戴文柏 高斌文 王邦捷

（聖博萊閥門有限公司，上海，201506）

　　摘　要：介紹了煤化工用硬密封（fēng）固定球（qiú）閥部分結構的優化改進設計，涉及閥座與（yǔ）閥體靜密封結構、閥杆與球體連接結構、球體（tǐ）樞軸固定結構及（jí）上、下軸承結構，通過上述改進，提高（gāo）了閥門的性能和使用壽命（mìng）。
　　關鍵詞：煤化工；硬密封球閥；閥座；閥杆；樞軸

　　煤炭作為中國的主要化石能源之（zhī）一，其所衍生的產業結構門類齊全、種類繁多。一直以（yǐ）來（lái），煤（méi）化工行業對中國國民經濟（jì）的持續發展、戰略需要作出了巨大貢獻（xiàn）。

　　煤化工行業經過多年發展，產能產值已（yǐ）達到一定規模，傳統煤（méi）化工不再（zài）擴大規模，新型煤化工的產業格局已基本成型。目前，由於原油價格持續走低、國內節（jiē）能減排環保意識增加、經濟增速放緩，我國煤化工（gōng）行業正處於（yú）供大於求、產能過剩的低迷期。在這種大（dà）背景下，對煤化工裝置可（kě）靠運行提出了更高的要求，需要在原（yuán）有規模的基（jī）礎上有更多的（de）技術升級（jí）和新技術、新產品的發明創新來提升煤炭的高質高效（xiào）利用，提（tí）高整體煤化工產業（yè）的經濟效益和產品競爭力，避免沒有技術含量的重複建設。

　　針對煤化工裝（zhuāng）置（zhì）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）過借鑒國（guó）外先進技術，對其深化、優化，進行技術創新，開發新（xīn）產品，降低閥門設計製造成本，嚴格控製閥門質量，提（tí）高產品附加值（zhí），逐（zhú）步替（tì）代進口，實現閥門國產化。

　　本文對煤化工用硬密封固定球（qiú）閥的部分結（jié）構進行了優化改（gǎi）進。

　　1　結構分析及（jí）改（gǎi）進

　　1.1閥座密（mì）封結構

　　球（qiú）閥硬密封副結構形式見圖1。雙閥座結構，具有雙阻斷DBB功能，自泄壓及自清潔設計，閥座與球體配對研磨，帶狀（zhuàng）密封以實現零泄漏，可選多種（zhǒng）表麵塗層，彈簧設計動態補償、壓（yā）差平衡、根除防抱死失效功能。閥座設有防渣結構，能有效防止煤粉（渣）從閥腔和流道進入閥（fá）座密封腔。

 

1—閥體；2—凹壓環；3—防塵石墨圈；4—凸壓環；5—碟形（xíng）彈（dàn）簧；6—壓環；7—石墨環；8—閥座；9—球體（tǐ）

　　相對於普（pǔ）通球閥組合式閥座結構，本閥座結構設計（jì）結合（hé）煤化工特殊工況（kuàng），對其進行針（zhēn）對性優化設計。采（cǎi）用整體式（shì）閥座，將石墨環、壓環、碟形（xíng）彈（dàn）簧、凸壓環、防塵石墨圈、凹壓環藏於（yú）閥座內（nèi）部，其優點在於：保證了閥座原有（yǒu）功能的同時，減少了介質通過靜密封麵時的泄（xiè）漏，避免（miǎn）顆粒（lì）介（jiè）質對其他零件的衝蝕，簡（jiǎn）化了彈簧腔的防塵結（jié）構，同時整體密封結構也更加穩定。

　　閥座通道（dào）采用流線（xiàn）型（xíng）設計，使流體（tǐ）阻力更小，消除結構死角，減（jiǎn）少介質淤積結垢，特別適合混雜（zá）著硬質顆粒的兩相流體介（jiè）質。

　　閥座預緊力使用碟形彈簧提供，無論溫度和壓力如何變化，它始終給閥座一個推力，既能保（bǎo）證閥門在低壓工況下的密封性能，又（yòu）能修補密封麵的磨損，保證閥座的泄漏等級達到要求，彈簧腔碟簧數量可根據閥（fá）門工況靈活設計：①可（kě）單獨使用（yòng）；②可（kě）采用對合形式（shì）疊加，彈簧預緊力不變，但能提供更大的彈簧變形量（liàng），去彌補加工誤（wù）差和長時間高（gāo）溫高壓使用（yòng）後造成的（de）密封麵磨損，保證球體和密封麵始終高度吻合；③采用疊合形式疊加，彈簧變（biàn）形量不變，能提供更大的彈簧預緊力，彌補彈簧長時間使用後預緊力不足的缺（quē）點（diǎn），彈簧腔（qiāng）組（zǔ）合結構見圖2。

　　在閥座上設置有材（cái）料為柔性石墨的成型石墨環。石墨環結構屬於靜密封，與（yǔ）閥體接觸麵積大，在高壓環（huán）境中摩擦、磨損問題（tí）比較突出。通過對石墨環進行分析，對其受閥座和碟簧壓緊的情（qíng）況進行力學分析，運用彈性力學方麵的有關理論（lùn），建立石墨環受力分布和變形分布的計算模型，得出接觸麵圓錐形的軸向壓力和徑向壓力分（fèn）布比較合理（lǐ）、其均勻性隨著圓錐角度的增加而增加（jiā）的結論。

　　所以在石墨環上設計有兩個不同角度（dù）的圓錐麵角度Ⅰ和角度Ⅱ，這樣設計可滿足石墨環（huán）軸向和徑向（xiàng）壓力分布的遞增，越靠近密封點處比壓越（yuè）大，而與之配合的閥座處角度存在1°～2°的差值，也增強了石墨環徑向密封自動補償功能，閥座石墨環結構（gòu）見圖3。

 

1—碟形彈（dàn）簧；2—閥體（tǐ）；3—壓環；4—石墨環；5—閥座

　　圓錐形結構也使石墨（mò）環所需的Z大壓緊力變小，減輕了石墨環的（de）磨損，延長了工作壽命，同時因為圓錐形結構特點，更容（róng）易安裝和更換。

　　為了（le）防止固體顆粒進入閥座（zuò）背密封（fēng）區域影響閥門的密封性（xìng）能，除了閥座采用刮刀結構（gòu）設計（jì），在開（kāi）啟或者關（guān）閉過程中（zhōng）對球體（tǐ）密封麵進行（háng）刮擦作用外，還采用了防顆粒閥（fá）座設計（jì），閥座後麵采用凹、凸壓環結構雙層防塵石墨圈密封，在彈簧預緊力下防止顆粒介質進入彈簧腔後結垢堵塞，造成彈簧（huáng）失效。防塵石墨圈與凹（āo）壓環接合處設計成帶一定角度的錐麵，可實現自（zì）密封功能，在增加了密（mì）封接觸麵積的同時，也受碟簧推力形成斜（xié）向擠壓力，壓力越大，自密封作用越好，閥座防塵結構見（jiàn）圖4。

1—凹壓環；2—防塵（chén）石墨圈；3—凸壓環

　　1.2閥杆與球體連接結構設（shè）計

　　閥杆與球體連接有多種（zhǒng）結構，為適應煤（méi）化工高溫高壓、多相流等苛刻工況場合，在煤化工（gōng）用硬密封球閥中，我們選用銷連接同心結構，以下為各（gè）種連接（jiē）方（fāng）式介紹。

　　1.2.1方（fāng）槽（cáo）或矩形（xíng）槽連接

　　采用這種連接結構，閥杆與球（qiú）體在（zài）接觸麵上的（de）比壓分布是不（bú）均勻的，球體（tǐ）連接槽比壓分布見圖5。球閥經過一（yī）段（duàn）時間啟閉運行後（hòu），球體與閥杆的連（lián）接接觸部位會有不同程度的磨損，原有的緊密配合變成間隙配合，這樣會使（shǐ）閥杆與球體接觸（chù）麵擠壓應力（lì）極不均勻，局部擠壓麵擠壓由彈性變（biàn）形惡化到塑性變形。在球體連（lián）接麵附近（jìn）的塗（tú）層（céng）會龜裂和脫落（luò），嚴重時塗（tú）層龜裂會擴展至密（mì）封麵導致閥（fá）門密封失效，球體擠壓變形見（jiàn）圖6。

 

注：Lzy—擠壓（yā）長度；Bzy—擠壓應力

 

　　1.2.2鍵連接（jiē）

　　鍵在軸槽中易鬆動，軸上（shàng）鍵槽端部應力集中較大，並且鍵槽需在銑床上加工，加工工藝相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球體與閥杆的圓（yuán）心中心不在一條直線上，加（jiā）工工藝性也簡單。這種結構接觸麵比壓分布均（jun1）勻，閥（fá）杆聯接部分的近似擠壓應力和近似剪切應力較傳統矩形聯接小（xiǎo），球體（tǐ）與閥杆梢連接結構見圖7。此連接方式具有傳（chuán）統鎖渣（zhā）閥中連杆球（球體與閥杆一體連接）的（de）優勢（shì），操作（zuò）力矩穩定（dìng），傳遞扭（niǔ）矩足夠大，同時又避免連杆球（qiú）的（de）固有缺陷，當球（qiú）體和閥杆一體化設計時閥杆在介質力（lì）的作用下會有（yǒu）一個（gè）向（xiàng）上位移的趨勢，進而會造成球體與閥座接（jiē）觸圓周上的分（fèn）布比壓不均勻，在閥門開關過程中磨損也會不均勻，Z終會導致閥門（mén）的泄漏（lòu）。

1—閥座；2—球體；3—主（zhǔ）閥體；4—閥杆；5—傳動（dòng）銷；6—副閥體

　　1.3球體采用軸類固定結構（gòu）

　　上、下樞軸支撐固定球體，確保球體精確定位。使球體在介質壓力作用下無閥體軸線方向的移動，結構簡單，可靠性強。下部樞軸（zhóu）作為閥門底部的承（chéng）壓件，也是閥體下部密封墊片、彈簧調整機構的固定和安裝部件（jiàn）。

　　同（tóng）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（gāi）彈簧不僅可（kě）以承載球體的自（zì）身質量，而且（qiě）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線的徑向距離，從而使閥座與球（qiú）體密封副中心建立良好的吻合關係，提高閥門密封性能，也能（néng）導出球體因各（gè）種原因產生的靜電，該結構已獲（huò）得國家知識產權（quán）局授權的實用（yòng）新型專利證書，專利號ZL201220254769.2，並在神華寧（níng）煤煤炭間接液化項目中（zhōng）進行應用，效果良好。

　　此外，在煤化工生產中，介質大多含有大量固體顆（kē）粒，這些細小顆（kē）粒進入軸承和樞軸中會（huì）磨損軸承、樞軸表麵，形成擦傷、劃（huá）痕，降低軸承壽命，甚至在堆積堵塞下導致閥門卡死（sǐ）。因（yīn）此在下樞（shū）軸處設計一台（tái）肩，安裝石（shí）墨（mò）防塵圈，阻止介質顆粒對樞軸（zhóu）和軸承的損傷，球體下樞軸結構見圖8。

1—閥座；2—球體（tǐ）；3—主閥體；4—防塵圈；5—樞軸；6—墊塊；7—軸承；8—副閥（fá）體（tǐ）

　　也有很多種固定球閥球體采用了支撐板結構來優化（huà）閥杆的受力情況，例如管線球閥、氧氣專用球閥等，但對於煤化工工況介（jiè）質來講，支撐（chēng）板結構複雜，介質（zhì）流通性不好（hǎo），容易導致大量固體顆粒黏結（jié）在閥腔內部形成結垢，堵（dǔ）死閥腔，並不適用，球（qiú）體支撐板結構見圖9。

1—閥座；2—副閥體；3—支撐板（bǎn）；4—球（qiú）體；5—軸承；6—減磨墊；7—銷；8—主閥體

　　1.4軸承（chéng）結構

　　與球體、閥杆和閥體配合的軸承進行內表麵（miàn）硬化，硬化方式為噴塗硬質合金或氮化處理，使其耐磨性能（néng）大（dà）大提高。在高溫狀態下依然具有高硬度與（yǔ）耐磨性，能確保閥門在長期（qī）啟閉時不會出現“咬死”的情況。同時（shí）能（néng）有效降低閥門操作扭矩，增強（qiáng）填料密封性能，還能為閥杆導（dǎo）向，消除閥杆徑向移動對填（tián）料的磨損。為防（fáng）止顆（kē）粒進入，保護閥杆（gǎn）和填料函，在軸承下端部和外側設計安裝防（fáng）塵圈Ⅰ、Ⅱ，保護閥杆和填料函，軸承結構（gòu）見圖（tú）10。

1—閥杆；2—閥體；3—軸承；4—填料（liào）箱；5—墊片；6—填料；7—防（fáng）塵圈Ⅰ；8—防塵圈Ⅱ

　　2　結（jié）語

　　隨著技術的發展，金屬硬密封耐磨球閥（fá）的應用領域將更加廣泛，通過（guò）以上對硬密封球（qiú）閥四個結構的剖析，並（bìng）針對煤化工行業的實際工況特點，對（duì）這幾處結構進行優化設計，有利於提高閥門的性能和使用（yòng）壽命。希望本文的論點能夠對閥門行業的建設提供一定的參（cān）考，對提升我國閥門設計水（shuǐ）平起到積（jī）極（jí）作用。

來源：《化肥設（shè）計》2016年5期