Sello y cálculo de la fuerza de sellado de válvulas de bola de metal de aleación de titanio

La esfera y el asiento de la válvula del válvula de bola Generalmente están hechos de aleación de titanio debido a las características de proceso del dispositivo PTA, como alta temperatura, alta presión y corrosión, y se adopta un sello duro de metal. Para evitar que se atasque el metal, se requiere que haya una cierta diferencia de dureza entre la superficie de contacto deslizante de metal de la bola y el asiento de la válvula. En la producción y operación reales, la diferencia de dureza entre la bola y el asiento de la válvula es generalmente entre 5 y 10HRC para garantizar que la válvula de bola tenga una larga vida útil. Comparado con con el asiento de la válvula, la tecnología de procesamiento de la esfera es más complicada y el costo de procesamiento es relativamente alto. Por lo tanto, desde la perspectiva de la economía, la dureza superficial de la esfera debe ser mayor que la del asiento de la válvula.

Asegurarse de que la fricción entre la válvula de bola sellada dura de aleación de titanio y el par de sellado del asiento de la válvula no provoque desgaste ni rayones en el proceso de apertura y cierre de la bola es la clave para estudiar este tipo de válvula. La dureza superficial y la resistencia al desgaste de las bolas de aleación de titanio y las superficies de sellado del asiento de la válvula suelen mejorarse mediante un tratamiento de endurecimiento superficial. A diferencia de las piezas de acero, el tratamiento superficial de las piezas de aleación de titanio es relativamente sencillo y se requiere que la capa endurecida superficial tenga las características de resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas y resistencia al desgaste. En la actualidad, la principal tecnología de proceso utilizada en China es el proceso compuesto de nitruración más TiN, pero el proceso actual es relativamente inestable y es probable que se produzcan caídas y arañazos en la capa endurecida durante la apertura y cierre de la válvula de bola. Para asegurar que la capa endurecida no se dañe en el proceso de apertura y cierre de la válvula de bola y asegurar un buen sellado, es necesario calcular y analizar la presión específica del sello para obtener la presión específica mínima para un sellado efectivo. La estructura de sellado de la válvula de bola de aleación de titanio sellada dura de un tamaño de 10 pulgadas y una presión de 300Lb se analiza a modo de ejemplo, y la presión específica del sellado se calcula en este artículo.

1. El diseño de la estructura de sellado
Se adopta una bola de muñón para válvulas de bola de sellado duro de aleación de titanio con un tamaño de 10 pulgadas y una presión de 300Lb. El asiento de la válvula y la esfera están hechos de aleación de titanio, y el par de sellado adopta el tratamiento de endurecimiento de la superficie para mejorar su resistencia al desgaste y dureza de la superficie. La estructura de sellado está compuesta principalmente de bolas, asientos de válvulas, juntas tóricas, anillos de sellado de grafito y resortes de disco, y la estructura se muestra en la Figura 1. La superficie de sellado del asiento de la válvula está diseñada con una estructura raspadora, y las impurezas o partículas en la superficie de la esfera se pueden raspar durante la rotación de la esfera. El sellado de baja presión del asiento de la válvula de bola se logra mediante la fuerza de preapriete proporcionada por el muelle de dis. Cuando el medio fluye, bajo la acción combinada de la presión media y la fuerza de apriete previa del resorte del disco, el asiento de la válvula se empuja hacia la bola para lograr un sellado confiable entre la bola y el asiento de la válvula.


Figura 1 El diagrama esquemático de la estructura de sellado

2. Cálculo de la fuerza de sellado


Figura 2 El diagrama esquemático de la estructura y las dimensiones de los asientos de las válvulas 

La fuerza de sellado Q y la fuerza Q0 generada por la presión del fluido sobre la superficie de sellado del asiento de la válvula se calculan según la siguiente fórmula:
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En la fórmula, Q es la fuerza de sellado de la válvula de bola de muñón. Q0 es la fuerza generada por la presión del fluido sobre la superficie de sellado del asiento de la válvula. Q1 es la fuerza de preapriete del resorte del disco. QMJ es la fuerza de la presión hidrostática sobre la superficie de sellado del asiento. QJ es la fuerza de la presión hidrostática en el espacio libre de la superficie de sellado del asiento de la válvula.

La fórmula para calcular la fuerza QMJ de la presión hidrostática sobre la superficie de sellado del asiento de la válvula es la siguiente:

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La fórmula para calcular la fuerza QJ de la presión hidrostática en la holgura de la superficie de sellado del asiento de la válvula es la siguiente:

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La fórmula de cálculo de la fuerza de apriete del muelle de disco Q1 es la siguiente:

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El cálculo de la presión específica de sellado se calcula según la siguiente fórmula:

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En la fórmula, q es la presión específica calculada de la superficie de sellado. Qmin es la presión específica mínima de precarga. P es la presión de diseño. DMW es el diámetro exterior de la superficie de sellado del asiento. DMN es el diámetro interior de la superficie de sellado del asiento. DJH es el diámetro exterior del pistón del sello del asiento.

De acuerdo con el manual de diseño, la presión específica calculada de la superficie de sellado de la válvula de bola debe cumplir las siguientes condiciones:

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En la fórmula, q es la presión específica permitida de la superficie de sellado. Ver tabla 1 para los valores. qMF es la presión específica necesaria de la superficie de sellado.

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Tabla 1 La presión específica permitida de la superficie de sellado

 
No hay ningún valor de prueba relevante para la presión específica permitida de la aleación de titanio en el manual de diseño. La dureza de la capa endurecida del asiento de la válvula de bola de sellado duro de aleación de titanio estudiada en este artículo puede alcanzar 1000HV. Por lo tanto, la presión específica permitida se refiere al valor del acero nitrurado, y los datos de diseño relevantes de la válvula de bola de muñón sellada dura de aleación de titanio con un tamaño de 10 pulgadas y la presión de 300Lb se calculan mediante la fórmula anterior; la presión específica calculada de la superficie de sellado es de 22MPa, que cumple con los requisitos de la fórmula (7).