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高温球阀密封原理及结构分析

来源: 上海阀门 时间: 2012-06-08 点击: 3,170

1.概述

球阀由于具有流体阻力小、操作方便、启闭迅速、密封性好、可靠性高等特点,在短短的数十年里发展迅速,尤其在石油化工、长输管线及城市供暖等行业得到了广泛的应用。然而工业和民用领域大量使用的球阀是阀座材料为聚四氟乙烯(或填充聚四氟乙烯)的软密封球阀,其使用温度不超过200℃。由于在高于250℃条件下可作为球阀软密封阀座的高分子材料品种有限,高温球阀阀座基本上采用金属制作,即高温球阀密封通常采用硬密封形式。近年来为了满足高温工况的需要,硬密封球阀得到了迅速发展,国内外不少球阀生产企业在高温硬密封球阀结构上做了不少工作,通过优化密封结构设计研究,高温球阀启闭扭矩明显降低,寿命大大延长,使用性能显著提高。

2.高温球阀硬密封结构研究

2.1 高温球阀的密封特点

高温球阀的密封特点主要是采用金属密封副,其优点是适用温度范围广,各种金属的热膨胀系数相差不大,只要选用得当,可以达到基本一致,有利于协调温差变形。缺点是材料硬度高,达到密封所必需的比压高,即使采用预紧力达到密封,但因密封比压大,阀座和球体之间的磨损也很大,而且由于金属密封面摩擦系数较大,导致球阀的启闭力矩较大。因此,高温球阀大多采用弹性密封结构。弹性密封结构性能可靠,弹性补偿能力强,适用温度范围广,并对浮动球和固定球结构球阀都适用。

高温球阀在预紧力和流体压力的作用下,阀座与球体压紧,使阀座材料产生变形而达到密封。其密封效果取决于阀座在流体压力和预紧力的作用下,能够补偿球体不圆度和微观不平度的程度。因此,阀座与球体之间必须具有足够大的密封比压qb,且应满足以下条件:

qb<q<[q]

式中:qb ——保证阀门密封的必须比压(MPa);

q ——阀门工作时的实际比压(MPa);

[q] ——阀座材料的许用比压(MPa)。

2.2 高温球阀密封结构分析

2.2.1 浮动球球阀密封结构

图1所示是一种硬密封高温球阀结构图,它由阀体、球体、阀杆、金属阀座及阀座与阀体间的柔性石墨密封圈组成。两个阀座以阀杆轴心为对称中心嵌入阀体,阀座可在阀体嵌入槽中滑动,阀座与阀体之间的密封靠柔性石墨密封圈来实现。由于柔性石墨密封圈可压缩变形,该结构球阀在一定温度范围内使用不会因球体受热膨胀卡死不能动作,此结构硬密封球阀可使用于温度不超过343℃的场合。

高温球阀用金属弹性圈作硬密封球阀阀座密封圈,用来补偿温差、压力、磨损等外界条件变化对球阀密封性能影响,结构如图2所示。它由阀体、球体、阀杆、金属阀座、阀座与阀体间的柔性石墨密封圈、金属弹性圈、金属弹性圈压环及密封垫组成。两个阀座一个为可在阀体嵌入槽中滑动的金属阀座,另一个为可变形的金属弹性圈阀座。该结构球阀在球体受热膨胀时金属弹性圈阀座可变形,使球体不致卡死不能动作。

高温球阀使用蝶簧加载密封副结构,是国内最常采用的一种硬密封高温球阀结构,结构如图3所示。它由阀体、球体、阀杆、阀后阀座、阀后阀座密封圈、阀前阀座、阀前阀座密封圈、压环及蝶形弹簧等组成。阀前阀座、阀前阀座密封圈、压环为一组件,蝶形弹簧压在组件上。球阀装配后蝶形弹簧受压,它一方面为阀门密封提供初始力,另一方面压缩阀座和阀体间的密封圈,使阀座和阀体间密封。该结构球阀两个阀座以阀杆轴心为对称中心嵌入阀体,阀座可在阀体嵌入槽中滑动,在球体受热膨胀时阀座组件滑动,蝶形弹簧受压变形,避免球体卡死不能动作。

图4所示是近年来某国外阀门企业推出的一种硬密封高温球阀结构,它由阀体、球体、阀杆、阀前阀座、蝶形弹簧、阀后阀座、阀后阀座与阀体间的柔性石墨密封圈等组成。球阀阀后阀座通过螺纹直接旋人阀体并压缩柔性石墨密封圈,使阀后阀座和阀体间密封,不再依靠蝶形弹簧压缩柔性石墨密封圈来保证阀座和阀体间的密封。球阀阀前阀座径向与阀体间有问隙,在球体受热膨胀时阀前阀座可在阀体槽中自由滑动,压缩蝶形弹簧变形,使球体避免卡死不能动作。该结构硬密封球阀原理已被多家国外公司采用。

2.2.2 固定球球阀密封结构

高温球阀在某些高参数工况下常采用固定球式硬密封结构,如图5所示。它主要由阀体、球体、阀座、上阀杆、下阀杆、螺旋弹簧、压板、阀座与阀体间密封圈组成。球体由上、下阀杆支撑定位,在介质压力作用时,球体无阀体轴线方向的位移。两阀座可在阀体槽中滑动,当球体受热膨胀时球体推动阀座在阀体槽中滑动并压缩弹簧变形,使球体不致卡死不能动作。应用中螺旋弹簧可用蝶形弹簧取代,亦可将阀杆与球体制作成一体式结构形式。

在某些场合高温球阀被设计成带波纹管的硬密封结构,如图6所示。它由阀体、波纹管、蝶簧、阀座、球体、上阀杆、下转轴等组成,阀座与阀体间的密封靠波纹管实现。该结构球阀的初始密封力由蝶簧和波纹管的变形共同提供。在高温状态下膨胀的球体推动阀座向两边移动,压缩蝶簧和波纹管,其优点是密封性能可靠,弹性补偿范围大,并且在三维空间灵活自如。

3.结语

高温硬密封球阀的密封结构是影响其密封性能的重要因素,在温度、压力作用下,阀座和球体之间的相互作用力发生变化时,采用合适的密封结构和结构尺寸补偿所产生的变化,是保障其密封性能的非常重要的措施。在新工艺不断得到应用的基础上,国内外高温硬密封球阀的密封结构仍在不断发展中。

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