您的当前位置:华林调节阀网>>调节阀论文>>调节阀选型计算>>关于耐磨耐腐蚀球阀结构的改进

关于耐磨耐腐蚀球阀结构的改进

0概述

目前铸石耐磨耐腐蚀球阀安装在电站锅炉水除灰管道系统上,作为启闭装置专用调节阀。该产品在使用过程中还存在一些问题,如阀座密封与球芯接触面积大,致使驱运力矩增大,阀门开关不够灵活,上下阀杆设计过大,使用的原材料利用率过低,阀座结构不合理及上密封处有渗水和漏水现象发生。为了解决这些问题,改进了耐磨耐腐蚀球阀结构形式及材料。

1 结构改进

1.1 阀体

图1 铸造阀体

图2 铆焊阀体

过去的阀体多为铸造件(见图1),铸造过程中存在着不确定因素,如气孔、砂眼、疏松、夹渣、缩孔、裂纹等,影响阀门整体机械性能。为了向高参数及高性能方向发展,充分发挥铆焊加工能力特点,参照国内外同类产品,采用混合离散变量的最优化设计方法及韧性好的钢板材料焊接而成,见图2。与铸造件比较,钢板焊接的阀体壁厚可以减薄,且强度高、韧性好,质量比铸造的阀体可减轻约1/6。

1.2 阀座

图3 阀座密封圈

阀座密封结构是球阀密封性能的关键,直接影响球阀的使用寿命。原阀座密封圈结构(见图3(a))由于阀座密封圈角度太大,与球芯接触面积大,抱球芯抱的紧,产生的力矩相对就大。以DN400的球芯阀座为例,质量为3kg,结构改进后的阀座密封圈(见图3(b))与球芯为线接触,接触面积小,使得阀门开启灵活,且阀座密封圈质量降低了1/3左右。

1.3 球芯

原球芯直径设计过大,使用的阀体中腔过大,造成材料浪费,利用率低。原球芯(见图4(a))质量为380kg,改进后的球芯(见图4(b))质量为285kg,且改进后的球芯强度、密封位置都能得到保证。改进后,球芯充填层加大,使用得耐磨层材料玄武岩铸石粘贴更加牢固,不会发生耐磨材料的脱落现象的发生。

图4 球芯

根据文献[1],通孔球阀内径d=DN,球体径为R=08DN,球体面距,改进后的球芯完全满足文献[1]的要求。D为球阀外径。

1.4 上阀杆

原DN400阀杆是由2Cr13150棒料车制而成,由于上阀杆的O型密封圈与DF复合轴承的尺寸一样,而DF复合轴承是开口的,装配起来很不方便,且维修起来也很麻烦。为此,对上阀杆做了改进,见图5。改进后在阀杆与阀体密封处车一个台阶,与DF复合轴承尺寸不一致,各部台阶处有圆角,避免了啃O型密封圈现象的发生。经过重新对阀杆强度计算,阀杆直径可以比原设计减少20%左右。

图5 上阀杆

1.5 下阀杆

原下阀杆由下轴和法兰组成,首先车好下轴和法兰止口,后进行焊接,再退火处理。按图车好各部位,装配时调整很不方便,为此对下阀杆进行如下改进,见图6。把下阀杆由部件改为两个单独的零件,这样可以省去退火处理工序,而且加工起来也很方便,且成本降低不少。

图6 下阀杆

1.6 球阀阀座

原阀座与球芯是固定不变的,现改为阀座是可调试结构(见图7),其O型密封圈压缩量可按如下计算:固定密封时,预压缩量为025d;滑动密封时,预压缩量为015d;固定球阀密封时,预压缩量为015d。

图7 阀盖与阀体间密封

2 结构改进的主要技术参数及特点

2.1 主要技术参数

公称压力PN=25MPa;公称通径DN=400mm;适用温度t=-40~100.适用介质为渣水、矿浆、水、石油。

2.2 特点

结构简单、体积小、质量轻。流体阻力小、全通道、便于清扫。开关轻便、灵活、维修方便、阀座可调。球阀通道及球芯内衬玄武岩铸石耐磨材料起到耐磨防腐的作用。铸石材料有极高的耐磨、耐腐蚀性能。表1为铸石物理性能表,表2为铸石化学性能表。

表1 铸石物理性能

表2 铸石化学性能 %

在相同条件下,几种材料的磨损量如图8所示。

图8 几种材料的磨损量

3 设计计算

3.1 阀体壁厚

球阀剖面图如图9所示。阀体的计算厚度SB

式中:P1为计算压力,MPa;Dn为计算内径,mm;[]为许用拉应力,MPa;C为裕量,包括铸造偏差工艺性腐蚀因素。

图9 球阀剖面图

当阀体实际厚度SB≥SB!时,强度合格。

3.2 密封比压

阀前密封比压qi

阀后密封比压q0

验算合格条件为qMN<q<[q]

式中:q为密封面上必需的比压,MPa;[q]为密封面许用比压,MPa;为球体的密封圈接触点与通道轴法向夹角,(o);p2为设计压力,MPa;DJH、DMN、DMW、R、H和DCH如图9所示;h为阀门最外口的直径;qMN为球阀最小预警比压。

3.3 阀杆强度

阀杆力矩公式为

MF=MQG+MFT+MZC

式中:MF为阀杆力矩,N.mm;MQG为球体与阀座密封面间的摩擦力矩,N.mm;MFT为填料与阀杆阀的摩擦力矩;MZC为轴承产生的摩擦力矩,N.mm。

MQG=MQG1+MQG2

式中:MQG1为阀座对球体的预紧力产生的摩擦力矩,N.mm;MQG2为由介质工作压力产生的摩擦力矩。


式中:qm为球体最小预紧比压,MPa;fm为球体与密封面摩擦系数(取fm=0.05~0.1);DQJ为轴径,设计给定,mm;fz为轴承摩擦系数,取0.05~0.1;p3为介质压力。

阀杆端头扭转剪切应力(见图10)τ N

式中为I-I断面抗转矩断面系数,mm3

对于正方形断面[1]

图10 阀杆端部

4 结束语

改进后的耐磨耐腐蚀球阀,消除了颗粒对阀门的磨粒磨损及腐蚀问题,改善了球阀密封质量,阀门开关灵活,减轻了操作人员的劳动强度,提高了劳动效率和工作质量。实际运行证明:开关运行可靠,经久耐用、使用寿命长,是目前电厂、矿山除灰、排渣系统较为理想的一种控制阀门。

参考文献:

[1] 矫永臣,刘永刚.耐磨节流阀的设计.管道技术与设备,2003
[2] 杨源泉.阀门设计手册.北京:机械工业出版社,1992.