金属密封耐磨损球阀的研究与设计

    随着科学技术的发展以及现代工业的需求，金属密封球阀在输送特殊介质的工况中（如纸浆、水煤浆和硅粉等含有固体颗粒的混合液）得到越来越广泛的应用。根据工况要求，研制了金属密封耐磨损球阀。

    2 结构特点

    金属密封耐磨损球阀采用弹性具有自动补偿功能的阀座结构，防止阀门在含有颗粒介质的工况中或高温情况下出现卡塞现象，提高了阀门使用寿命。球体和阀座具有良好的剪切和自洁功能，适合对颗粒介质和纤维介质的控制。阀杆采用侧装式，能确保填料处可靠密封以及阀杆防吹出。阀门采用双向密封结构，即提高了阀门的密封性能，也保证了介质逆向流动时的密封性能，为防止介质倒流提供了必要的保障。球体和阀座密封面喷涂耐高温高压、耐腐蚀和耐磨损的硬质合金。

    3 技术处理

    （1）金属密封球阀的密封比压较高，在结构设计中考虑密封比压所需要的弹簧预紧力，采用下游阀座固定，上游阀座后设置碟形弹簧补偿结构。

    （2）考虑温度对金属材料的线性膨胀影响，采用高负载碟形弹簧。既提供了阀门密封比压所需要的初始预紧力，也避免了因温度原因引起球体与阀座卡阻现象，确保阀门启闭灵活。由于固体颗粒介质进入碟簧行程区会引起碟簧卡阻失效，增设了碟簧保护结构，确保阀门在低压情况下的密封性能。

    （3）由于输送的介质中所含的固体颗粒硬度较高，要求球体与阀座表面具有较高的硬度。否则，阀门启闭的过程中会有固体颗粒镶嵌在球体表面上，影响阀门的整体密封性能。因此球体表面与阀座表面喷涂碳化钨钴、镍基合金或碳化铬等材料。使密封表面硬度达到56～64HRC。不同的喷涂材料，可以获得不同的硬度。

    （4）阀座设计成具有自洁功能的刮刀结构，在阀门启闭过程中，能对球体表面吸附物进行刮削，防止固体颗粒进入阀门密封面，增加了阀门使用寿命。

    （5）球体和阀座采用数控机床加工，专用球面磨床磨削，以及专用研磨机配对研磨。

    4 设计计算

    以浮动式DN50-PN6.3金属密封球阀为例（图1，表1），进行密封比压、总摩擦扭矩、碟形弹簧负载的计算。

图1 浮动式金属密封耐磨损球阀

表1 性能参数

    4.1 密封比压硬质合金密封面的必需密封比压q_b为

        （1）

    式中  m———与流体性质有关的系数

    a和c———与密封材料有关的系数

    P———流体的工作压力，MPa

    b———密封面在投影宽度，mm

    计算得出q_b=14.15MPa。

    设计密封比压q为

        （2）

    式中  Q———密封力（密封面处介质力Qmj与碟形弹簧初始预紧力F的合力），N

    D2———阀座外径，mm

    D1———阀座内径，mm

    计算得出q=53.29MPa。    

    查表得材料许用比压［q］=80MPa。因为qb＜q＜［q］，金属密封球阀密封比压初步设计参数满足要求。

    4.2 总摩擦扭矩

    浮动球金属密封球阀扭矩M为

    M=Mm+Mt+Mμ       （3）

    式中   Mm———球体与阀座密封面间的摩擦扭矩，N·mm

    Mm=Mm1+Mm2

    Mm1———球体与左阀座密封面间的摩擦转矩，N·mm

    Mm2———球体与右阀座密封面间的摩擦转矩，N·mm    

    Q_MZ———球体与右阀座密封面间的摩擦转矩，N·mm

    F———实际弹簧加载预紧力，N

    f_M———球面与密封面的摩擦系数

    R———球体半径，mm

    φ———球体与密封圈接触点与通道轴法向夹角，（°）

    Mt———阀杆与填料间的摩擦扭矩，N·mm

    Mt=1．2πμ_td_Fh_TP

    μt———摩擦系数

    d_F———阀杆直径，mm

    h_F———填料总深度，mm

    M_μ———阀杆台肩与止推垫间的摩擦扭矩，N·mm

    D_T———阀杆凸肩直径，mm

    将数值代入，可算得M。

    4.3 碟形弹簧

    根据设计要求，选择无支承面碟形弹簧（图2）。为保证最小必需比压q_minMPa，预紧作用力Q1和碟形弹簧负荷F为

图2 碟形弹簧

    因为选择了无支承面碟簧，因此K₄=1，总高H₀=3.2mm，可压总高h₀=2.2mm，外径D=72mm，内径d=57.8mm，厚度t=1mm，减薄厚度t'=1mm，变形量f=1mm，弹性模量E=214000N/mm²，泊松比μ=0.3，可求得F=1629N。则F＞Q₁，碟簧的结构设计可以保证球阀的初始密封。

    4.4  参数分析

    （1）根据计算数据可得qb＜q＜［q］，实现了球阀的金属密封副密封。

    （2）根据ASMEB16.34选取安全的阀门壁厚，并对中法兰和螺栓螺母强度验算。

    （3）根据计算获得的总摩擦扭矩对阀杆强度校核，并根据总摩擦扭矩选择合理的执行机构。

    （4）参照外型结构尺寸标准，完成整套图纸设计。

    5 结语

    阀门通过强度性能试验、密封性能试验、抗磨损性能试验以及实际工况使用证明，金属密封耐磨损球阀适用于含有大量固体颗粒的高温高压介质工况，如聚丙烯项目中反应釜下料管道中含有大量聚丙烯颗粒工况，有机硅项目中含有高硬度硅粉颗粒工况等。