复合材料在工业阀门中的应用

 

　　复合材料技术已经从最初用于汽车、航空和一级方程式领域拓展到更广泛工业的市场，在工业阀门领域我们同样可以看到这种应用的拓展。作为数十年来工业阀门领域最重大的进展之一，泰科流体控制最近发布了采用复合材料阀体和阀板-阀杆组件的系列工业用阀。泰科特种用途阀门产品经理Rene van der Gaag介绍了复合材料在阀门领域的开发应用所带来的效益。

　　随着聚合物技术的发展，一系列热固性和热塑性复合材料不断开发出来，它们具备良好的机械性能、化学性能和物理性能，因而可以做成多种替代组件广泛用于工业应用中。复合材料的采用给组件的设计、性能、成本和可持续性带来了很大的影响，而这些方面也随之推动了流体控制阀门技术的发展。

　　例如，泰科Keystone Composeal®系列蝶阀采用了复合材料阀体和阀板-阀杆组件。这些材料对工艺介质能够表现出良好的耐化学性能，并且具备优异的外部耐腐蚀性能，而且重量有所减轻，同时，与采用传统材料的产品相比，价格也更具竞争力。此类产品非常适用于食品、酿造、工业水处理(包括高温海水、去离子水和盐水)以及集装箱等众多应用领域。

　　阀座和阀杆设计满足快速安装和优化检修过程的需要

　　泰科流体控制与其合作伙伴研究出由两种热塑性塑料形成的复合材料作为阀门材料基质的技术，这种材料具备优异的设计灵活性(如提高阀杆和阀板的设计)。因而，Composeal系列设计成了一体化的阀板-阀杆，最大程度地消除了阀板和阀杆之间的滞后反应。这使得阀门能够更好的适应调节和开/关作业，确保阀杆保持干燥状态，避免了阀杆和阀板之间的间隙腐蚀。

　　通过采用创新设计与现有压模制造的结合，一体化的阀板-阀杆拥有了较薄的外形，从而带来了高Kv/Cv值。无金属部件与介质相接触的情况，尽管已采用干轴式设计，但阀杆仍标纯采用1.4057型不锈钢做成，以确保其适应于腐蚀性环境。阀板自身具备平滑曲线，无螺纹，防止了污物的累积。

　　另外，双D形的阀杆设计，即使是在管道内安装阀门，也能对阀板的定位进行清晰的目视检查，4个定位孔与PN 6/10/16 和 ANSI 150兼容，可确保管道法兰之间进行完美的轴心定位。

　　同时，拥有专利的阀体分叉设计使阀门的密封性能具备更明显的优势。密封本身特别有效的原因在于它拥有两个独立的密封区域，而且阀座固定在阀体间，因而，阀门可用于真空条件。真空通常由很高的线速度产生(例如，在加料站、卸料站或压载箱)。阀板的阻碍作用形成较高的线速度，并因此导致阀门压力有可能降至大气压力以下。得益于CompoSeal专利的阀座保持设计，这种阀门可以应对高达12 m/sec的线速度。

　　阀门的密封通过球形的阀板与阀座直径之间的正过盈配合达成。阀座的厚度根据保持与正过盈之间的最优平衡确定。阀杆的密封基于两种密封机制：a)通过盘毂和阀座突出部之间的过盈配合;b)阀杆的直径大于杆孔直径而产生二次轴密封。

　　新材料带来新思路

　　复合材料由于其自身具备的灵活性因而可以达成各种不同的设计。在CompoSeal®系列阀门产品中，可以通过去除不必要的材料，在阀体部分形成空心部件段。通过不再将分叉处布置在(金属弹性阀座蝶阀常见的)3点钟和9点钟方向，而布置成与管路部分正交的方向而使设计得以优化。

　　虽然当前市场上的一些塑料阀的设计已经设置了空心部分，然而这些部分处于阀体外层，会导致污物存积。通过将阀体分叉部分沿正交方向布置可避免这种情况。 CompoSeal®系列阀门的设计，采用了两个以卡扣方式结合的完全相同的阀体部分以及创新的阀体连接方式和阀座保持设计，已获得专利权。

　　当然，这一系列的阀门的设计是纳入现有的法规监管框架中，并符合适合的工业设计标准和规范的，如ISO, EN, API, PED和EnEV。而且，考虑到市场定位，通过毒性要求和产品要求的认证以符合常用的水务标准，这一点特别重要。

　　为获得最佳性能组合，CompoSeal阀体的成分与阀板的材料略有不同，并且较大阀体(DN 200及以上)的材料组成又会出现变化以优化屈服强度和延伸率之间的平衡。

　　另一个主要优势在于，因为复合材料具备的机械性能，完全可以按照工业阀门厚度标准EN 558-1 series 20设计阀门。这就使得CompoSeal系列阀门可以替代标准钢制和铁质的阀门。多数塑料阀门是基于非标准厚度尺寸做成，因为这种材料强度相对差一些，需要更多的空间使其适用于10 bar的工况。

　　一种可持续选择

　　复合材料在工程设计领域更广泛的使用，非常符合当前工业组织提出的可持续发展政策。它可以减少对于金属原材料的依赖，而且，复合材料具备的强度、轻质和低热导性等性能特征极大地节约了用于制造、运输和应用上的能源消耗。

　　最近几年，和其它一些行业一样，传统阀门结构的原材料(铁、不锈钢和合金)价格飙升，同时，劳动力成本也不断上涨，因而非关键的制造工艺逐渐开始重新定位。如今，复合材料在尖端技术方面获得应用，这意味着它们的性能已被更好的了解，并且工程公司对它们的性能充满信心，准备更广泛的使用这些复合材料。欧洲正在迅速成长为这个领域的技术中心。

　　从一个特殊的例子(角行程工业蝶阀)可以看出，复合物改良的机械性能和化学及物理性能确保了它们具备堪比甚至超越金属阀座的卓越性能，此外，重量也能得以减轻并且耐腐蚀性能也更好。

　　实际上，从拉伸强度、延伸率和弹性模量等重要特性的试验结果来看，复合材料(在加固以前)用于阀门结构所表现出来的性能更接近于传统的阀门材料，而不是时常被误以为的常规的塑料。

　　轻质、耐腐蚀和热绝缘性能

　　选用复合材料之类的轻质材料将会受益良多。在阀门的应用方面，当进行典型的工艺安装时，我们可以通过减少结构管线支撑的数量来实现减重，特别是连接至塑料罐体或管道时，这也使得阀门可以适用于塑料管线。此外还可以获得更多益处，包括从生产工厂到安装地点之间的运输过程中燃料消耗成本的降低，以及安装成本的降低。 耐化学品性能和隔热性能

　　总体而言，所选材料的耐化学性能可与不锈钢相媲美。相比而言，具体哪种材料性能更好取决于涉及到的应用领域。CompoSeal系列采用具有高中范围的耐化学性的复合材料，在苛刻的或腐蚀性的条件下表现出优异的性能。另外，因其具备的耐腐蚀性能不需附加保护层或涂层(这些保护层或涂层可能会受到冲击破坏)，在其使用寿命期间维护方面的技术要求也随之降低。

　　得益于复合材料的低热导性能和内部加强的空心阀体部分的存在，减少了过程热损耗，因而不需配备隔热材料、伴热或阀门夹套。另外，低热导率也降低了由于热损耗导致的过程冻结或流动问题的风险。

　　压力和温度运行范围

　　虽然同为聚合材料，复合材料的温度和压力额定值远超常见阀门的塑料聚合材料。在较高的温度范围(40℃~120℃)和较低的温度范围(-10℃~-40℃)，和普通的塑料阀门材料相比，复合材料都表现出明显的性能优势。

　　可持续的生产理念

　　热塑材料具有多次重新利用的优势。它们可以加热、熔融、喷面和重新硬化后进行再次利用，虽然这样会使其高温条件下的适用性变差，但在21世纪可持续问题日益重要的条件下仍不失为一大优势。复合材料还有其它一些可持续性能优势：

　　无需采用涂层。因为基础材料固有的耐化学性能，无需采用涂层或溶剂，从而减少了弃置材料的数量。

　　最大限度减少了装配过程需要的劳动量。低成本生产的阀门如果运到长距离的终端市场，就不再有经济方面的优势，因而减少长途运输非常必要。

　　高效运用复合材料。FEA(Final Element Analysis，最终要素分析)软件用于评价最优化的阀肋配置方案，使得阀体具备高强度的同时仍然轻质。

　　近年来，复合材料已经取得长足的进步，如今已经广泛应用于汽车、航空和其它尖端科技领域。得益于其改良的机械性能以及化学和物理性能，复合材料阀门具备与传统的金属弹性阀座蝶阀相媲美的性能。另外，随着铁、不锈钢和金属合金价格的上扬，复合材料阀门已具备明显的成本优势。

　　阀门的最终性能很大程度上决定于其设计简化，复合材料的优势之一就在于它能够将多个组件和功能集成到一个部件上。