不銹鋼法蘭式球閥密封設(shè)計(jì)規(guī)范

不銹鋼法蘭式球閥密封設(shè)計(jì)規(guī)范球閥是一種重要的閥類，在石油化工、長輸管線等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。球閥的關(guān)閉件是一個(gè)帶孔的球體（或部分球），球體隨閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門的開啟或關(guān)閉。在各種閥門中，球閥的流動(dòng)阻力小，全徑球閥打開時(shí)，球體通道、閥體通道和連接管徑相等并成一直徑，介質(zhì)幾乎可以毫無損失的流過。 球閥旋轉(zhuǎn)90°即可全關(guān)全開，啟閉迅速。與相同規(guī)格的閘閥、截止閥比較、球閥體積小、重量輕，便于管道安裝。球閥以其*的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種管路系統(tǒng)的快速切斷、改變介質(zhì)流向和自動(dòng)控制，可采用手動(dòng)、電動(dòng)或氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。圖1為球閥的典型結(jié)構(gòu)（未考慮驅(qū)動(dòng)方式）。 在球閥的使用性能中，密封性是其主要指標(biāo)之一。從圖1可見，球閥的密封結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，其一為主、副閥體間的密封，由密封調(diào)整墊片實(shí)現(xiàn)；其二為主閥體與閥桿間的密封，由標(biāo)準(zhǔn)“V”形填料或0形密封圈實(shí)現(xiàn)，組成球閥的外密封結(jié)構(gòu)。其三為球體與主、副閥體間的密封，由密封座實(shí)現(xiàn)，組成球閥的主密封結(jié)構(gòu)。主密封結(jié)構(gòu)的密封性影響球閥的工作性能，是球閥設(shè)計(jì)和制造中關(guān)鍵的密封結(jié)構(gòu)。本文將重點(diǎn)討論球閥主密封的非金屬密封（又稱軟密封）結(jié)構(gòu)問題。

1、不銹鋼法蘭式球閥密封設(shè)計(jì)規(guī)范球閥的密封性要求

球閥的密封性指標(biāo)由內(nèi)泄漏和外泄漏要求確定，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非金屬密封球閥的密封性按GB/T13927《通用閥門壓力試驗(yàn)》的*執(zhí)行，要求“在試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)無可見泄漏”；航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定地面氣體管路系統(tǒng)用球閥“在0.05MPa和1.1倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓3min，內(nèi)泄漏率應(yīng)不大于3×10-5Pa·m3/s（無氣泡逸出）；在1.1倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓3min，外泄漏率應(yīng)不大于1×10-5Pa·m3/s（無氣泡逸出）。”

2、不銹鋼法蘭式球閥密封設(shè)計(jì)規(guī)范影響球閥密封性的主要因素

影響球閥密封性的主要因素有密封面的粗糙度和球體圓度參數(shù)。*，無論采用如何的加工技術(shù)，都不可能*消除球體的圓度誤差及密封面的微觀缺陷，因此，為了達(dá)到良好的密封效果并保證加工過程可以實(shí)現(xiàn)，必須確定合適的密封面粗糙度和球體圓度參數(shù)值。有關(guān)資料，球體密封面的粗糙度 Ra 值大允許值為0.4µm；密封座粗糙度Ra 值在以聚四氟乙烯為密封材料時(shí)大允許值為0.8µm。球面的圓度公差，按GB/T1184附表2的6級(jí)精度較為合適。

不銹鋼法蘭球閥主要性能規(guī)范

不銹鋼法蘭式球閥密封設(shè)計(jì)規(guī)范主要零件材料

3、不銹鋼法蘭式球閥密封設(shè)計(jì)規(guī)范球閥主密封結(jié)構(gòu)分析

早期的球閥，一般采用金屬材料作為密封結(jié)構(gòu)（又稱硬密封），隨著工程塑料技術(shù)的發(fā)展，尤其是聚四氛乙烯的出現(xiàn)，使球閥密封結(jié)構(gòu)有了一種較為理想的密封材料。常見的球閥主密封結(jié)構(gòu)的軟密封形式有剛性密封座、帶彈性元件的密封座、聚四氟乙烯唇式密封座和彈性脹圈與聚四氟乙烯唇式密封座組成的組合型密封座等形式。唇式密封座具有的唇形結(jié)構(gòu)，使其具有較好的彈性，在使用中可保證密封面的預(yù)壓縮量并可對(duì)密封面的預(yù)壓縮量進(jìn)行補(bǔ)償而優(yōu)于剛性結(jié)構(gòu)。但使用中發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯的彈塑性變形能力及在溫度變化條件下的穩(wěn)定性仍不十分理想，且具有較大的冷流趨向；同時(shí)，由于球閥的使用壓力變化范圍較大，因此，采用聚四氟乙烯作為密封材料制成的唇式密封座，在較低壓力條件下或使用中仍易產(chǎn)生泄漏。解決這一問題的方式為采用彈性脹圈與聚四氟乙烯唇式密封座組成的組合型密封座，它可依靠金屬材料彈性脹圈良好的彈塑性變形能力，增強(qiáng)其整體的彈塑性變形能力和補(bǔ)償能力，提高球閥的密封能力。

3.1球閥密封條件

要保證球閥達(dá)到規(guī)定的密封要求，須借助介質(zhì)的壓力推動(dòng)球體（浮動(dòng)式球閥）或密封座（固定式球閥）產(chǎn)生微小位移，使密封座表面產(chǎn)生一定的彈塑性變形，形成必要的密封比壓。密封比壓過高將會(huì)導(dǎo)致密封座所受比壓超過材料的許用比壓而損壞，使密封失效，還會(huì)導(dǎo)致操作力矩升高而影響動(dòng)作性能；過低則會(huì)使密封座表面的彈塑性變形量不足以補(bǔ)償球體的加工誤差，導(dǎo)致主密封不能達(dá)到規(guī)定的密封要求。

球閥的密封條件為：qMF<q<[q]
式中：qMF—保證密封所必須的密封面比壓；[q]—密封面的許用比壓；q—計(jì)算的實(shí)際比壓。

3.2浮動(dòng)式球閥的密封機(jī)理

如圖1(a)所示，由于球體下端無固定支承，浮動(dòng)式球閥關(guān)閉時(shí)，在介質(zhì)壓力作用下，球體將產(chǎn)生一定的浮動(dòng)量（位移），離開人口端密封座而壓緊在出口端密封座上，使介質(zhì)在出口端密封座受到阻截。即浮動(dòng)式球閥實(shí)際上只有出口端密封座發(fā)揮密封作用，而人口端密封座與球體間保持一很小的浮動(dòng)間隙。

3.3固定式球閥的密封機(jī)理

高壓或公稱通徑DN≥200mm的球閥，常采用固定式結(jié)構(gòu)。固定式球閥的球體不產(chǎn)生浮動(dòng)量，可保證雙向密封，使閥門的操作扭矩降低；密封座上的載荷波動(dòng)幅度較小。固定式球閥可分為球前密封式（人口密封式）和球后密封式（出口密封式）球閥，見圖2 。

3.4不銹鋼法蘭式球閥密封設(shè)計(jì)規(guī)范密封座的預(yù)壓縮考慮

為了保證球閥在介質(zhì)工作壓力較低時(shí)的密封性，球體和密封座間必須形成一定的預(yù)緊比壓。

在剛性密封座中，球閥工作的可靠性和使用壽命取決于正確選擇密封座的預(yù)壓縮量。預(yù)壓縮量不足，不能保證球閥的低壓密封性；預(yù)壓縮量過大，會(huì)導(dǎo)致球體與密封座間的摩擦力矩增加，影響球閥的動(dòng)作性能；并可能引起密封座的塑性變形，導(dǎo)致密封失效。對(duì)于聚四氟乙烯密封座，其預(yù)緊比壓一般應(yīng)為0.1PN，且不小于1.02MPa 。剛性密封座預(yù)壓縮量的調(diào)整靠改變密封調(diào)整墊片的厚度實(shí)現(xiàn)，密封調(diào)整墊片加工的誤差會(huì)影響調(diào)整的效果；合理的裝配與調(diào)整是獲得良好密封性的關(guān)鍵。在使用中，密封座磨損后，預(yù)緊比壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力很差，因此剛性密封座結(jié)構(gòu)球閥的使用壽命相對(duì)較短。

解決問題的途徑之一是采用帶彈性元件的密封座。此時(shí)，預(yù)壓縮量的獲得與調(diào)整不再依靠密封調(diào)整墊片而由彈性元件來實(shí)現(xiàn)。帶彈性元件的密封座除可獲得必要的預(yù)壓縮量外，還可在彈性元件的彈性變形范圍內(nèi)對(duì)預(yù)緊比壓進(jìn)行補(bǔ)償，因此，球閥的使用壽命相對(duì)較長。

3.5不銹鋼法蘭式球閥密封設(shè)計(jì)規(guī)范帶彈性元件的密封座結(jié)構(gòu)

（l）彈性元件為蝶形彈簧的密封座，見圖3。帶蝶形彈簧的密封座

（2）彈性元件為彈簧的密封座，見圖4。所示帶蝶形彈簧或帶圓柱螺旋彈簧的密封座已在非腐蝕性介質(zhì)球閥中廣泛應(yīng)用。但是，由于難以選擇到可耐強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，同時(shí)又具有良好彈性的彈性元件材料以及此類材料的熱處理工藝比較復(fù)雜，此類密封座結(jié)構(gòu)在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)球閥中應(yīng)用尚不多。帶圓柱螺旋彈簧的密封座

（3）組合型唇式密封座

圖5所示為彈性脹圈和聚四氟乙烯唇式密封座的組合型密封座。彈性脹圈的材料可選擇1Cr18Ni9Ti或1Cr18Ni9，以達(dá)到與強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)相容。圖6為彈性脹圈的結(jié)構(gòu)形式；圖7為聚四氟乙烯唇式密封座的結(jié)構(gòu)形式。從圖6、圖7可看出，聚四氛乙烯唇式密封座唇口的設(shè)計(jì)角度為30°，而彈性脹圈唇口的為34°。

在介壓力下，彈性脹圈的彈性力可補(bǔ)償單一聚四氟乙烯材料密封座彈塑性變形能力不足的缺點(diǎn)，提高了球閥密封的可靠性和使用壽命。在介質(zhì)壓力較低的情況下，由于彈性脹圈唇口和聚四氟乙烯唇式密封座唇口存在角度差以及金屬脹圈較強(qiáng)的彈塑性變形能力，使聚四氟乙烯唇式密封座在彈性脹圈彈性力的作用下形成外張傾向，向球體壓緊，產(chǎn)生預(yù)壓縮力，補(bǔ)償介質(zhì)壓力降低導(dǎo)致的密封比壓不足。只要處于彈性脹圈的彈性力范圍內(nèi)，即可保證球閥在較低壓力條件下的可靠密封。

3.6浮動(dòng)式球閥密封座結(jié)構(gòu)

浮動(dòng)式球閥密封座結(jié)構(gòu)見圖8。圖8所示的剛性密封座本身沒有任何彈性變形，球閥*依靠介質(zhì)壓力形成必需的密封比壓，該結(jié)構(gòu)對(duì)溫差的變化較明顯，密封性和操作扭矩易受溫度變化的影響。

圖8剛性密封座圖9所示唇式密封座由于唇部具有一定的彈性變形能力，密封座和球體間始終存在一定大小的預(yù)壓縮力，可補(bǔ)償由于溫度變化等原因?qū)е碌念A(yù)壓縮力的變化，使球閥具有較好的密封性。

綜上所述，解決球閥密封性的關(guān)鍵在于密封座的結(jié)構(gòu)形式和密封座材料的選擇。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)和使用要求，合理選擇密封座的結(jié)構(gòu)形式，保證密封座良好的加工工藝性；選擇性能優(yōu)良、適應(yīng)使用要求的密封材料，滿足球閥密封性要求，提高球閥工作的可靠性和使用壽命，是球閥設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。