球閥密封性改進探討

之前介紹SY42AX煤礦水管路減壓閥應用案例，現(xiàn)在介紹球閥密封性改進探討球閥以其*的特點，廣泛應用于各種管路系統(tǒng)的快速切斷、改變介質(zhì)流向和自動控制，可采用手動、電動或氣動等驅(qū)動方式。圖1為球閥的典型結(jié)構(gòu)（未考慮驅(qū)動方式）。 在球閥的使用性能中，密封性是其主要指標之一。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)整墊片實現(xiàn)；其二為主閥體與閥桿間的密封，由標準“V”形填料或0形密封圈實現(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，是球閥設計和制造中關(guān)鍵的密封結(jié)構(gòu)。本文將重點討論球閥主密封的非金屬密封（又稱軟密封）結(jié)構(gòu)問題。球閥是一種流體控制設備，球閥主要用來做切段、分配和改變介質(zhì)流動方向。球閥的工作原理是啟閉件(球體)由閥桿驅(qū)動，繞球閥軸線作旋轉(zhuǎn)運動，用于流體的調(diào)節(jié)和控制。球閥廣泛應用在石油煉制、長輸管線、化工造紙、食品飲料、水利電力、生物制藥領(lǐng)域。
球閥不僅結(jié)構(gòu)簡單、密封性好，而且在一定公稱尺寸范圍內(nèi)具有體積小、重量輕、材料消耗少、安裝尺寸小，并且驅(qū)動力矩小、操作簡便、易實現(xiàn)快速啟閉，是近十幾年來發(fā)展快的閥門品種之一。球閥的使用非常廣泛，使用品種和數(shù)量仍在不斷擴大，并向高溫、高壓、大口徑、高密封性、長壽命、優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能以及一閥多功能方向發(fā)展。

1、球閥密封性改進探討球閥的密封性要求

　上海申弘閥門有限公司主營閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥球閥的密封性指標由內(nèi)泄漏和外泄漏要求確定，國家標準規(guī)定非金屬密封球閥的密封性按GB/T13927《通用閥門壓力試驗》的*執(zhí)行，要求“在試驗持續(xù)時間內(nèi)無可見泄漏”；航天行業(yè)標準規(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，外泄漏率應不大于1×10-5Pa·m3/s（無氣泡逸出）。”

2、球閥密封性改進探討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，為了達到良好的密封效果并保證加工過程可以實現(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大允許值為0.8µm。球面的圓度公差，按GB/T1184附表2的6級精度較為合適。 常用的球閥型號
V型球閥，型號有：VQ40F、VQ640F、VQ70F、VQ670F、VQ970F、VQ940F、VQ971H、VQ671H、VQ941H、VQ641H、VQ71H；
不銹鋼球閥，型號有：Q41F、Q641F、Q941F、Q41H、Q641H、Q941H；
低溫球閥，型號有：DQ41F、DQ41H、DQ41Y；
高溫球閥，型號有：Q41M、Q641M、Q941M、Q941PPL、Q641PPL；
保溫球閥，型號有：BQ41F、BQ641F、BQ941F等；
固定球閥，型號有：Q347F、Q647F、Q947F、Q347H、Q647H、Q947H、Q347W、Q647W；
偏心半球閥，型號有：Q340F、Q640F、Q940F、Q340H、Q640H、Q940H、Q340Y、Q640Y、Q940Y；
焊接球閥，型號有：Q61F、Q361F、Q661F、Q961F、Q61H、Q661H、Q961H；
三通球閥，型號有：Q44F、Q45F、Q644F、Q645F、Q944F、Q945F、Q44H、Q45H、Q644H、Q645H、Q944H、Q945H；
四通球閥，型號有：Q46F、Q646F、Q946F、Q46H、Q646H、Q946H；
部分球閥型號的含義
OQ表示球閥，GQ表示軌道，VQ表示V型球閥，BQ表示保溫球閥，DQ表示低溫球閥，YQ表示液化氣球閥，QF表示防火型球閥，QS表示縮徑球閥
球閥的驅(qū)動方式代號表示
0——電磁動，1——電磁液動，2——電液動，3——渦輪、正齒輪，5——傘齒輪，6——氣動，7——液動，8——氣、液聯(lián)動，9——電動
球閥連接形式代號表示
1——內(nèi)螺紋，2——外螺紋，4——法蘭，6——焊接，7——對夾，8——卡箍，9——卡套
球閥結(jié)構(gòu)形式代號表示
0——半球直通，1——浮動球直通，4——浮動球三能L型，5——浮動球三通T型，6——四通式，7——固定球全直通，8——固定球三通式，9浮動球三通Y型
球閥閥座材料代號表示
F——聚四氟乙烯，E——增強聚四氟乙烯，D——中溫彈纖維，PPL——對位聚苯，N——尼龍，M——耐磨碳纖維，C——高溫耐磨碳纖維，Y——硬質(zhì)合金，Q——搪瓷，T——銅合金，X——橡膠

3、球閥密封性改進探討球閥主密封結(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壓縮量并可對密封面的預壓縮量進行補償而優(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，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，增強其整體的彈塑性變形能力和補償能力，提高球閥的密封能力。

3.1球閥密封條件

要保證球閥達到規(guī)定的密封要求，須借助介質(zhì)的壓力推動球體（浮動式球閥）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。密封比壓過高將會導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，還會導致操作力矩升高而影響動作性能；過低則會使密封座表面的彈塑性變形量不足以補償球體的加工誤差，導致主密封不能達到規(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—計算的實際比壓。

3.2浮動式球閥的密封機理

如圖1(a)所示，由于球體下端無固定支承，浮動式球閥關(guān)閉時，在介質(zhì)壓力作用下，球體將產(chǎn)生一定的浮動量（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。即浮動式球閥實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間隙。

3.3固定式球閥的密封機理

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 。
圖2

3.4密封座的預壓縮考慮

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

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壓縮量。預壓縮量不足，不能保證球閥的低壓密封性；預壓縮量過大，會導致球體與密封座間的摩擦力矩增加，影響球閥的動作性能；并可能引起密封座的塑性變形，導致密封失效。對于聚四氟乙烯密封座，其預緊比壓一般應為0.1PN，且不小于1.02MPa 。剛性密封座預壓縮量的調(diào)整靠改變密封調(diào)整墊片的厚度實現(xiàn)，密封調(diào)整墊片加工的誤差會影響調(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，預緊比壓的自動調(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，預壓縮量的獲得與調(diào)整不再依靠密封調(diào)整墊片而由彈性元件來實現(xiàn)。帶彈性元件的密封座除可獲得必要的預壓縮量外，還可在彈性元件的彈性變形范圍內(nèi)對預緊比壓進行補償，因此，球閥的使用壽命相對較長。

3.5球閥密封性改進探討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。
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。

圖3、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)球閥中廣泛應用。但是，由于難以選擇到可耐強腐蝕性介質(zhì)，同時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雜，此類密封座結(jié)構(gòu)在強腐蝕性介質(zhì)球閥中應用尚不多。
圖4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，以達到與強腐蝕性介質(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計角度為30°，而彈性脹圈唇口的為34°。圖5采用彈性脹圈的組合型唇式密封座圖6彈性脹圈結(jié)構(gòu)密封座結(jié)構(gòu)圖圖7聚四氟乙烯唇式密封座的結(jié)構(gòu)圖在介壓力下，彈性脹圈的彈性力可補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，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)生預壓縮力，補償介質(zhì)壓力降低導致的密封比壓不足。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浮動式球閥密封座結(jié)構(gòu)

浮動式球閥密封座結(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壓縮力，可補償由于溫度變化等原因?qū)е碌念A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，是球閥設計中應重點考慮的問題。球閥主要是切斷流動、分配流速和改變流動方向，閥的功能有很多，可以當做開關(guān)使用。球閥具有旋轉(zhuǎn)90度的動作，旋塞體為球體，有圓形通孔或通道通過其軸線。球閥在管路中主要用來做切斷、分配和改變介質(zhì)的流動方向，它只需要用旋轉(zhuǎn)90度的操作和很小的轉(zhuǎn)動力矩就能關(guān)閉嚴密。球閥適宜做開關(guān)、切斷閥使用，V型球閥。電動閥門除應注意管道參數(shù)外，尚應特別注意其使用的環(huán)境條件，由于電動閥門中的電動裝置是一機電設備，其使用狀態(tài)受其使用環(huán)境影響很大。與本文相關(guān)的論文：自力式煤氣調(diào)壓閥組?