1．概述
球閥由于具有流體阻力小、操作方便、啟閉迅速、密封性好、可靠性高等特點(diǎn)，在短短的數(shù)十年里發(fā)展迅速，尤其在石油化工、長輸管線及城市供暖等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。然而工業(yè)和民用領(lǐng)域大量使用的球閥是閥座材料為聚四氟乙烯(或填充聚四氟乙烯)的軟密封球閥，其使用溫度不超過200℃。由于在高于250℃條件下可作為球閥軟密封閥座的高分子材料品種有限，高溫球閥閥座基本上采用金屬制作，即高溫球閥密封通常采用硬密封形式。近年來為了滿足高溫工況的需要，硬密封球閥得到了迅速發(fā)展，國內(nèi)外不少球閥生產(chǎn)企業(yè)在高溫硬密封球閥結(jié)構(gòu)上做了不少工作，通過優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，高溫球閥啟閉扭矩明顯降低，壽命大大延長，使用性能顯著提高。
2．高溫球閥硬密封結(jié)構(gòu)研究
2．1 高溫球閥的密封特點(diǎn)
高溫球閥的密封特點(diǎn)主要是采用金屬密封副，其優(yōu)點(diǎn)是適用溫度范圍廣，各種金屬的熱膨脹系數(shù)相差不大，只要選用得當(dāng)，可以達(dá)到基本一致，有利于協(xié)調(diào)溫差變形。缺點(diǎn)是材料硬度高，達(dá)到密封所必需的比壓高，即使采用預(yù)緊力達(dá)到密封，但因密封比壓大，閥座和球體之間的磨損也很大，而且由于金屬密封面摩擦系數(shù)較大，導(dǎo)致球閥的啟閉力矩較大。因此，高溫球閥大多采用彈性密封結(jié)構(gòu)。彈性密封結(jié)構(gòu)性能可靠，彈性補(bǔ)償能力強(qiáng)，適用溫度范圍廣，并對(duì)浮動(dòng)球和固定球結(jié)構(gòu)球閥都適用。
高溫球閥在預(yù)緊力和流體壓力的作用下，閥座與球體壓緊，使閥座材料產(chǎn)生變形而達(dá)到密封。其密封效果取決于閥座在流體壓力和預(yù)緊力的作用下，能夠補(bǔ)償球體不圓度和微觀不平度的程度。因此，閥座與球體之間必須具有足夠大的密封比壓qb，且應(yīng)滿足以下條件：
式中：qb ——保證閥門密封的必須比壓(MPa)；
q ——閥門工作時(shí)的實(shí)際比壓(MPa)；
[q] ——閥座材料的許用比壓(MPa)。
2．2 高溫球閥密封結(jié)構(gòu)分析
2．2．1 浮動(dòng)球球閥密封結(jié)構(gòu)
圖1所示是一種硬密封高溫球閥結(jié)構(gòu)圖，它由閥體、球體、閥桿、金屬閥座及閥座與閥體間的柔性石墨密封圈組成。兩個(gè)閥座以閥桿軸心為對(duì)稱中心嵌入閥體，閥座可在閥體嵌入槽中滑動(dòng)，閥座與閥體之間的密封靠柔性石墨密封圈來實(shí)現(xiàn)。由于柔性石墨密封圈可壓縮變形，該結(jié)構(gòu)球閥在一定溫度范圍內(nèi)使用不會(huì)因球體受熱膨脹卡死不能動(dòng)作，此結(jié)構(gòu)硬密封球閥可使用于溫度不超過343℃的場(chǎng)合。
高溫球閥用金屬彈性圈作硬密封球閥閥座密封圈，用來補(bǔ)償溫差、壓力、磨損等外界條件變化對(duì)球閥密封性能影響，結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由閥體、球體、閥桿、金屬閥座、閥座與閥體間的柔性石墨密封圈、金屬彈性圈、金屬彈性圈壓環(huán)及密封墊組成。兩個(gè)閥座一個(gè)為可在閥體嵌入槽中滑動(dòng)的金屬閥座，另一個(gè)為可變形的金屬彈性圈閥座。該結(jié)構(gòu)球閥在球體受熱膨脹時(shí)金屬彈性圈閥座可變形，使球體不致卡死不能動(dòng)作。
高溫球閥使用蝶簧加載密封副結(jié)構(gòu)，是國內(nèi)最常采用的一種硬密封高溫球閥結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由閥體、球體、閥桿、閥后閥座、閥后閥座密封圈、閥前閥座、閥前閥座密封圈、壓環(huán)及蝶形彈簧等組成。閥前閥座、閥前閥座密封圈、壓環(huán)為一組件，蝶形彈簧壓在組件上。球閥裝配后蝶形彈簧受壓，它一方面為閥門密封提供初始力，另一方面壓縮閥座和閥體間的密封圈，使閥座和閥體間密封。該結(jié)構(gòu)球閥兩個(gè)閥座以閥桿軸心為對(duì)稱中心嵌入閥體，閥座可在閥體嵌入槽中滑動(dòng)，在球體受熱膨脹時(shí)閥座組件滑動(dòng)，蝶形彈簧受壓變形，避免球體卡死不能動(dòng)作。
圖4所示是近年來某國外閥門企業(yè)推出的一種硬密封高溫球閥結(jié)構(gòu)，它由閥體、球體、閥桿、閥前閥座、蝶形彈簧、閥后閥座、閥后閥座與閥體間的柔性石墨密封圈等組成。球閥閥后閥座通過螺紋直接旋人閥體并壓縮柔性石墨密封圈，使閥后閥座和閥體間密封，不再依靠蝶形彈簧壓縮柔性石墨密封圈來保證閥座和閥體間的密封。球閥閥前閥座徑向與閥體間有問隙，在球體受熱膨脹時(shí)閥前閥座可在閥體槽中自由滑動(dòng)，壓縮蝶形彈簧變形，使球體避免卡死不能動(dòng)作。該結(jié)構(gòu)硬密封球閥原理已被多家國外公司采用。
2．2．2 固定球球閥密封結(jié)構(gòu)
高溫球閥在某些高參數(shù)工況下常采用固定球式硬密封結(jié)構(gòu)，如圖5所示。它主要由閥體、球體、閥座、上閥桿、下閥桿、螺旋彈簧、壓板、閥座與閥體間密封圈組成。球體由上、下閥桿支撐定位，在介質(zhì)壓力作用時(shí)，球體無閥體軸線方向的位移。兩閥座可在閥體槽中滑動(dòng)，當(dāng)球體受熱膨脹時(shí)球體推動(dòng)閥座在閥體槽中滑動(dòng)并壓縮彈簧變形，使球體不致卡死不能動(dòng)作。應(yīng)用中螺旋彈簧可用蝶形彈簧取代，亦可將閥桿與球體制作成一體式結(jié)構(gòu)形式。
在某些場(chǎng)合高溫球閥被設(shè)計(jì)成帶波紋管的硬密封結(jié)構(gòu)，如圖6所示。它由閥體、波紋管、蝶簧、閥座、球體、上閥桿、下轉(zhuǎn)軸等組成，閥座與閥體間的密封靠波紋管實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)球閥的初始密封力由蝶簧和波紋管的變形共同提供。在高溫狀態(tài)下膨脹的球體推動(dòng)閥座向兩邊移動(dòng)，壓縮蝶簧和波紋管，其優(yōu)點(diǎn)是密封性能可靠，彈性補(bǔ)償范圍大，并且在三維空間靈活自如。
3．結(jié)語
高溫硬密封球閥的密封結(jié)構(gòu)是影響其密封性能的重要因素，在溫度、壓力作用下，閥座和球體之間的相互作用力發(fā)生變化時(shí)，采用合適的密封結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)尺寸補(bǔ)償所產(chǎn)生的變化，是保障其密封性能的非常重要的措施。在新工藝不斷得到應(yīng)用的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外高溫硬密封球閥的密封結(jié)構(gòu)仍在不斷發(fā)展中。
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