復(fù)合材料在工業(yè)閥門中的應(yīng)用 - 全文

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　　復(fù)合材料技術(shù)已經(jīng)從最初用于汽車、航空和一級(jí)方程式領(lǐng)域拓展到更廣泛工業(yè)的市場(chǎng)，在工業(yè)閥門領(lǐng)域我們同樣可以看到這種應(yīng)用的拓展。作為數(shù)十年來工業(yè)閥門領(lǐng)域最重大的進(jìn)展之一，泰科流體控制最近發(fā)布了采用復(fù)合材料閥體和閥板-閥桿組件的系列工業(yè)用閥。泰科特種用途閥門產(chǎn)品經(jīng)理Rene van der Gaag介紹了復(fù)合材料在閥門領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用所帶來的效益。

　　隨著聚合物技術(shù)的發(fā)展，一系列熱固性和熱塑性復(fù)合材料不斷開發(fā)出來，它們具備良好的機(jī)械性能、化學(xué)性能和物理性能，因而可以做成多種替代組件廣泛用于工業(yè)應(yīng)用中。復(fù)合材料的采用給組件的設(shè)計(jì)、性能、成本和可持續(xù)性帶來了很大的影響，而這些方面也隨之推動(dòng)了流體控制閥門技術(shù)的發(fā)展。

　　例如，泰科Keystone Composeal?系列蝶閥采用了復(fù)合材料閥體和閥板-閥桿組件。這些材料對(duì)工藝介質(zhì)能夠表現(xiàn)出良好的耐化學(xué)性能，并且具備優(yōu)異的外部耐腐蝕性能，而且重量有所減輕，同時(shí)，與采用傳統(tǒng)材料的產(chǎn)品相比，價(jià)格也更具競(jìng)爭(zhēng)力。此類產(chǎn)品非常適用于食品、釀造、工業(yè)水處理(包括高溫海水、去離子水和鹽水)以及集裝箱等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。

　　閥座和閥桿設(shè)計(jì)滿足快速安裝和優(yōu)化檢修過程的需要

　　泰科流體控制與其合作伙伴研究出由兩種熱塑性塑料形成的復(fù)合材料作為閥門材料基質(zhì)的技術(shù)，這種材料具備優(yōu)異的設(shè)計(jì)靈活性(如提高閥桿和閥板的設(shè)計(jì))。因而，Composeal系列設(shè)計(jì)成了一體化的閥板-閥桿，最大程度地消除了閥板和閥桿之間的滯后反應(yīng)。這使得閥門能夠更好的適應(yīng)調(diào)節(jié)和開/關(guān)作業(yè)，確保閥桿保持干燥狀態(tài)，避免了閥桿和閥板之間的間隙腐蝕。

　　通過采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)與現(xiàn)有壓模制造的結(jié)合，一體化的閥板-閥桿擁有了較薄的外形，從而帶來了高Kv/Cv值。無金屬部件與介質(zhì)相接觸的情況，盡管已采用干軸式設(shè)計(jì)，但閥桿仍標(biāo)純采用1.4057型不銹鋼做成，以確保其適應(yīng)于腐蝕性環(huán)境。閥板自身具備平滑曲線，無螺紋，防止了污物的累積。

　　另外，雙D形的閥桿設(shè)計(jì)，即使是在管道內(nèi)安裝閥門，也能對(duì)閥板的定位進(jìn)行清晰的目視檢查，4個(gè)定位孔與PN 6/10/16 和 ANSI 150兼容，可確保管道法蘭之間進(jìn)行完美的軸心定位。

　　同時(shí)，擁有專利的閥體分叉設(shè)計(jì)使閥門的密封性能具備更明顯的優(yōu)勢(shì)。密封本身特別有效的原因在于它擁有兩個(gè)獨(dú)立的密封區(qū)域，而且閥座固定在閥體間，因而，閥門可用于真空條件。真空通常由很高的線速度產(chǎn)生(例如，在加料站、卸料站或壓載箱)。閥板的阻礙作用形成較高的線速度，并因此導(dǎo)致閥門壓力有可能降至大氣壓力以下。得益于CompoSeal專利的閥座保持設(shè)計(jì)，這種閥門可以應(yīng)對(duì)高達(dá)12 m/sec的線速度。

　　閥門的密封通過球形的閥板與閥座直徑之間的正過盈配合達(dá)成。閥座的厚度根據(jù)保持與正過盈之間的最優(yōu)平衡確定。閥桿的密封基于兩種密封機(jī)制：a)通過盤轂和閥座突出部之間的過盈配合;b)閥桿的直徑大于桿孔直徑而產(chǎn)生二次軸密封。

　　新材料帶來新思路

　　復(fù)合材料由于其自身具備的靈活性因而可以達(dá)成各種不同的設(shè)計(jì)。在CompoSeal?系列閥門產(chǎn)品中，可以通過去除不必要的材料，在閥體部分形成空心部件段。通過不再將分叉處布置在(金屬?gòu)椥蚤y座蝶閥常見的)3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘方向，而布置成與管路部分正交的方向而使設(shè)計(jì)得以優(yōu)化。

　　雖然當(dāng)前市場(chǎng)上的一些塑料閥的設(shè)計(jì)已經(jīng)設(shè)置了空心部分，然而這些部分處于閥體外層，會(huì)導(dǎo)致污物存積。通過將閥體分叉部分沿正交方向布置可避免這種情況。 CompoSeal?系列閥門的設(shè)計(jì)，采用了兩個(gè)以卡扣方式結(jié)合的完全相同的閥體部分以及創(chuàng)新的閥體連接方式和閥座保持設(shè)計(jì)，已獲得專利權(quán)。

　　當(dāng)然，這一系列的閥門的設(shè)計(jì)是納入現(xiàn)有的法規(guī)監(jiān)管框架中，并符合適合的工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的，如ISO, EN, API, PED和EnEV。而且，考慮到市場(chǎng)定位，通過毒性要求和產(chǎn)品要求的認(rèn)證以符合常用的水務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，這一點(diǎn)特別重要。

　　為獲得最佳性能組合，CompoSeal閥體的成分與閥板的材料略有不同，并且較大閥體(DN 200及以上)的材料組成又會(huì)出現(xiàn)變化以優(yōu)化屈服強(qiáng)度和延伸率之間的平衡。

　　另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于，因?yàn)閺?fù)合材料具備的機(jī)械性能，完全可以按照工業(yè)閥門厚度標(biāo)準(zhǔn)EN 558-1 series 20設(shè)計(jì)閥門。這就使得CompoSeal系列閥門可以替代標(biāo)準(zhǔn)鋼制和鐵質(zhì)的閥門。多數(shù)塑料閥門是基于非標(biāo)準(zhǔn)厚度尺寸做成，因?yàn)檫@種材料強(qiáng)度相對(duì)差一些，需要更多的空間使其適用于10 bar的工況。

　　一種可持續(xù)選擇

　　復(fù)合材料在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域更廣泛的使用，非常符合當(dāng)前工業(yè)組織提出的可持續(xù)發(fā)展政策。它可以減少對(duì)于金屬原材料的依賴，而且，復(fù)合材料具備的強(qiáng)度、輕質(zhì)和低熱導(dǎo)性等性能特征極大地節(jié)約了用于制造、運(yùn)輸和應(yīng)用上的能源消耗。

　　最近幾年，和其它一些行業(yè)一樣，傳統(tǒng)閥門結(jié)構(gòu)的原材料(鐵、不銹鋼和合金)價(jià)格飆升，同時(shí)，勞動(dòng)力成本也不斷上漲，因而非關(guān)鍵的制造工藝逐漸開始重新定位。如今，復(fù)合材料在尖端技術(shù)方面獲得應(yīng)用，這意味著它們的性能已被更好的了解，并且工程公司對(duì)它們的性能充滿信心，準(zhǔn)備更廣泛的使用這些復(fù)合材料。歐洲正在迅速成長(zhǎng)為這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)中心。

　　從一個(gè)特殊的例子(角行程工業(yè)蝶閥)可以看出，復(fù)合物改良的機(jī)械性能和化學(xué)及物理性能確保了它們具備堪比甚至超越金屬閥座的卓越性能，此外，重量也能得以減輕并且耐腐蝕性能也更好。

　　實(shí)際上，從拉伸強(qiáng)度、延伸率和彈性模量等重要特性的試驗(yàn)結(jié)果來看，復(fù)合材料(在加固以前)用于閥門結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的性能更接近于傳統(tǒng)的閥門材料，而不是時(shí)常被誤以為的常規(guī)的塑料。

　　輕質(zhì)、耐腐蝕和熱絕緣性能

　　選用復(fù)合材料之類的輕質(zhì)材料將會(huì)受益良多。在閥門的應(yīng)用方面，當(dāng)進(jìn)行典型的工藝安裝時(shí)，我們可以通過減少結(jié)構(gòu)管線支撐的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)減重，特別是連接至塑料罐體或管道時(shí)，這也使得閥門可以適用于塑料管線。此外還可以獲得更多益處，包括從生產(chǎn)工廠到安裝地點(diǎn)之間的運(yùn)輸過程中燃料消耗成本的降低，以及安裝成本的降低。 耐化學(xué)品性能和隔熱性能

　　總體而言，所選材料的耐化學(xué)性能可與不銹鋼相媲美。相比而言，具體哪種材料性能更好取決于涉及到的應(yīng)用領(lǐng)域。CompoSeal系列采用具有高中范圍的耐化學(xué)性的復(fù)合材料，在苛刻的或腐蝕性的條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。另外，因其具備的耐腐蝕性能不需附加保護(hù)層或涂層(這些保護(hù)層或涂層可能會(huì)受到?jīng)_擊破壞)，在其使用壽命期間維護(hù)方面的技術(shù)要求也隨之降低。

　　得益于復(fù)合材料的低熱導(dǎo)性能和內(nèi)部加強(qiáng)的空心閥體部分的存在，減少了過程熱損耗，因而不需配備隔熱材料、伴熱或閥門夾套。另外，低熱導(dǎo)率也降低了由于熱損耗導(dǎo)致的過程凍結(jié)或流動(dòng)問題的風(fēng)險(xiǎn)。

　　壓力和溫度運(yùn)行范圍

　　雖然同為聚合材料，復(fù)合材料的溫度和壓力額定值遠(yuǎn)超常見閥門的塑料聚合材料。在較高的溫度范圍(40℃~120℃)和較低的溫度范圍(-10℃~-40℃)，和普通的塑料閥門材料相比，復(fù)合材料都表現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

　　可持續(xù)的生產(chǎn)理念

　　熱塑材料具有多次重新利用的優(yōu)勢(shì)。它們可以加熱、熔融、噴面和重新硬化后進(jìn)行再次利用，雖然這樣會(huì)使其高溫條件下的適用性變差，但在21世紀(jì)可持續(xù)問題日益重要的條件下仍不失為一大優(yōu)勢(shì)。復(fù)合材料還有其它一些可持續(xù)性能優(yōu)勢(shì)：

　　無需采用涂層。因?yàn)榛A(chǔ)材料固有的耐化學(xué)性能，無需采用涂層或溶劑，從而減少了棄置材料的數(shù)量。

　　最大限度減少了裝配過程需要的勞動(dòng)量。低成本生產(chǎn)的閥門如果運(yùn)到長(zhǎng)距離的終端市場(chǎng)，就不再有經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，因而減少長(zhǎng)途運(yùn)輸非常必要。

　　高效運(yùn)用復(fù)合材料。FEA(Final Element Analysis，最終要素分析)軟件用于評(píng)價(jià)最優(yōu)化的閥肋配置方案，使得閥體具備高強(qiáng)度的同時(shí)仍然輕質(zhì)。

　　近年來，復(fù)合材料已經(jīng)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、航空和其它尖端科技領(lǐng)域。得益于其改良的機(jī)械性能以及化學(xué)和物理性能，復(fù)合材料閥門具備與傳統(tǒng)的金屬?gòu)椥蚤y座蝶閥相媲美的性能。另外，隨著鐵、不銹鋼和金屬合金價(jià)格的上揚(yáng)，復(fù)合材料閥門已具備明顯的成本優(yōu)勢(shì)。

　　閥門的最終性能很大程度上決定于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)之一就在于它能夠?qū)⒍鄠€(gè)組件和功能集成到一個(gè)部件上。