一种高压球阀阀杆的密封设计改进

    0 引言

    随着冶金、清洁能源、石油化工、化学工业、化纤工业、医药工业等行业的迅速发展，球阀得到了广泛的应用。由于球阀具有通径大、流体阻力小、介质通道平整光滑、开关迅速方便等特点，尤其是操作者能够通过手柄位置判断球阀的开关状态，所以在天然气加注设备出口采用三通球阀控制输出及回收。本文介绍了一种密封可靠的高压球阀阀杆密封结构。

    1 工况条件

    天然气是一种无色无臭的气体，主要成分为甲烷，标准密度为0.717kg/m³，在空气中的爆炸极限为5%～15%。如果出现严重泄漏，天然气与空气或氧气混合很容易形成爆鸣性气体。天然气加气机出口球阀的公称压力为25MPa，公称通径6mm，工作温度-40℃～+60℃，使用时大约5min开关一次。

    2 故障分析与改进

    安装在加注口的球阀由于使用频繁，一般使用几个月后，开关操作手柄时手感变得很沉，检查气密时会发现部分球阀阀杆处开始出现微漏，如果不及时被发现有可能会造成安全事故。该阀阀杆国内外常见密封结构见图1。经过对泄漏故障球阀的分解检查发现，阀杆处氢化丁腈橡胶O形圈出现磨损，塑料PEEK的减摩垫也出现严重磨损，阀杆与壳体的部分配合表面也出现摩擦划伤，经过分析及更换验证试验，可以确定阀杆处微漏和手感变差的原因就是两处零件的磨损。为了减小O形圈的磨损，图1中件4采用过半包覆聚四氟乙烯薄膜的O形圈，经过约2.5万次寿命试验检测出现微漏，通过对比，改进后密封寿命与之前比提高约20%，改进效果不是很好。

1-阀杆 2-PEEK减摩垫 3-壳体 4-O形圈

5-PCTFE挡圈 6-PEEK支撑环 7-防尘圈

图1 常见阀杆密封结构

    图2为改进的另一种结构。将减摩垫改为推力轴承，将O形圈改为带有中间金属隔离环的两道密封结构，和O形圈配合使用外购的C形增强氟塑料滑环与阀杆接触。由于图1结构中阀杆所受介质推力很大，所以一定寿命后转动时所产生的摩擦力也很大，结构改进后操作时手感明显较好，经过约4万次寿命试验后，手感仍然很轻便灵活，但是也出现了微漏，经过分解检查，发现与阀杆摩擦的塑料环磨损严重并变形，阀杆与压垫也有磨痕，轴承完好。改进考虑塑料环更换其他材料，由于形状为C形薄壁塑料件，加工困难，装配O形圈时会有一定变形，并且更换密封件时需要从球体腔取出，装配及定期维护比较麻烦，改进后的寿命没有达到预期效果，所以放弃图2结构，继续改进结构如图3所示。

1-阀杆2 -推力轴承 3-O形圈组件

4-隔离环 5-防尘圈 6-压垫7-压盖

图2 改进的阀杆密封结构

1-两半圆环 2-下支撑环 3-壳体

4-压盖 5-隔离环 6-O形圈组件 7-上支撑环

8-压垫 9-阀杆 10-推力轴承 11-防尘圈

图3 长寿命阀杆密封结构

    图3这种结构主要是将与O形圈配合使用的塑料环改为单端面直角式滑环，O形圈和阀杆间塑料壁厚为0.2mm，采用聚四氟乙烯材料。该塑料环在介质压力的作用下抱紧阀杆，出现磨损后O形圈的压缩量恢复给予塑料环补偿，同时起到挡圈的作用。将推力轴承改放在上面，能够避免如图2结构密封件磨损产生的粉末多余物影响轴承寿命。阀杆由上下两个PEEK塑料支撑环支撑，使阀杆处于摩擦力最小的状态，与压盖、隔离环、压垫均无摩擦。这样阀杆只承受球体与阀座密封面间的扭力矩和轴承产生的摩擦力，由于氟塑料摩擦系数很小，并且阀杆的密封表面粗糙度可以做到Ra0.2，阀杆与塑料环之间的摩擦力就很小，由于推力轴承承担了介质的压力，使阀杆的密封性得以改善，又使阀杆所承受的扭矩大为降低，相应手感就好。压盖与阀体通过螺纹连接并锁紧，阀杆顶轴承处台阶也可以防止因压力过高而冲出。两半圆环卡在阀杆上能方便地将所有零件一起装入或取出阀体。该结构的产品经过寿命试验可以达到10万次，是常见阀杆结构密封寿命的4倍，分解检查轴承完好，塑料环磨损变薄未破，支撑环有磨损痕迹。

    3 结语

    通过不断改进阀杆结构，经过试验验证阀杆的密封寿命得到了明显提高，操作手感仍然保持灵活轻便，不仅提升了阀门的安全性、可靠性，而且有效降低了用户的维护周期和成本，能够更好地满足用户的要求。