浮動式金屬硬密封球閥

一、引言

金屬硬密封結(jié)構(gòu)很多，比如楔式硬密封球閥、撐開式硬密封球閥、偏心球閥(包括偏心半球閥)的結(jié)構(gòu)等等。本文主要介紹的是浮動球閥和固定球閥的密封副結(jié)構(gòu)、特點及其應(yīng)用場合?？梢杂嗅槍π缘亟鉀Q所有金屬密封球閥普遍存在的球體和金屬閥座密封面在開啟和關(guān)閉過程中的摩擦問題；球體和金屬閥座密封面在高溫狀態(tài)下材料熱膨脹的吸收問題；以及球閥密封副的耐磨、耐沖蝕問題。下面是根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)和工藝以及工作環(huán)境和應(yīng)用行業(yè)的不同，對硬密封球閥的結(jié)構(gòu)進行描述。

二、浮動硬密封球閥

浮動硬密封球閥的結(jié)構(gòu)見圖1，它由閥體、閥蓋、球體、閥座、閥桿、彈簧、墊片等零件組成。一般浮動硬密封球閥采用出口端密封結(jié)構(gòu)(圖2)，即進口端閥座采用板簧或壓簧加載結(jié)構(gòu)，閥座與閥體之間沒有設(shè)置密封元件。在高溫或低溫狀態(tài)下，閥體、球體與閥座的變形量被板簧或壓簧吸收，故閥門能夠在高溫或低溫狀態(tài)下靈活啟閉，避免由于熱脹冷縮引起的球體與閥座的卡死現(xiàn)象。而在閥門關(guān)閉位置時，在彈簧力和介質(zhì)壓力的作用下，球體向出口端閥座形成推力，保證閥座與球體、閥座與閥體在低壓和高壓狀態(tài)下都能產(chǎn)生密封效果。閥門在低壓狀態(tài)下由彈簧的加載力來保證閥門密封。該閥類有較低的閥門操作力矩，選擇不同材料并對球體和閥座密封面進行不同表面處理，確保密封可靠、且耐高溫耐磨損、耐腐蝕、使用壽命長。具有在超高壓、粉塵、含固體顆粒和纖維物等惡劣工況的操作能力。球體和閥座之間具有良好的剪切、自潔功能、適合對含顆粒、纖維介質(zhì)的控制。

浮動硬密封球閥除了可設(shè)計成出口端密封外，還可以設(shè)計成進、出口端密封，見圖3。即在閥門進口端閥座和閥體之間設(shè)置一密封元件，利用介質(zhì)壓力對進口端閥座形成的活塞效應(yīng)，在彈簧力和介質(zhì)壓力的作用下，把進口閥座和球體推向下游(出口端)閥座，從而保證閥門進、出口端都能達到密封效果。

浮動硬密封球閥結(jié)構(gòu)可適用下列工況：

(1)低溫型，一般適用于低溫場合的介質(zhì)切斷控制，介質(zhì)溫度達到—196℃。閥體及內(nèi)件均經(jīng)過—196℃液氮低溫深冷處理，采用加長型閥蓋，確保閥門在超低溫狀態(tài)下正常使用，泄漏量達到氣體零泄漏。

(2)高溫型，適用于高溫場合的介質(zhì)切斷控制，介質(zhì)溫度高達+650℃。閥體及內(nèi)件全部采用耐高溫特殊合金鋼，經(jīng)過特定的熱處理，采用加長散熱型上閥蓋，確保該閥在高溫狀態(tài)下正常使用，泄漏量達到氣體零泄漏。

應(yīng)用工況：火力發(fā)電機組的主蒸汽系統(tǒng)停用時必須打開各級疏水閥排放蒸汽冷凝水，杜絕蒸汽凝結(jié)水腐蝕損傷高溫高壓管線和相關(guān)設(shè)備。這種應(yīng)用要求疏水閥門能在高溫高壓下長時間嚴密關(guān)斷，浮動硬密封球閥就具備這種能力。

上述浮動硬密封球閥閥座結(jié)構(gòu)型式：出口密封型和進出口密封型，可根據(jù)客戶要求和具體的工藝工況來進行選用。主要內(nèi)件材料推薦如下：

閥座：SUS316/鈷基合金

墊片：石墨+SS

彈簧：17-7PH或INCONEL 750

溫度范圍：-196℃～400℃或-196℃～650℃：

金屬硬密封固定球閥

三、固定硬密封球閥

固定硬密封球閥的結(jié)構(gòu)見圖4。它由閥體、閥蓋、球體、閥座、閥桿、彈簧、墊片等零件組成。一般固定硬密封球閥根據(jù)壓力的大小、介質(zhì)性質(zhì)及密封要求的不同而選擇進口端密封結(jié)構(gòu)。閥座密封根據(jù)工況溫度可選O型圈密封、石墨墊片或自緊式石墨密封；這些結(jié)構(gòu)可根據(jù)工況的實際情況合理選用，可以達到滿意的效果。硬密封固定球閥一般采用球前密封結(jié)構(gòu)，具有雙切斷雙排放功能(DBB結(jié)構(gòu))，其密封原理在閥門設(shè)計手冊中均有描述，故此不再重復(fù)。

本文介紹兩種進口密封結(jié)構(gòu)形式：一種是石墨墊片或壓力自緊式密封結(jié)構(gòu)，如圖4.5b所示，當閥門處于關(guān)閉位置時，閥座與閥蓋間的密封由密封圈來保證密封，即采用壓力自緊密封結(jié)構(gòu)原理，當閥腔內(nèi)無介質(zhì)壓力時，由彈簧產(chǎn)生的預(yù)緊力，作用在壓環(huán)上，使密封圈與閥體、閥座之間形成初始的密封條件—密封圈預(yù)緊比壓。當閥腔內(nèi)介質(zhì)壓力升高時，由于閥座的活塞效應(yīng)，壓環(huán)受介質(zhì)壓力的作用壓緊密封圈，使之與閥蓋和閥座之間密封比壓隨壓力的增加而逐漸增大。與此同時，閥座密封面始終與球體保持緊密接觸，確保閥門在高、低壓差下均能達到無泄漏的密封。當閥門中腔介質(zhì)壓力異常升高時，出口端閥座會自動向下游排放壓力。

另外一種是O型圈密封結(jié)構(gòu)，見圖5a。當閥門處于關(guān)閉位置時，進出口端閥座與閥蓋問的密封由O型圈來保證密封，即介質(zhì)壓力作用在閥座上，產(chǎn)生活塞效應(yīng)，推動閥座與球體緊密接觸。當閥門中腔介質(zhì)壓力異常升高時，在中腔壓力作用下，出口端閥座會自動向下游排放壓力。

這兩種進口密封結(jié)構(gòu)固定硬密封球閥可適用于下列工況：

(1)高耐腐蝕、高耐磨金屬硬密封球閥，主要應(yīng)用于國內(nèi)煤改油甲醇項目中，其中，高壓工況的氧氣切斷，壓力為2.O～5.OMPa。由于氧氣介質(zhì)的特殊性，氧氣流速必須控制一定的流速內(nèi)，因此高壓氧氣切斷型金屬硬密封球閥也進行了特定的改進，閥內(nèi)件采用MONEL。等特殊合金材料，確保閥門在打開的瞬間把氧氣流速控制在25m/s以下，泄漏量為氣體零泄漏，達到國家標準及用戶使用要求。隨著我國煤改油項目及甲醇項目的大規(guī)模發(fā)展，高壓氧氣切斷閥在該裝置中得到大量使用，而此前高壓氧氣切斷閥基本上是引進國外閥門廠家。因此，高壓氧氣切斷金屬硬密封球閥成功開發(fā)和應(yīng)用，足以打破這種完全依賴進口的局面。

(2)高溫高壓蒸汽切斷型，應(yīng)用于高溫高壓狀態(tài)的蒸汽切斷，一般多見于大型石化工廠主蒸汽疏水管路，溫度為300℃～500℃，壓力為3.0～5.OMPa，閥門通徑為DN200～DN600。由于高溫、高壓、口徑大等因素，通過采用獨特的研磨設(shè)備和研磨技術(shù)，成功解決的大口徑球閥球體的研磨難題，確保該閥在高溫高壓狀態(tài)下正常使用，泄漏量達到氣體零泄漏的技術(shù)要求。

固定硬密封球閥閥座形式主要有以下幾種(密封結(jié)構(gòu)簡圖見圖5)。

應(yīng)用工況：在煤氣化裝置中的水煤漿輸送和干煤份輸送管路中、大型乙烯裝置中和冶金、污水處理、造紙業(yè)中主要是煤粉輸送、煤粉噴射系統(tǒng)、灰渣排放系統(tǒng)、污泥、廢水處理、紙漿輸送等作為多相流的切斷裝置都可以選用硬密封固定球閥。

四、硬密封球閥的工藝特點

a、超音速火焰噴涂工藝

閥座和球體表面采用表面熱噴涂設(shè)備—超音速火焰噴涂(HVOF)其工藝：氫氣、氧氣充分燃燒爆炸后，產(chǎn)生高速火焰，火焰速度高達6000碼/秒(三倍音速)，通過特別設(shè)計的噴槍，金屬粉末粒子(材料可根據(jù)用戶要求選擇)被高速噴涂到球體表面及閥座的密封面上，從而形成致密的、具有極強粘結(jié)度的涂層，法向粘結(jié)強度達70MPa，涂層表面硬度最高可達62—70HRC，不容易被介質(zhì)及介質(zhì)中的雜質(zhì)劃傷?；鹧鎳娡抗に嚳梢宰龅接捕燃皬姸韧昝赖慕y(tǒng)一，并不受溫度的影響。

b、“配對”精密研磨工藝

硬密封球閥球體與閥座之間“配對”精密研磨。由于球和閥座的硬度比較高，可采用獨特的磨料、工藝和工裝，在引進和改制的精密研磨機上進行研磨，密封效果可以達到“零”泄漏。對于大口徑的閥門都采用人工研磨的方式，每一個閥的品質(zhì)都得以保證。

c、優(yōu)質(zhì)的密封材料

選用優(yōu)質(zhì)、合理的閥座密封材料是保證閥門使用性能的重要因數(shù)。但這必須在確保了解工況介質(zhì)的前提下，才能發(fā)揮其特性。因此，根據(jù)我們天沃泵閥公司多年來的供貨經(jīng)驗和使用場合，我們將硬密封球閥分為四種類型，具體參見圖5。

五、結(jié)束語

硬密封球閥雖然有各種不同結(jié)構(gòu)，設(shè)計者必須根據(jù)不同工況需要，采用不同的設(shè)計。

從設(shè)計上講，金屬對金屬的密封以線密封為佳，從密封原理上及密封比壓上最易保證密封，在很小的預(yù)緊力情況下就能保證足夠的密封比壓，使金屬密封球閥達到密封。但這要根據(jù)管道的壓力等級和口徑大小來定閥座密封面的接觸寬度，以防密封面被壓潰。

球體和閥座密封面的加工精度是一個不容小視的問題。對于球體的圓度誤差，一定要控制(根據(jù)球徑大小而定)在很小的范圍內(nèi)，閥座的制造精度一般應(yīng)高于球體。其球體和閥座密封面的表面粗糙度應(yīng)不高于Ra0.2。為了提高球體表面硬度和耐磨性，可進行表面硬化處理。這樣，有利于保證密封性能，降低開啟和關(guān)閉時的操作力矩。對于球體和閥座外表面及閥桿連接的槽以及其他零件閥桿、填料孔等零件的加工精度均需提高，才能保證硬密封球閥在極限工作狀態(tài)下工作的可靠性和靈活性。

硬密封球閥的閥桿密封采用柔性石墨填料，法蘭采用夾不銹鋼絲柔性石墨或金屬纏繞石墨墊片，具有本質(zhì)防火安全和防靜電功能。采用下裝式閥桿，防飛出閥桿結(jié)構(gòu)，從而避免因?qū)﹂y門誤操作造成閥桿飛出事故。

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