不能復位，使閥門(mén)打不開(kāi)。如一用戶(hù)對HCl介質(zhì)選用304不銹鋼閥體，就曾出現過(guò)這一現象。

　?。?）充不進(jìn)氣現象。這是由于充氣壓力大于彈簧力（即背壓過(guò)大）而充氣操作時(shí)又先打開(kāi)了進(jìn)氣閥，后開(kāi)啟氣瓶閥所致。為此操作時(shí)必先開(kāi)啟氣瓶閥，后開(kāi)充氣閥，否則還很可能使膜片產(chǎn)生永久變形，使閥門(mén)打不開(kāi)。

　?。?）死區較大，痕氣很難用置換法吹洗干凈。

　?。?）由于是平面密封，如果有污物存于密封面，會(huì )產(chǎn)生泄漏，必須確保管道氣瓶閥腔干凈。

　　1.2.2無(wú)彈簧隔膜氣瓶閥

　　鑒于有彈簧式結構不時(shí)出現和存在各種問(wèn)題，雖大多為過(guò)失所為，但時(shí)刻令人擔憂(yōu)，故出現無(wú)彈簧結構方案，其又有提拉式和自啟式兩種。

　?。?）提拉式隔膜氣瓶閥

　　如圖（3）所示，其動(dòng)作原理是右旋閥桿，使聯(lián)桿帶動(dòng)與膜片連于一體的閥頭向下運動(dòng)將閥關(guān)閉，反之則開(kāi)啟。

　　該閥主要優(yōu)點(diǎn)是膜片不會(huì )產(chǎn)生永久變形，不會(huì )產(chǎn)生打不開(kāi)現象，開(kāi)啟可靠；行程較大，可達到膜片厚度的2倍。設計中主要問(wèn)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(dòng)，如采用內螺紋連接再焊死，焊接技術(shù)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(shí)踐問(wèn)題，必須多次實(shí)驗定型。如誤差過(guò)大，會(huì )影響其使用壽命；閥頭如采用平面密封，也易產(chǎn)生內漏（氣瓶、管道不潔時(shí)）。目前國內尚無(wú)該類(lèi)產(chǎn)品，國外雖有報道，但價(jià)格昂貴。國內一客戶(hù)在試用該產(chǎn)品中曾發(fā)生過(guò)當氣瓶加熱近100℃時(shí)，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(shuō)明閥門(mén)自身存在什么問(wèn)題，但卻告誡人們，選用者一定要將自己的使用工況向廠(chǎng)家講清楚，而廠(chǎng)家也應事先向用戶(hù)講明產(chǎn)品應用范圍及注意事項，否則后果將不堪設想。

　?。?）自啟式隔膜氣瓶閥

　　該閥動(dòng)作原理如圖（4）所示，右旋閥桿，通過(guò)壓塊使膜片直接關(guān)閉閥口，反之則靠膜片自身回彈力使閥開(kāi)啟。

　　該閥的優(yōu)點(diǎn)是：結構更為簡(jiǎn)單；內漏為線(xiàn)密封更為可靠；死區更??；因為是金屬對金屬密封，可用于高溫（曾在400℃高溫下做過(guò)試驗，性能良好）。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)次數的增加，密封面磨合更好，密封性能也更好，關(guān)閉力矩也會(huì )越用越小。

　　該閥研制中曾出現的問(wèn)題是：膜片行程選擇不當，產(chǎn)生永久變形；壓塊形狀及尺寸設計不當，使膜片產(chǎn)生永久變形，經(jīng)多次反復試驗才得以解決。在實(shí)際應用中進(jìn)行氣密性試驗時(shí)，由于工人誤操作，從出口打壓，當氣壓超過(guò)10MPa時(shí)，使膜片產(chǎn)生永久變形，閥門(mén)打不開(kāi)。故而在產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)中特別強調，在充氣壓力高于10MPa時(shí)，必先把氣瓶閥打開(kāi)再開(kāi)啟充氣系統的進(jìn)氣閥，否則會(huì )產(chǎn)生充不進(jìn)現象，甚至使膜片永久變形，使閥門(mén)打不開(kāi)。

　　1.2.3波紋管式氣瓶閥

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

　　2.隔膜閥中膜片設計

　　由于膜片是隔膜閥中起密封作用的關(guān)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(wèn)題。

　　2.1材質(zhì)選擇 　　對氣瓶閥而言，必選用金屬材質(zhì)，要求其能承受一定的拉伸應力；能產(chǎn)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(guò)壓的125%～150%進(jìn)行。為了確保其好的延展性，便于成形，要進(jìn)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(zhì)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L650）等。

　　2.2型面設計

　　2.2.1平膜片

　　其是一平面圓盤(pán)，其優(yōu)點(diǎn)是制造容易，成本低、互換性好。缺點(diǎn)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(guò)高（如H2）的場(chǎng)合。

　　2.2.2波紋膜片

　　波紋膜片是一個(gè)有波紋的圓盤(pán)。氣瓶閥多用單波紋形式，其有帶硬芯和無(wú)硬芯兩種。提拉式實(shí)際上是帶硬芯的一種，彈簧式及自啟式則是無(wú)硬芯式一種。波紋膜片形狀按標準正弦曲線(xiàn)進(jìn)行設計，由假定的波紋高度H和實(shí)際需要波距 可通過(guò)下式計算出半徑R、夾角H和波長(cháng)S，即θ

　　根據R、及S設計胎具。

　　為了保證膜片線(xiàn)性特性在1%內，在設計時(shí)常用的經(jīng)驗方法是使行程小于直徑的2%，如果線(xiàn)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(diǎn)是：

　?。?）在無(wú)永久變形情況下，總行程較大，可達到波高的2倍。

　?。?）在較大行程內其有效面積基本不變。

　?。?）疲勞壽命長(cháng)。

　?。?）線(xiàn)性特性好。在相同直徑和靈敏度情況下，波紋膜片直線(xiàn)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(diǎn)在拐點(diǎn)范圍內，都可確保其變形在線(xiàn)性范圍內，不會(huì )產(chǎn)生永久變形，平膜片則無(wú)此選擇。

　　2.2.3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(dòng)。

　　2.2.4膜片的制作

　　膜片成形胎具有兩種，一種是橡膠成形胎具，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(zhì)沒(méi)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，成形件易出現皺折。另一種為成形和沖切組合胎具，要求陰陽(yáng)膜胎具要有一定的強度，并且要鋒利，硬度更高，最好用硬質(zhì)合金。這一方法成品率高，目前多用之。