提升式旋塞阀密封结构的分析

        1 概述
        提升式旋塞阀根据不同的密封材料可分为软密封和硬密封结构。其基本动作原理有两种，一种为阀门开启时，旋塞提升一定的高度，旋塞旋转90°到阀门全开状态。在阀门启闭过程中，阀门密封副没有磨损。另一种为在前一种的基础上，旋塞下降至开启的初始位置，即在这种状态下阀门的密封副是接触的。两种形式适用于不同的工况。
        2 软密封式
        2.1 软密封式动作原理
        阀门主要由阀体、旋塞、密封圈座及阀盖等组成（图1）。阀体采用直筒圆柱型内腔结构，内腔表面采用不同表面硬化工艺，提高阀体密封面的硬度、耐磨耐腐性能，以适应不同的工况场合。旋塞与密封圈座采用燕尾槽轨道结构连接，其连接性能可靠，运动精度比较理想。软密封圈采用特定工艺镶嵌在密封圈座上，以免其发生脱落。阀门处于关闭位置时，当旋塞向上提升，两个密封圈座受上下阀盖的位置限制，在燕尾槽轨道的作用下，密封圈脱离阀体的密封面。当密封圈完全脱离阀体密封面后，旋塞和密封圈座作90°旋转，使阀门处于开启状态。当阀门需要关闭时，旋塞和密封圈座旋转90°后，旋塞向下运动，带动密封圈座靠近阀体密封面，直至阀门完全处于密封状态。

图1 软密封提升式旋塞阀

        2.2 软密封式结构特点
        ①阀门采用软密封结构，密封性能可靠，达到零泄漏。
        ②启闭操作过程中，密封面之间完全脱离接触，无磨损，使用寿命长。
        ③阀门具有双阻塞、双排放和防火功能，阀门上设有压力平衡装置，以防系统异常升压，并能减少阀门启闭瞬间的阻力。
        ④启闭过程均分两段完成，便于操作，关闭时时间较长，尽可能地避免了管道内的油（水锤）击现象的发生。
        ⑤阀门实现在线维修。可以拆卸阀体底部的阀盖取出旋塞两侧的密封圈座维修或更换，维修简单和方便。
        2.3 软密封式驱动装置
        驱动装置主要由支架、阀杆螺母、阀杆和蜗轮蜗杆等零部件组成（图2）。阀门开启时，旋塞与驱动装置的阀杆螺母通过销轴联接，在蜗轮蜗杆手轮的作用下带动阀杆旋转，阀杆通过其多头螺纹带动阀杆螺母在限位销的作用下，沿着设在阀杆螺母上的轨道槽作上升运动，使阀杆螺母向上运动到达一定位置后，销脱离支架内的轨道槽，进入阀杆上的定位槽。这时，阀杆继续旋转，带动阀杆螺母，在限位销的作用下，一起旋转90°，从而完成了阀门的开启动作。相反，则是完成阀门的关闭动作过程。驱动装置可适用不同口径、压力级的阀门，适用范围比较广泛。驱动装置顶部有精确显示阀门开关位置的指示器，可避免误操作。驱动装置有手动、电动等传递力矩，电动阀门易实现自动控制，易操作，传递动作灵活、准确和安全可靠。

图2 软密封提升式旋塞阀驱动机构

        2.4 软密封式适用场合
        软密封提升式旋塞阀广泛适用于石油、石化、天然气、煤化工、环保污水处理、航空煤油及管道煤气等行业作调节、节流及切断介质用。
        3 硬密封式
        3.1 硬密封式动作原理
        硬密封提升旋塞阀的密封属强制密封结构，两密封副均可密封，阀门的使用不受管道内介质流向的限制（图3）。阀体与旋塞采用圆锥面密封，其密封性能可靠，适用范围广。阀体和旋塞密封面采用不同的表面处理工艺，使其满足不同的使用工况要求。阀体密封面凸起，便于密封面的加工和清洗，密封面不易堆积颗粒性或结晶介质。当阀门处于关闭状态，旋塞通过阀杆提升到一定高度，旋塞脱离阀体密封面，阀杆带动旋塞旋转90°到开启位置。然后，阀杆继续向下运动，将旋塞推向关闭时所处的位置，这时，阀体与旋塞的密封副处于接触状态。关闭阀门的过程与开启的过程相反，通过阀杆对旋塞向密封面施压，由于是锥面密封容易保证旋塞阀的密封性能。此阀门又称无间隙阀门，即阀门在开启和关闭位置，阀门密封副之间没有间隙。

图3 硬密封提升式旋塞阀

        3.2 硬密封式结构特点
        ①阀门适用压力等级PN2.0～42.0MPa，温度范围－101～550℃。
        ②阀门启闭过程中，密封面间完全脱离接触，无磨损，耐冲刷。阀门操作扭矩小，使用寿命长。
        ③阀门具有双阻塞、双排放和防火功能。阀门中腔与进出口设有压力平衡装置或压力平衡孔，以防阀门在关闭状态下系统异常升压，并能减小阀门启闭瞬间的阻力。
        ④启闭过程分为提升、旋转和下降3种动作。升降行程短，便于操作，对不清洁介质可防止污垢在阀门中腔堆积，同时还可以减少介质对阀门密封面的冲刷，延长阀门使用寿命。
        3.3 硬密封式驱动装置
        驱动装置主要由支架、阀杆螺母、防转板、防转倒向套、传动轴和手轮等零部件组成（图4）。阀门开启时，手轮带动阀杆逆时针旋转，通过销II和中间螺母的连接，阀杆螺母通过销I、防转板的作用沿着中间螺母套的导向槽向上运动。到达设定的位置后，销I进入中间螺母的销槽中。这时，阀杆继续逆时针旋转，同时也带动了中间螺母和阀杆螺母一起旋转。旋转90°后，这时，销II脱离阀杆的销槽，进入中间螺母套的导向槽内。阀杆继续逆时针旋转。由于受防转板在支架内的作用和销II在中间螺母套的轨道槽中，带动阀杆螺母向下运动，直至阀门关闭时所处的位置（这时阀门处于开启状态）。相反，则是完成阀门的关闭动作过程。这种驱动装置除了具有软密封提升式旋塞阀驱动装置的特点外，由于多了一个过程，使其结构比较复杂，解决了阀门在开启和关闭时管道介质对阀门密封副的冲刷，提高了阀门的使用寿命。
        3.4 硬密封式适用场合
        硬密封提升式旋塞阀适用于耐高温、高压、耐磨及耐冲刷等特殊用途的管道上，特别是带有颗粒性的介质管路上，如电力、冶金、石油化工及造纸等行业。

图4 硬密封提升式旋塞阀驱动机构

        4 结语
        提升式旋塞阀改变了传统旋塞阀的设计理念和应用范围，主要为其压力、温度使用范围改变和拓宽，以及材料选择范围的扩大，还有旋塞阀的流道形式，比如文丘里型式、标准全通径型式、标准型式、标准弧形全通径型式等多种形式的应用，操作机构选择的多样性、智能性等等，使得提升式旋塞阀的应用前景更为广阔。
        参考文献
        〔1〕陆培文．实用阀门设计手册〔M〕．北京：机械工业出版社，2006．
        〔2〕GB/T22130－2008，钢制旋塞阀〔S〕．
        〔3〕沈鸿．机械工程手册〔M〕．北京：机械工业出版社，1982．