1 介紹

在化工、石油、醫(yī)藥和食品等工業(yè)部門中，控制、輸送介質(zhì)管路上的耐腐蝕調(diào)節(jié)閥一般都采用不銹鋼、搪瓷、硅鐵、陶瓷和聚四氟乙烯等耐腐蝕材料，玻璃鋼是近50多年來發(fā)展迅速的一種復合材料。玻璃鋼是以玻璃纖維作增強材料、合成樹脂作粘結(jié)劑的增強塑料。隨著我國玻璃鋼事業(yè)的發(fā)展，作為塑料基的增強材料，已由玻璃纖維擴大到碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維等。由于玻璃鋼相對其他材料具有更加優(yōu)良的耐化學介質(zhì)腐蝕性，玻璃鋼制管道和閥門已得到廣泛應用。一般的不銹鋼閥門在高溫鹽酸和酸堿交替條件下是不能使用的，在價格上玻璃鋼閥門只有相同尺寸不銹鋼閥門的1/3左右。

2 分析

目前國內(nèi)玻璃鋼球閥所用材料的基體樹脂大多采用改性酚醛樹脂，增強纖維一般都采用短切纖維。這樣的玻璃鋼球閥只能在PN 0.6MPa的工況下使用，大大限制了應用范圍，使玻璃鋼優(yōu)良的耐腐蝕性能得不到充分發(fā)揮。為了滿足各行業(yè)日益增長的閥門使用需求和各種嚴酷苛刻使用環(huán)境的需要，必須對現(xiàn)有玻璃鋼閥門的材料及制作工藝進行改進，使其適用于更高壓力范圍。本文首先對連續(xù)玻璃纖維增強玻璃鋼的材料力學性能進行試驗研究，在已知玻璃鋼材料性能參數(shù)的基礎(chǔ)上導出玻璃鋼球閥的設(shè)計要點。

3 球閥材料選用

目前國內(nèi)用于制造閥門的玻璃鋼基體材料主要以環(huán)氧和酚醛兩類樹脂（包括其改性品種，如，聚乙烯醇縮丁醛改性酚醛、二甲苯甲醛樹脂改性酚醛、環(huán)氧酚醛等）為主，聚酯玻璃鋼閥和改性呋喃樹脂玻璃鋼閥也有少量生產(chǎn)。作為增強材料的玻璃纖維也形式各異，但限于模壓成型工藝，主要采用短切纖維增強形式。短玻纖增強的復合材料性能不高，各種玻璃鋼閥的工作溫度上限一般為120～140，工作壓力為0.8～1.0MPa。這個工作壓力范圍僅相當于低壓區(qū)的工作壓力范圍。

本文介紹的球閥用玻璃鋼是采用連續(xù)玻璃纖維布作增強體，用乙烯基酯樹脂（Vinyl Ester Resins）作為基體材料的復合材料。連續(xù)玻璃纖維布增強的玻璃鋼具有抗沖擊強度好，蠕變小，耐熱性好，成型收縮小等優(yōu)點。與玻璃鋼管道應用條件相類似，乙烯基樹脂的耐溫、耐腐蝕和加工性能好，常應用于化工設(shè)備的防腐保護。而采用連續(xù)玻璃纖維布取代傳統(tǒng)的短切纖維作為增強材料可以大大提高玻璃鋼中玻璃纖維的百分含量和增強效果。玻璃纖維是玻璃鋼的主要承力部分，玻璃纖維含量的提高將意味著玻璃鋼整體力學性能的提升。

4 材料力學性能試驗

4.1 試驗材料

試驗用材料即復合材料厚板材由連續(xù)玻璃纖維增強乙烯基樹脂制成，纖維結(jié)構(gòu)形式與成型工藝過程與新型玻璃鋼球閥制作所采用的連續(xù)增強纖維結(jié)構(gòu)和成型工藝條件一致，纖維含量也相同。為了便于試驗確定面外（層間）加載條件下復合材料的性能，制作的原材料板材厚度為60mm。

4.2 試驗過程

根據(jù)標準要求的試驗用試樣的尺寸（表1、表2），制作了8組（每組5個）試樣。

表1 標準試樣尺寸參考值 mm

表2 實際試樣尺寸平均值 mm

將試樣固定在CSS電子萬能試驗機上，與負荷傳感器、控制器、功率放大器和計算機等連接共同工作。沿著面內(nèi)和面外兩個方向，分別切割5根試樣，共切割10根試樣。試驗在25℃環(huán)境下進行，每組試驗重復五次。

（1）拉伸試驗

試驗加載速度為1mm/min，記錄相應的位移-載荷曲線，同時面內(nèi)拉伸使用YJY-13B引伸計連接感應器，記錄對應的載荷-變形曲線。通過計算將記錄的載荷-變形曲線轉(zhuǎn)化為相應的應力-應變曲線，得到復合材料總體的拉伸彈性模量和拉伸強度。

（2）壓縮試驗

試驗加載速度為0.5mm/min，同時記錄相應的位移-載荷曲線。壓縮試驗加力端是一直徑為80mm的圓柱體，試樣置于圓柱體的中心，通過試驗機橫梁的上下移動實現(xiàn)對試樣加力。將記錄的載荷-變形曲線轉(zhuǎn)化為相應的應力-應變曲線后，得到復合材料的壓縮彈性模量和壓縮強度。

（3）彎曲試驗

試驗加載速度為1mm/min，試樣作為層合梁，進行橫向三點彎曲試驗，同時記錄相應的中心位移-載荷曲線。通過計算將記錄的載荷-變形曲線轉(zhuǎn)化為相應的應力-應變曲線，得到復合材料的彎曲彈性模量和彎曲強度。

（4）剪切試驗

加載速度為0.5mm/min，同時記錄相應的位移-載荷曲線。通過計算將記錄的載荷-變形曲線轉(zhuǎn)化為相應的應力-應變曲線，得到復合材料的剪切強度。

4.3 試驗結(jié)果

從試驗測得的連續(xù)纖維增強復合材料的面內(nèi)材料性能結(jié)果平均值（表3）可以看出，采用連續(xù)纖維增強的玻璃鋼的力學性能較用短切纖維增強的玻璃鋼有顯著的提升，面內(nèi)拉伸強度與短切纖維增強玻璃鋼拉伸強度相比，提高兩倍之多。這是由于作為玻璃鋼增強材料的纖維是玻璃鋼的主要承力部分，采用連續(xù)纖維增強以后，纖維的百分含量可高達70%，而短切纖維增強玻璃鋼的纖維含量僅有40%左右。當然，玻璃鋼的力學性能還和其他因素有關(guān)，比如樹脂的種類等。

表3 試驗結(jié)果平均值

5 球閥設(shè)計要點

5.1 球體設(shè)計

以PN=3.6MPa（按4MPa），DN=100mm的球閥（圖1）為例進行設(shè)計，球體半徑R=（0.8～0.95）DN=80～95mm，先取球體直徑為159mm。為保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后需校核球體最小直徑D_min。

式中

D_min——球體最小計算直徑，mm

D_2v——閥座密封環(huán)（圖2）外徑（D₂=112.8），mm

d——球體通道孔直徑（d=DN），mm

將各值代入式（1），則Dmin為150.7mm。所以，取球體直徑159mm滿足最小直徑校核要求。

圖1 球閥

圖2 球閥閥座

5.2 閥座設(shè)計

求出介質(zhì)內(nèi)壓p推動球體壓緊密封閥座的比壓，再利用閥座材料的壓縮強度條件，求出閥座密封環(huán)的外徑D₂。

式中

p——介質(zhì)內(nèi)壓（p=PN=3.6），MPa

q_s——聚四氟乙烯閥座許用比壓（q_s=15），MPa

將各值代入式（2），則D₂為112.8mm。根據(jù)標準FJB 061-74（適用于PN≤4.0 MPa，DN10～ 200mm的球閥密封圈）選取材料為尼龍或聚四氟乙烯的閥座結(jié)構(gòu)（表4）。

表4 閥座結(jié)構(gòu)尺寸mm

5.3 閥體設(shè)計

閥體設(shè)計項目主要是閥體壁厚t，將閥體簡化成受內(nèi)壓的短圓筒，則

式中

[σ]——材料的許用應力，MPa

[σ]=σ_L/k

σ_L——材料的抗拉極限（σ_L=180），MPa

k——安全系數(shù)（k=6）

將各值代入式（3），則t=10.34mm。考慮鑄造及鍛造偏差、工藝性和流體的腐蝕等因素，最終選取壁厚T為

式中

c——附加裕量（c=3），mm

將各值代入式（4），則T=13.34mm，取壁厚為14mm。

5.4 閥桿設(shè)計

閥桿是開閉閥門的主要零件，其主要載荷受扭矩作用。浮動球與閥桿連接設(shè)計時應滿足傳遞足夠的扭矩和保證球體相對于閥桿有一定的活動性這兩個基本要求，以利于密封。閥桿與球體采用正方形頭連接，閥桿插入球體的深度h為

式中

M_T1——球體與閥座的摩擦力矩，Nmm

a——閥桿方頭的邊長，mm

[σ_c]——球體材料許用擠壓強度，取抗壓強度的80%，MPa

部件中a和h尺寸比例應選的適當。最好比例是當零件受擠壓和扭曲時，按等強度條件選取，即

式中

[σ_c]——球體材料許用擠壓應力，MPa

[τ_N]——材料的許用扭轉(zhuǎn)應力，MPa

經(jīng)試驗，閥桿采用鋼制內(nèi)芯外包3mm左右的玻璃鋼，既能減小尺寸滿足扭轉(zhuǎn)強度的要求，又可以保證閥桿不受介質(zhì)腐蝕，使用效果良好。

6 結(jié)語

通過改進玻璃鋼的材料組成和制作工藝，提升了玻璃鋼的整體力學性能，克服了短切玻璃纖維增強玻璃鋼脆性大的缺點。經(jīng)殼體試驗，按PN 0.6MPa設(shè)計的玻璃鋼球閥至少可以在PN 2.5MPa的工況下安全使用。拓寬了玻璃鋼球閥的使用范圍，使玻璃鋼球閥的耐腐蝕性能得以充分發(fā)揮。，減少因為腐蝕是閥門使用壽命短的問題。