高温固定球双向耐磨球阀设计

    目前，国内使用的耐磨球阀，一般采用通常的单向密封，阀座达不到整体密封效应。传统“松动”阀座四周的间隙导致介质积聚和磨损，在使用过程中，因粉尘等颗粒状物质在球体或阀座上粘连，启闭时易引起阀座或球体磨损、阀座与球体“抱死”，从而导致密封失效。密封材料不耐高温或密封面损坏又导致阀门泄漏和卡死，这样大大减少了阀门的使用寿命，并难以适应阀门行业的需要。高温固定球双向耐磨球阀应用新技术、新结构、新工艺和新标准，采用耐高温、耐腐蚀的高碳低硫密封垫作为双向密封奠基，提供了稳定的密封比压。独特的阀座组合设计，具有良好的密封效果和自研磨性能及刮削功能。

    2 工作原理

    高温双向耐磨固定球球阀的主要构件（见图1），右阀体、左阀体、球体、阀杆、组合阀座、组合填料、手动装置组件。阀门在作开关动作时，图1中手动装置7的手柄只需顺时针方向旋转90°，球阀作关闭动作；逆时针方向旋转，球体作开启动作。当手柄轴线方向与球阀的轴线方向平行时，球阀处于全开状态；当手柄轴线方向与球阀的轴线方向垂直时，球阀处于关闭状态。

图1 高温固定球双向耐磨球阀构造图

1. 右阀体2. 左阀体3. 球体4. 阀杆5. 组合阀座

6. 组合填料7. 手动装置组件

    3 设计技术方案

    （1）高温固定球双向耐磨球阀为固定球两片式直通球阀，设计中主要零件部件材料为：阀体材质采用WCB、CF8、CF8M，阀杆材质为17-4PH、304、316，球体材质F304+WC、F316 +WC。阀门的设计泄漏量符合GB/T13927的D级规定。

    （2）球阀在使用过程中做开启、关闭动作时，由于受介质的冲刷、腐蚀和积聚，造成密封面不同程度的磨损，导致阀门泄漏严重，这时采用组合阀座结构的形式，如图2，密封垫全部采用倒三角形的独特设计，金属密封阀座与支承圈选用高分子材料的三角形密封圈一，从而根本地杜绝了介质窜入阀座底部凝聚，致使阀座密封副与阀体之间径向泄漏的可能性。

图2 阀座组合

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    推力圈与底座之间同样采用高分子材料的三角形密封圈二和密封圈三相互支撑，完全解决了颗粒介质窜入弹簧孔导致柱形弹簧无法伸缩的缺陷及高温或颗粒介质状态下球体与阀座“抱死”的难题，保证弹簧在阀座密封副中正常发挥作用，使密封比压始终维持在合理的范围，实现了高温工况状态下阀门长期运行的高性能可靠性。

    （3）填料组合采用分离正、反三角形结构设计，如图3。密封套和隔环把两组填料分隔，填料一为正三角形，而填料二为反三角形。经过反复实践，当介质压力推动球阀作用于阀杆时，阀杆作开、启运动时，三角填料一、二有效地转移、清除了石墨粉末依附在阀杆表面使其腐蚀的现象，这样，阀杆、填料使用寿命提高了2～3倍，填料函渗漏率为零。

图3 填料组合

    4 工艺要求

    （1）确保球体与阀座形成良性密封，主要部件直接由阀门卧式加工中心CWK800加工而成。阀体上安装组合阀座处径向公差选用D10级，光结度要求1.6与之配合。

    （2）球体-阀座密封副（如图4），采用超音速喷涂碳化钨（HRC≥70）工艺和本公司专利研磨工艺，结合刮削式宽弧面密封带结构，球体且必须与阀座配对研磨，使其形成不间断的密封带，从而实现零泄漏、抗粘垢、耐冲蚀的目的，延长了阀门的使用寿命。

图4 球一座密封副

    5 计算与验证

    为了保证阀门的密封性能、操作性能以及使用寿命长，对壳体壁厚、密封比压和阀杆等进行计算和验证。

    5.1 壁厚

    计算厚度S_B'：{1.32P·D/2［б_L］－1.2P}+C式中：P为设计给定的压力，MPa；D为阀体内腔的最大直径（设计给定），mm；C为腐蚀余量（按推荐值选取）；［б_L］为许用拉应力（查表可得），mm。

    阀体实际壁厚S_B可以通过查表法（ASMEB16.34或GB/T1224）与计算壁厚S_B'相对比，满足S_B＞S_B '产品符合设计要求。

    5.2 密封力综合计算

    （1）高温固定球双向耐磨球阀是阀前和阀后密封的固定球球阀，其密封面总作用力的计算：

    Q=Q₀+Q₁－Q₂

    式中：Q₀为流体压力在阀座密封面上引起的作用力，N；Q₁为预紧力，N；Q₂为阀座滑动的摩擦力，N。

    流体压力在阀座密封面上引起的作用力：

    Q₀=Q_MJ－Q_J

    式中：Q_MJ为流体静压力在阀座密封的力（计算可得），N；Q_J为介质压力在间隙中的作用力（计算可得），N。

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    预紧力Q₁=0.785（D²₂－D²₃ ）·qmin

    式中：D₂为密封面外径（设计给定）mm；D₃为密封面内径（设计给定）mm；q_min为预紧必需的最小比压（按经验数据选取）；阀座滑动的摩擦力Q₂：当阀座滑动的摩擦力小于0.05Q_MJ时，在保证足够实用精度的情况下，为简化计算，Q2亦可以不考虑。

    （2）密封比压

    密封面计算比压q=4Q/π（D_²2－D²₃）

    式中：Q为密封面总作用力（ 上式中得出），N；D₂为密封面外径（设计给定），mm；D₃为密封面内径（设计给定），mm。

    密封面必需比压q_b：

    式中：m为与流体性质有关的系数（按推荐值选取）；α为与密封面材料有关的系数（查表）；C为与密封面材料有关的系数；t为密封面宽度（计算可得），mm。

    密封面许用比压：［q］（查表），MPa。根据密封比压原理可知，如果要实现密封必须满足： ①Q_MF＜Q；②q_b≤q＜［q］的要求，通过合理的设计与计算，参数满足要求。

    5.3 固定球球阀的阀杆总转矩及强度验算

    总转矩M=Mm+Mt+Mu

    式中：Mm为球体与阀座密封圈间的摩擦转矩（计算可得），N·mm；Mt为阀杆与填料间的摩擦总转矩计算可得），N·mm；Mu为轴承的摩擦转矩计算可得），N·mm。

    阀杆断面扭转应力τ_N=M/W

    式中：M为总转矩，N·m；W为断面处的抗扭断面系数，mm³。

    许用扭应力［τ_N］，MPa。如果要实现阀杆的强度满足设计要求，必须符合τ_N＜［τ_N］的要求，通过合理的设计与计算，参数满足要求。

    6 结语

    通过设计计算验算和实际运用，高温固定球双向耐磨球阀完全满足工况的使用要求，现已广泛应用于石油、化工、轻工、建筑、冶金油品、水、腐蚀性流体工程及铝业氧化铝粉输送工程，具有广阔的发展潜能。