金屬密封偏心球閥結構特點

【資料簡介】

普通球閥在全關、半開和全開［圖1（a）、圖1（b）和圖2（a）］，球和閥座密封面一直接觸，存在摩擦。

        1.2 雙偏心球閥［見圖2（b）、圖3］

圖3 雙偏心球閥2種工作狀態

        （1）雙偏心全關［圖2（b）］。球體回轉時，由于存在a和b偏心距，球體密封面相對于原幾何中心有一個偏移，回轉中心到閥座密封面的距離因位置不同而不同，出現長短半徑，即R1≥R2。
        （2）雙偏心開啟［（圖3（a）］。當球體旋轉開至一定角度時，因長短半徑原因產生凸輪效應，此時球體與閥座開始脫離，球體與閥座無摩擦轉動。
        （3）雙偏心全開［（圖3（b）］。當球體旋轉開至90時，球體與閥座*脫離，球體與閥座無任何摩擦，球體通道與閥體通道直通。為保證兩個通道中心重合，要求兩個偏心相等即a=b。此時旋轉中心到球心連線與通道中心的夾角恰好45°，由此產生了雙偏心球閥的一個特殊問題。由于雙偏心球閥的兩個偏心考慮結構的需要必須相等，當長半徑R1通過球心并恰好落在密封球面區域內，此時R1與密封球面相切，在切點附近就會出現較大范圍的滑動摩擦，使球閥出現局部摩擦加劇，加速磨損。由于球閥*密封區域一般在R1與通道中心的夾角為45°的位置。雙偏心球閥在試驗或使用過程中經常會在這個位置出現劃傷。
        1.3 三偏心球閥
        三偏心金屬密封球閥是在雙偏心金屬密封球閥的基礎上增加了一個偏心。其結構三維模型見圖4。有球面密封和錐面密封三偏心球閥兩種。

圖4 密封結構三維模型

        球面密封的三偏心球閥的密封環是一個球面，這個球面的球心與雙偏心球閥的球心不重合有個第三偏心。這個偏心改變了R1與密封球面的幾何關系，致使R1即使通過雙偏心球心也不會與密封球面相切，這就克服了雙偏心球閥的先天不足。將球面密封圈變為錐面密封圈，就可以得到錐面密封的三偏心球閥。
        2 三偏心球閥的優勢
        2.1 與普通的軟密封球閥相比
        （1）可以適應于更寬的溫度范圍。軟密封球閥受非金屬密封件的耐溫性影響，不能用于溫度太高的情況。而金屬密封則根據不同的材料可以使用于600℃甚至更高。
        （2）可以用于更高的壓力范圍。受非金屬材料耐壓能力和在高壓下的穩定性限制，非金屬密封的球閥用于CL600或更低的等級。用于較高壓力等級時，非金屬密封件容易失穩而導致閥門失效。而金屬硬密封球閥可用于CL2500級。
        （3）可獲得更長使用壽命。非金屬材料與金屬材料相比，容易老化。故在使用一段時間后，因非金屬材料的性能下降而導致閥門密封性能也下降。另一方面，非金屬材料易受損傷。當流體中含有固體顆粒時，非金屬密封件很容易被劃傷，從而導致密封失效或密封性能下降。
        2.2 與普通的金屬硬密封球閥相比
        （1）固定球設計。普通球閥是浮動球密封，而三偏心球閥全部是固定球設計，而且密封比壓通過自身的扭矩建立，故在如何情況下都是可靠的。
        （2）扭矩密封設計。傳統的金屬硬密封固定球球閥，通常都是在閥座后面設置預壓縮彈簧，在彈簧的作用下，使閥座與球體密封面接觸并形成密封比壓。如果彈簧剛度偏小，那么形成的密封比壓也比較小，密封效果差；如果彈簧剛度較大，會加大密封面的磨損，同時增加開關力矩；另一方面，彈簧受介質溫度的影響，其剛度往往會隨時間而改變，因此密封效果也會隨時間而改變。而三偏心球閥靠扭矩密封，可形成較大的密封比壓，而且也不會較大的磨損，同時也不受溫度和交變載荷的影響。
        （3）單閥座雙向密封性能。在低溫工況下，傳統的金屬硬密封球為能夠釋放閥腔中的介質，都采取了復雜的自動泄壓機構或采用開孔的方式。前者增加了閥座的復雜性，后者會因為開孔而使球閥具有方向性。三偏心球閥采用了單閥座，故不存在閥腔壓力釋放的問題。而三偏心結構，使得閥座密封無論在哪個方向都具有良好的密封效果，即具有*的雙向密封功能。
        3 三偏心球閥的設計
        3.1 承壓部件的強度和剛度設計
        對承壓部件利用有限元分析進行詳細的強度和剛度設計，它包括：（1）閥體的強度和剛度分析（圖5）。（2）閥座、密封環的接觸應力和剛度分析（圖6）。（3）閥桿的強度和剛度分析（圖7）。
        3.2 密封圈和閥座密封面的加工
        三偏心球閥，無論是錐面密封還是球面密封，密封圈的加工是關鍵，需要的工裝才能進行。密封面的加工精度直接影響閥門的zui終性能。

        綜上所述，金屬密封三偏心球閥可以應用于：（1）高溫工況（可到600℃）；（2）低溫或超低溫工況（－196℃）；（3）高壓工況（可到CL2500）；（4）臨氫工況；（5）含固體顆粒的工況等。隨著石化及煤化工的發展，此種閥門的應用會更廣泛。