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关于高温硬密封球阀密封结构研究

1 介绍

调节球阀由于具有流体阻力小、操作方便、启闭迅速、密封性好和可靠性高等特点,在石油化工、长输管线及城市供暖等行业得到了广泛地应用。阀座材料采用聚四氟乙烯(或填充聚四氟乙烯)的称为软密封球阀,其使用温度不超过200℃。阀座材料采用金属制作的称为硬密封球阀或高温球阀,其使用温度高于250℃。近年来为了满足高温工况的需要,国内外球阀生产企业通过优化高温球阀密封结构,使其启闭扭矩明显降低,使用寿命大大延长,操作性能显著提高。

2 球阀硬密封结构

2.1 密封特点

高温球阀的密封特点主要是采用金属密封副,其优点是适用温度范围广,各种金属的热膨胀系数相差不大,只要选用得当,可以达到基本一致,有利于协调温差变形。缺点是材料硬度高,达到密封所必须的比压高,即使采用预紧力达到密封,但因密封比压大,阀座和球体之间的磨损也很大,而且由于金属密封面摩擦系数较大,导致球阀的启闭力矩较大。因此,高温球阀大多采用弹性密封副,其性能可靠,弹性补偿能力强,适用温度范围广,并对浮动球球阀和固定球球阀都适用。

高温球阀在预紧力和流体压力的作用下,阀座与球体压紧,使阀座密封面产生变形而达到密封。其密封效果取决于阀座在流体压力和预紧力的作用下,能够补偿球体不圆度和微观不平度的程度。因此,阀座与球体之间必须具有足够大的密封比压qb,且应满足

式中

qb ———保证调节阀密封的必须比压,MPa

q ———阀门工作时的实际比压,MPa

[q]———阀座材料的许用比压,MPa

2.2 结构分析

(1)浮动球球阀密封结构

1 阀体 2 球体 3 阀杆 4 密封圈 5 阀座

图1 对称阀座高温球阀

图1所示硬密封高温球阀由阀体、球体、阀杆、金属阀座及阀座与阀体间的柔性石墨密封圈组成。两个阀座以阀杆轴心为对称中心嵌入阀体,阀座可在阀体嵌入槽中滑动,阀座与阀体之间的密封靠柔性石墨密封圈来实现。由于柔性石墨密封圈可压缩变形,该结构球阀在一定温度范围内使用不会因球体受热膨胀卡住不能动作,此结构硬密封球阀可用于温度不超过343℃的工况。

1 密封圈 2 阀座 3 阀体 4 球体 5 阀杆 6 压环 7 金属弹性圈 8 密封垫

图2 金属弹性圈高温球阀

图2所示高温球阀用金属弹性圈作阀座密封圈,用来补偿温差、压力和磨损等外界条件变化对球阀密封性能影响。该阀由阀体、球体、阀杆、金属阀座、阀座与阀体间的柔性石墨密封圈、金属弹性圈、金属弹性圈压环及密封垫组成。两个阀座一个为可在阀体嵌入槽中滑动的金属阀座,另一个为可变形的金属弹性圈阀座。该结构球阀在球体受热膨胀时金属弹性圈阀座可变形,使球体不致卡住不能动作。


1 阀体 2 密封圈 3 阀后阀座 4 球体 5 阀杆 6 阀前阀座 7 密封圈 8 压环 9 碟形弹簧

图3 碟形弹簧如加载高温球阀结构

图3所示高温球阀使用碟形弹簧加载密封副结构。该阀由阀体、球体、阀杆、阀后阀座、阀后阀座密封圈、阀前阀座、阀前阀座密封圈、压环及碟形弹簧等组成。阀前阀座、阀前阀座密封圈、压环为一组件,碟形弹簧压在组件上。球阀装配后碟形弹簧受压,它一方面为阀门密封提供初始力,另一方面压缩阀座和阀体间的密封圈,使阀座和阀体间密封。该结构球阀两个阀座以阀杆轴心为对称中心嵌入阀体,阀座可在阀体嵌入槽中滑动,在球体受热膨胀时阀座组件滑动,碟形弹簧受压变形,避免球体卡住不能动作。

1 阀体 2 碟形弹簧 3 阀前阀座 4 球体 5 阀杆 6 阀后阀座 7 密封圈

图4 新型高温球阀

图4所示是某国外阀门企业推出的一种硬密封高温球阀,该阀由阀体、球体、阀杆、阀前阀座、碟形弹簧、阀后阀座、阀后阀座与阀体间的柔性石墨密封圈等组成。球阀阀后阀座通过螺纹直接旋入阀体并压缩柔性石墨密封圈,使阀后阀座和阀体间密封不再依靠碟形弹簧压缩柔性石墨密封圈来保证阀座和阀体间的密封。球阀阀前阀座径向与阀体间有间隙,在球体受热膨胀时阀前阀座可在阀体槽中自由滑动,压缩碟形弹簧变形,使球体避免卡住不能动作。

(2)固定球球阀

1 阀体 2 弹簧 3 压板 4 阀座 5 密封圈 6 上阀杆 7 球体 8 下阀杆

图5 固定球式高温球阀

图5所示高温球阀常用在某些高参数工况下。该阀主要由阀体、球体、阀座、上阀杆、下阀杆、螺旋弹簧、压板、阀座与阀体间密封圈组成。球体由上、下阀杆支撑定位,在介质压力作用时,球体无阀体轴线方向的位移。两阀座可在阀体槽中滑动,当球体受热膨胀时球体推动阀座在阀体槽中滑动并压缩弹簧变形,使球体不致卡死不能动作。应用中螺旋弹簧可用碟形弹簧取代,亦可将阀杆与球体制作成一体式结构形式。

1 阀体 2 波纹管 3 碟形弹簧 4 阀座 5 上阀杆 6 球体 7 下转轴

图6 波纹管硬密封高温球阀

图6所示带波纹管的硬密封高温球阀用于某些特殊工况。该阀由阀体、波纹管、碟形弹簧、阀座、球体、上阀杆、下转轴等组成。波纹管一端焊在阀座上,另一端焊在阀体上,阀座与阀体间的密封靠波纹管实现。该结构球阀的初始密封力由碟簧和波纹管的变形共同提供。在高温状态下膨胀的球体推动阀座向两边移动,压缩碟簧和波纹管,其优点是密封性能可靠,弹性补偿范围大,并且在三维空间动作灵活。

3 结语

高温硬密封球阀的密封结构是影响其密封性能的重要因素,在温度和压力作用下,阀座和球体之间的相互作用力发生变化时,采用合适的密封结构和结构尺寸补偿所产生的变化,是保障其密封性能的重要的措施之一。在新工艺不断得到应用的基础上,国内外高温硬密封球阀的密封结构仍在不断发展中。

参考文献

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[2] 章华友,晏泽荣,陈元芳,等.球阀设计与选用〔M〕.北京:北京科学技术出版社,1994.
[3] 杨源泉.阀门设计手册〔M〕.北京:机械工业出版社,1992.