浮動式金屬硬密封球閥

一、引言

金屬硬密封結構很多，比如楔式硬密封球閥、撐開式硬密封球閥、偏心球閥(包括偏心半球閥)的結構等等。本文主要介紹的是浮動球閥和固定球閥的密封副結構、特點及其應用場合。可以有針對性地解決所有金屬密封球閥普遍存在的球體和金屬閥座密封面在開啟和關閉過程中的摩擦問題；球體和金屬閥座密封面在高溫狀態下材料熱膨脹的吸收問題；以及球閥密封副的耐磨、耐沖蝕問題。下面是根據閥門的結構和工藝以及工作環境和應用行業的不同，對硬密封球閥的結構進行描述。

二、浮動硬密封球閥

浮動硬密封球閥的結構見圖1，它由閥體、閥蓋、球體、閥座、閥桿、彈簧、墊片等零件組成。一般浮動硬密封球閥采用出口端密封結構(圖2)，即進口端閥座采用板簧或壓簧加載結構，閥座與閥體之間沒有設置密封元件。在高溫或低溫狀態下，閥體、球體與閥座的變形量被板簧或壓簧吸收，故閥門能夠在高溫或低溫狀態下靈活啟閉，避免由于熱脹冷縮引起的球體與閥座的卡死現象。而在閥門關閉位置時，在彈簧力和介質壓力的作用下，球體向出口端閥座形成推力，保證閥座與球體、閥座與閥體在低壓和高壓狀態下都能產生密封效果。閥門在低壓狀態下由彈簧的加載力來保證閥門密封。該閥類有較低的閥門操作力矩，選擇不同材料并對球體和閥座密封面進行不同表面處理，確保密封可靠、且耐高溫耐磨損、耐腐蝕、使用壽命長。具有在超高壓、粉塵、含固體顆粒和纖維物等惡劣工況的操作能力。球體和閥座之間具有良好的剪切、自潔功能、適合對含顆粒、纖維介質的控制。

浮動硬密封球閥除了可設計成出口端密封外，還可以設計成進、出口端密封，見圖3。即在閥門進口端閥座和閥體之間設置一密封元件，利用介質壓力對進口端閥座形成的活塞效應，在彈簧力和介質壓力的作用下，把進口閥座和球體推向下游(出口端)閥座，從而保證閥門進、出口端都能達到密封效果。

浮動硬密封球閥結構可適用下列工況：

(1)低溫型，一般適用于低溫場合的介質切斷控制，介質溫度達到—196℃。閥體及內件均經過—196℃液氮低溫深冷處理，采用加長型閥蓋，確保閥門在超低溫狀態下正常使用，泄漏量達到氣體零泄漏。

(2)高溫型，適用于高溫場合的介質切斷控制，介質溫度高達+650℃。閥體及內件全部采用耐高溫特殊合金鋼，經過特定的熱處理，采用加長散熱型上閥蓋，確保該閥在高溫狀態下正常使用，泄漏量達到氣體零泄漏。

應用工況：火力發電機組的主蒸汽系統停用時必須打開各級疏水閥排放蒸汽冷凝水，杜絕蒸汽凝結水腐蝕損傷高溫高壓管線和相關設備。這種應用要求疏水閥門能在高溫高壓下長時間嚴密關斷，浮動硬密封球閥就具備這種能力。

上述浮動硬密封球閥閥座結構型式：出口密封型和進出口密封型，可根據客戶要求和具體的工藝工況來進行選用。主要內件材料推薦如下：

閥座：SUS316/鈷基合金

墊片：石墨+SS

彈簧：17-7PH或INCONEL 750

溫度范圍：-196℃～400℃或-196℃～650℃：

金屬硬密封固定球閥

三、固定硬密封球閥

固定硬密封球閥的結構見圖4。它由閥體、閥蓋、球體、閥座、閥桿、彈簧、墊片等零件組成。一般固定硬密封球閥根據壓力的大小、介質性質及密封要求的不同而選擇進口端密封結構。閥座密封根據工況溫度可選O型圈密封、石墨墊片或自緊式石墨密封；這些結構可根據工況的實際情況合理選用，可以達到滿意的效果。硬密封固定球閥一般采用球前密封結構，具有雙切斷雙排放功能(DBB結構)，其密封原理在閥門設計手冊中均有描述，故此不再重復。

本文介紹兩種進口密封結構形式：一種是石墨墊片或壓力自緊式密封結構，如圖4.5b所示，當閥門處于關閉位置時，閥座與閥蓋間的密封由密封圈來保證密封，即采用壓力自緊密封結構原理，當閥腔內無介質壓力時，由彈簧產生的預緊力，作用在壓環上，使密封圈與閥體、閥座之間形成初始的密封條件—密封圈預緊比壓。當閥腔內介質壓力升高時，由于閥座的活塞效應，壓環受介質壓力的作用壓緊密封圈，使之與閥蓋和閥座之間密封比壓隨壓力的增加而逐漸增大。與此同時，閥座密封面始終與球體保持緊密接觸，確保閥門在高、低壓差下均能達到無泄漏的密封。當閥門中腔介質壓力異常升高時，出口端閥座會自動向下游排放壓力。

另外一種是O型圈密封結構，見圖5a。當閥門處于關閉位置時，進出口端閥座與閥蓋問的密封由O型圈來保證密封，即介質壓力作用在閥座上，產生活塞效應，推動閥座與球體緊密接觸。當閥門中腔介質壓力異常升高時，在中腔壓力作用下，出口端閥座會自動向下游排放壓力。

這兩種進口密封結構固定硬密封球閥可適用于下列工況：

(1)高耐腐蝕、高耐磨金屬硬密封球閥，主要應用于國內煤改油甲醇項目中，其中，高壓工況的氧氣切斷，壓力為2.O～5.OMPa。由于氧氣介質的特殊性，氧氣流速必須控制一定的流速內，因此高壓氧氣切斷型金屬硬密封球閥也進行了特定的改進，閥內件采用MONEL。等特殊合金材料，確保閥門在打開的瞬間把氧氣流速控制在25m/s以下，泄漏量為氣體零泄漏，達到國家標準及用戶使用要求。隨著我國煤改油項目及甲醇項目的大規模發展，高壓氧氣切斷閥在該裝置中得到大量使用，而此前高壓氧氣切斷閥基本上是引進國外閥門廠家。因此，高壓氧氣切斷金屬硬密封球閥成功開發和應用，足以打破這種完全依賴進口的局面。

(2)高溫高壓蒸汽切斷型，應用于高溫高壓狀態的蒸汽切斷，一般多見于大型石化工廠主蒸汽疏水管路，溫度為300℃～500℃，壓力為3.0～5.OMPa，閥門通徑為DN200～DN600。由于高溫、高壓、口徑大等因素，通過采用獨特的研磨設備和研磨技術，成功解決的大口徑球閥球體的研磨難題，確保該閥在高溫高壓狀態下正常使用，泄漏量達到氣體零泄漏的技術要求。

固定硬密封球閥閥座形式主要有以下幾種(密封結構簡圖見圖5)。

應用工況：在煤氣化裝置中的水煤漿輸送和干煤份輸送管路中、大型乙烯裝置中和冶金、污水處理、造紙業中主要是煤粉輸送、煤粉噴射系統、灰渣排放系統、污泥、廢水處理、紙漿輸送等作為多相流的切斷裝置都可以選用硬密封固定球閥。

四、硬密封球閥的工藝特點

a、超音速火焰噴涂工藝

閥座和球體表面采用表面熱噴涂設備—超音速火焰噴涂(HVOF)其工藝：氫氣、氧氣充分燃燒爆炸后，產生高速火焰，火焰速度高達6000碼/秒(三倍音速)，通過特別設計的噴槍，金屬粉末粒子(材料可根據用戶要求選擇)被高速噴涂到球體表面及閥座的密封面上，從而形成致密的、具有極強粘結度的涂層，法向粘結強度達70MPa，涂層表面硬度最高可達62—70HRC，不容易被介質及介質中的雜質劃傷。火焰噴涂工藝可以做到硬度及強度完美的統一，并不受溫度的影響。

b、“配對”精密研磨工藝

硬密封球閥球體與閥座之間“配對”精密研磨。由于球和閥座的硬度比較高，可采用獨特的磨料、工藝和工裝，在引進和改制的精密研磨機上進行研磨，密封效果可以達到“零”泄漏。對于大口徑的閥門都采用人工研磨的方式，每一個閥的品質都得以保證。

c、優質的密封材料

選用優質、合理的閥座密封材料是保證閥門使用性能的重要因數。但這必須在確保了解工況介質的前提下，才能發揮其特性。因此，根據我們天沃泵閥公司多年來的供貨經驗和使用場合，我們將硬密封球閥分為四種類型，具體參見圖5。

五、結束語

硬密封球閥雖然有各種不同結構，設計者必須根據不同工況需要，采用不同的設計。

從設計上講，金屬對金屬的密封以線密封為佳，從密封原理上及密封比壓上最易保證密封，在很小的預緊力情況下就能保證足夠的密封比壓，使金屬密封球閥達到密封。但這要根據管道的壓力等級和口徑大小來定閥座密封面的接觸寬度，以防密封面被壓潰。

球體和閥座密封面的加工精度是一個不容小視的問題。對于球體的圓度誤差，一定要控制(根據球徑大小而定)在很小的范圍內，閥座的制造精度一般應高于球體。其球體和閥座密封面的表面粗糙度應不高于Ra0.2。為了提高球體表面硬度和耐磨性，可進行表面硬化處理。這樣，有利于保證密封性能，降低開啟和關閉時的操作力矩。對于球體和閥座外表面及閥桿連接的槽以及其他零件閥桿、填料孔等零件的加工精度均需提高，才能保證硬密封球閥在極限工作狀態下工作的可靠性和靈活性。

硬密封球閥的閥桿密封采用柔性石墨填料，法蘭采用夾不銹鋼絲柔性石墨或金屬纏繞石墨墊片，具有本質防火安全和防靜電功能。采用下裝式閥桿，防飛出閥桿結構，從而避免因對閥門誤操作造成閥桿飛出事故。

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