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高溫球閥密封原理及結構分析

來源: 上海閥門時間: 2012-06-08 點擊: 6,920

1．概述

球閥由于具有流體阻力小、操作方便、啟閉迅速、密封性好、可靠性高等特點，在短短的數十年里發展迅速，尤其在石油化工、長輸管線及城市供暖等行業得到了廣泛的應用。然而工業和民用領域大量使用的球閥是閥座材料為聚四氟乙烯(或填充聚四氟乙烯)的軟密封球閥，其使用溫度不超過200℃。由于在高于250℃條件下可作為球閥軟密封閥座的高分子材料品種有限，高溫球閥閥座基本上采用金屬制作，即高溫球閥密封通常采用硬密封形式。近年來為了滿足高溫工況的需要，硬密封球閥得到了迅速發展，國內外不少球閥生產企業在高溫硬密封球閥結構上做了不少工作，通過優化密封結構設計研究，高溫球閥啟閉扭矩明顯降低，壽命大大延長，使用性能顯著提高。

2．高溫球閥硬密封結構研究

2．1 高溫球閥的密封特點

高溫球閥的密封特點主要是采用金屬密封副，其優點是適用溫度范圍廣，各種金屬的熱膨脹系數相差不大，只要選用得當，可以達到基本一致，有利于協調溫差變形。缺點是材料硬度高，達到密封所必需的比壓高，即使采用預緊力達到密封，但因密封比壓大，閥座和球體之間的磨損也很大，而且由于金屬密封面摩擦系數較大，導致球閥的啟閉力矩較大。因此，高溫球閥大多采用彈性密封結構。彈性密封結構性能可靠，彈性補償能力強，適用溫度范圍廣，并對浮動球和固定球結構球閥都適用。

高溫球閥在預緊力和流體壓力的作用下，閥座與球體壓緊，使閥座材料產生變形而達到密封。其密封效果取決于閥座在流體壓力和預緊力的作用下，能夠補償球體不圓度和微觀不平度的程度。因此，閥座與球體之間必須具有足夠大的密封比壓q_b，且應滿足以下條件：

q_b<q<[q]

式中：q_b ——保證閥門密封的必須比壓(MPa)；

q ——閥門工作時的實際比壓(MPa)；

[q] ——閥座材料的許用比壓(MPa)。

2．2 高溫球閥密封結構分析

2．2．1 浮動球球閥密封結構

圖1所示是一種硬密封高溫球閥結構圖，它由閥體、球體、閥桿、金屬閥座及閥座與閥體間的柔性石墨密封圈組成。兩個閥座以閥桿軸心為對稱中心嵌入閥體，閥座可在閥體嵌入槽中滑動，閥座與閥體之間的密封靠柔性石墨密封圈來實現。由于柔性石墨密封圈可壓縮變形，該結構球閥在一定溫度范圍內使用不會因球體受熱膨脹卡死不能動作，此結構硬密封球閥可使用于溫度不超過343℃的場合。

高溫球閥用金屬彈性圈作硬密封球閥閥座密封圈，用來補償溫差、壓力、磨損等外界條件變化對球閥密封性能影響，結構如圖2所示。它由閥體、球體、閥桿、金屬閥座、閥座與閥體間的柔性石墨密封圈、金屬彈性圈、金屬彈性圈壓環及密封墊組成。兩個閥座一個為可在閥體嵌入槽中滑動的金屬閥座，另一個為可變形的金屬彈性圈閥座。該結構球閥在球體受熱膨脹時金屬彈性圈閥座可變形，使球體不致卡死不能動作。

高溫球閥使用蝶簧加載密封副結構，是國內最常采用的一種硬密封高溫球閥結構，結構如圖3所示。它由閥體、球體、閥桿、閥后閥座、閥后閥座密封圈、閥前閥座、閥前閥座密封圈、壓環及蝶形彈簧等組成。閥前閥座、閥前閥座密封圈、壓環為一組件，蝶形彈簧壓在組件上。球閥裝配后蝶形彈簧受壓，它一方面為閥門密封提供初始力，另一方面壓縮閥座和閥體間的密封圈，使閥座和閥體間密封。該結構球閥兩個閥座以閥桿軸心為對稱中心嵌入閥體，閥座可在閥體嵌入槽中滑動，在球體受熱膨脹時閥座組件滑動，蝶形彈簧受壓變形，避免球體卡死不能動作。

圖4所示是近年來某國外閥門企業推出的一種硬密封高溫球閥結構，它由閥體、球體、閥桿、閥前閥座、蝶形彈簧、閥后閥座、閥后閥座與閥體間的柔性石墨密封圈等組成。球閥閥后閥座通過螺紋直接旋人閥體并壓縮柔性石墨密封圈，使閥后閥座和閥體間密封，不再依靠蝶形彈簧壓縮柔性石墨密封圈來保證閥座和閥體間的密封。球閥閥前閥座徑向與閥體間有問隙，在球體受熱膨脹時閥前閥座可在閥體槽中自由滑動，壓縮蝶形彈簧變形，使球體避免卡死不能動作。該結構硬密封球閥原理已被多家國外公司采用。

2．2．2 固定球球閥密封結構

高溫球閥在某些高參數工況下常采用固定球式硬密封結構，如圖5所示。它主要由閥體、球體、閥座、上閥桿、下閥桿、螺旋彈簧、壓板、閥座與閥體間密封圈組成。球體由上、下閥桿支撐定位，在介質壓力作用時，球體無閥體軸線方向的位移。兩閥座可在閥體槽中滑動，當球體受熱膨脹時球體推動閥座在閥體槽中滑動并壓縮彈簧變形，使球體不致卡死不能動作。應用中螺旋彈簧可用蝶形彈簧取代，亦可將閥桿與球體制作成一體式結構形式。

在某些場合高溫球閥被設計成帶波紋管的硬密封結構，如圖6所示。它由閥體、波紋管、蝶簧、閥座、球體、上閥桿、下轉軸等組成，閥座與閥體間的密封靠波紋管實現。該結構球閥的初始密封力由蝶簧和波紋管的變形共同提供。在高溫狀態下膨脹的球體推動閥座向兩邊移動，壓縮蝶簧和波紋管，其優點是密封性能可靠，彈性補償范圍大，并且在三維空間靈活自如。