戴文柏，高斌文，王邦捷
（聖（shèng）博萊閥門有限公司，上海　201506）

　　摘　要：介紹了煤（méi）化工用硬密（mì）封固定球閥部分結構（gòu）的優化改進設計，涉及閥座與（yǔ）閥體靜密封結構、閥杆與球體連接結（jié）構、球體樞軸固定（dìng）結構及上、下軸承結構，通過上（shàng）述改進，提高了閥門（mén）的性能和使用壽命。

　　關鍵詞：煤化工；硬密封球閥；閥座；閥（fá）杆；樞軸

　　煤炭作為中國的主要化石能源之一，其所衍生的產業結構門類齊全、種類繁多（duō）。一直以來，煤化工行業對中國國民經濟的持續發展、戰略需要作出了巨大貢（gòng）獻。

　　煤化工行業經過多年發（fā）展，產能產值已達到一定（dìng）規（guī）模，傳（chuán）統煤化工不（bú）再擴大規模，新型煤化工的產業格局已基本（běn）成型（xíng）。目前（qián），由於原油（yóu）價格持續走低、國內節能減排環（huán）保意識增加、經濟增速放緩，我國（guó）煤化工行業正處於供大於求、產能過剩的低迷期。在這種大背景下，對煤化工裝置可靠運（yùn）行提出了更（gèng）高的要（yào）求，需要在原有規模的基礎上有更多的技術升級和新技術、新產品的發明創新來提升煤炭的高質高效利用，提高整體（tǐ）煤（méi）化工產業（yè）的經濟效益和產品競爭力，避免沒有技術含量的重複（fù）建設。

　　針對煤（méi）化工裝置中不可或缺的設備———球閥，也應對其有更高的技術要求和自主開發能力。可以通（tōng）過借鑒（jiàn）國外先進技術，對其深化、優（yōu）化，進行技（jì）術創新，開發新產品（pǐn），降（jiàng）低閥門設計製造成本，嚴（yán）格控製閥門（mén）質量（liàng），提高產品附加值，逐步（bù）替代進口（kǒu），實現閥門國（guó）產化（huà）。

　　本文對煤化工用硬密封固定球閥的部分結構進行了優化改進。

　　1　結構分析及改進

　　1.1閥座密封結構

　　球閥硬密封副（fù）結構形式見圖1。雙閥座（zuò）結構，具有（yǒu）雙阻斷DBB功能，自泄（xiè）壓及自清（qīng）潔設計，閥座與球體配對（duì）研磨，帶狀（zhuàng）密封以實現零泄漏，可選多種表麵塗層，彈（dàn）簧（huáng）設計動態補（bǔ）償、壓差平衡、根除防抱死失效功能（néng）。閥座設有防（fáng）渣結構，能有效防止煤粉（渣）從閥腔和流道進入閥座密封腔。

　　相對於普通球閥組（zǔ）合式閥座結構，本閥座結構設計結合煤化工特殊工況（kuàng），對其進行針對性優（yōu）化設計。采用整體式閥座，將石墨（mò）環、壓環、碟形彈簧（huáng）、凸壓環、防塵石墨圈、凹（āo）壓環藏於閥座內部，其優點（diǎn）在於：保（bǎo）證了閥座原有功能的同時，減少了介質通過靜密封麵時的泄漏，避免顆粒介質對（duì）其他零件的衝蝕，簡化了彈簧腔的防塵結構，同時整體（tǐ）密封結構也更加穩定。

　　閥座通道采用流線型設計，使流體阻力更小（xiǎo），消除（chú）結構死角，減少介質（zhì）淤（yū）積結垢，特別適合混雜著硬質顆粒（lì）的兩相流體介質。

　　閥座預緊力使用碟形（xíng）彈簧提供，無論溫度和壓力如何（hé）變化，它始終給閥座一個（gè）推力（lì），既能（néng）保證閥門在低壓工況下的密（mì）封性能，又能修補密（mì）封麵的磨損，保證閥座的泄漏等級達到（dào）要求，彈簧（huáng）腔（qiāng）碟簧數量可根據閥門工況靈活設計：①可單獨使用（yòng）；②可采用（yòng）對合形式疊加，彈簧預緊力不變，但能提供更大的彈（dàn）簧（huáng）變形量，去彌補加工誤差和長時（shí）間高溫高壓使用（yòng）後造成的密封麵磨損，保證球體和密封麵始終高度吻合；③采用（yòng）疊合形式疊加，彈簧變形量（liàng）不變，能提供更大的彈簧（huáng）預緊（jǐn）力，彌（mí）補彈簧長時（shí）間（jiān）使用後（hòu）預緊力不足（zú）的缺點，彈簧腔組合結（jié）構見圖2。

　　在閥座上設置有（yǒu）材料為（wéi）柔（róu）性石墨的成型石墨環。石墨環結構屬於靜密封，與閥體接觸麵積大，在（zài）高壓環境（jìng）中摩擦、磨損（sǔn）問（wèn）題比較（jiào）突出。通過對石墨環進行分析，對其受閥座和碟簧壓緊的情況進行力（lì）學分析，運用彈性力學方麵的有關理論，建立石墨環受力分布和變（biàn）形分布的計算模型（xíng），得出接觸麵圓錐形的（de）軸向壓力和（hé）徑向（xiàng）壓力分布比較合理、其均勻性隨著圓錐角度的增加而增加的結論。

　　所（suǒ）以在石墨環上設計有（yǒu）兩個不同角度的圓錐麵角度Ⅰ和角度（dù）Ⅱ，這樣設計可滿足石墨環軸向和徑向壓力分布的遞增，越靠近密封點處比（bǐ）壓越大，而與之配合的閥座（zuò）處角度存在1°~2°的差值，也增強（qiáng）了石墨（mò）環徑向密封自動補償功能，閥座石墨環結構見圖3。

　　圓錐形結構（gòu）也（yě）使石墨環所需的Z大壓（yā）緊力變（biàn）小，減輕了石墨環的（de）磨損，延長了工作壽命，同時（shí）因為圓錐形結構特點，更容易安裝和更換。為了防止（zhǐ）固體顆粒（lì）進入閥座背密封區域影響閥門的密封性能，除了閥座（zuò）采用刮刀結構設計，在開啟或者關閉過程中對球體密封麵進行刮（guā）擦作（zuò）用外，還采用了（le）防顆粒閥座設計，閥座後麵采用（yòng）凹、凸（tū）壓環結構雙層防塵石墨圈密封，在彈簧預（yù）緊力（lì）下防止顆粒介質（zhì）進入彈簧腔後（hòu）結垢堵塞，造成彈簧失效（xiào）。防塵石墨（mò）圈（quān）與凹壓環接合處設計成帶（dài）一定角度的錐麵，可（kě）實現自密封功能，在增加了密封接觸麵積的同時，也受（shòu）碟簧推力形成斜向擠壓力，壓力越大，自密封作用越好，閥座防塵（chén）結構見圖4。

　　1.2閥杆與球體連（lián）接結（jié）構設計
　　閥杆與球（qiú）體連（lián）接有多種結構，為適應煤化工高溫高壓、多（duō）相流等（děng）苛刻工況場合，在煤化（huà）工（gōng）用硬密封球閥中，我們選用銷連接同心結構，以（yǐ）下為各種連接（jiē）方式介紹。
　　1.2.1方槽或矩形槽連接
　　采用這種連接結構，閥杆與球體在接觸麵上的（de）比壓分布是不均勻的，球體連接槽比壓分布見圖5。球閥經過一（yī）段時間啟閉運行後（hòu），球體與閥杆的連接接觸部位會有（yǒu）不（bú）同程（chéng）度的磨損（sǔn），原有的緊密（mì）配合變（biàn）成間隙配合，這樣會使閥杆與球體接（jiē）觸麵擠壓應力極不均勻（yún），局部擠壓麵擠壓由（yóu）彈性變形（xíng）惡化到（dào）塑性變形。在球體連（lián）接麵附近的塗層會龜裂和脫落，嚴重時塗層龜裂會擴展至密封麵導致閥門密封失效，球體擠壓變形見圖6。

　　1.2.2 鍵連接
　　鍵（jiàn）在軸槽中（zhōng）易鬆動，軸上鍵槽（cáo）端部應力集中較大，並且鍵槽（cáo）需在銑床上加工，加工工藝相（xiàng）較其他連接結構複雜。

　　1.2.3銷連接
　　閥杆與球體銷連接（jiē）同心結構（gòu），避免因間隙配合導致（zhì）球體與閥（fá）杆（gǎn）的圓心中心（xīn）不在一條直線上，加（jiā）工工藝性也（yě）簡單。這種結構接觸麵比壓分布均勻，閥杆聯接部分的近似擠壓應力和近似剪切應（yīng）力較傳統矩形聯接小，球體與閥杆梢連接結構見（jiàn）圖7。此連接（jiē）方式具有傳統鎖渣閥中連杆球（qiú）（球體與閥杆一體連接）的優勢（shì），操作力（lì）矩穩定，傳遞扭矩足夠大，同時又避免連杆球（qiú）的固有缺陷，當球體和閥杆一（yī）體化設計時閥杆在介質力的作用下會有一個（gè）向上位移的趨勢，進而會（huì）造成球體與閥座（zuò）接觸（chù）圓周上（shàng）的分布（bù）比壓不均勻，在閥門開關過程中磨損也會不均勻，Z終會導致閥門的泄漏。

　　1.3球體采用軸類固定結構
　　上、下樞軸支撐固（gù）定球體，確保球體精確定位。使球（qiú）體在介質（zhì）壓力作用下無閥體軸線方向的移動，結構簡（jiǎn）單，可靠性（xìng）強。下部樞軸作為閥門底部的承壓件，也是閥（fá）體下部密封墊片、彈（dàn）簧調整機構的固定和安裝部件。
　　同時下樞軸上安裝有內置式彈簧調整機構，在墊塊下設有彈簧，該彈簧不僅可以承載球體的自身質量，而且可通過改變彈簧的壓縮量來調節球體中心與閥座流道中心（xīn）線的徑向距離，從而使閥座（zuò）與球體密封副中心建立良好的吻合關係，提（tí）高（gāo）閥門密封性能，也能導出球體因各種原（yuán）因產生的（de）靜（jìng）電，該（gāi）結構已獲得國（guó）家知識產權局授權的實用新型專利證書，專利號ZL201220254769.2，並在神華寧煤煤炭間接液化項目中進行應用，效（xiào）果良好。
　　此外，在煤化工生產中，介質大多含有大量固體顆粒，這些細小顆粒（lì）進入軸承和樞軸中會磨損軸承、樞軸表麵，形（xíng）成擦傷、劃痕，降低軸承壽（shòu）命，甚至在（zài）堆積堵塞下導致閥門卡死。因此（cǐ）在下樞軸處設計一台肩，安裝石墨防塵圈，阻止介質顆粒對樞軸和軸承的損（sǔn）傷，球體下樞軸結構見圖8。

　　也有很多種（zhǒng）固定球（qiú）閥球體采用了支撐（chēng）板結（jié）構來優化閥杆的受力情況，例如管線球閥、氧氣專用（yòng）球閥等，但對於煤化工（gōng）工況介質來講，支撐板結構複雜，介質流（liú）通性不好，容易導致大量固體顆粒黏結在閥腔內（nèi）部形成結垢（gòu），堵死閥腔，並不適用，球體支撐板結構見圖9。

　　1.4軸承結（jié）構
　　與球體、閥杆和閥體配合的軸承進行內表（biǎo）麵硬化，硬化方式為噴塗硬質合金或氮（dàn）化處理，使其耐磨性能大大提高。在高溫狀態下依然具有高硬度與耐磨性，能確保閥門在長期啟閉時不會出現“咬死”的情況（kuàng）。同時能有（yǒu）效降（jiàng）低閥門操（cāo）作扭矩（jǔ），增強填料密封性能，還（hái）能為閥杆導向（xiàng），消除閥杆徑向移動對填料的（de）磨損。為防止（zhǐ）顆粒進入，保護閥杆和填料函，在軸承（chéng）下端部和（hé）外側設計安裝防塵圈Ⅰ、Ⅱ，保護閥（fá）杆和填料函，軸承結（jié）構見圖10。

　　2　結語
　　隨（suí）著技術的發展，金屬硬密封（fēng）耐磨球閥的應用領（lǐng）域將更加廣泛，通過（guò）以上對（duì）硬密封球閥四個結構的剖析，並針對煤化工行業的實際工況特（tè）點，對這幾處（chù）結構進（jìn）行優化設（shè）計，有利於提高閥門的性能和使用壽命。希（xī）望本文的論點能（néng）夠對閥門行業的建設提供一定的參考，對提升我國閥門設計水平起到積（jī）極作用。

　　參（cān）考文獻：
　　[1]陸培文（wén）.實用閥門設計手（shǒu）冊[M].北京（jīng）：機械工業出版社，2012.

　　[2]章華（huá）友.球閥設計與選用[M].北京：科學技（jì）術出版社，1994.
　　[3]GB/T12237-2007，石油、石化及相關工業用的鋼製球閥（fá）[S].

來源（yuán）：《化肥設計》2016年5期