球閥閥座密封結構的改進

2013-07-24 顧玉海伯特利閥門集團

1、概述

　　在電廠、礦山、冶金和化工等行業帶有顆粒灰漿和干灰及腐蝕性介質的管道中，球閥用于介質流量控制和啟閉，其閥座密封面的結構形式，直接影響到閥門的質量和使用壽命。普通球閥的閥座通常采用PTFE材料，在閥門啟閉過程中，閥座密封面受到介質顆粒的沖擊和磨損，很容易被劃傷并無法恢復，閥門的密封性能被破壞。嚴重時，閥門啟閉困難并失去作用。通過對閥座的密封結構進行改進設計，解決了球閥使用中的內部泄漏問題。

2、分析

　　球閥閥座通常采用在浮動支架套筒側面上環形槽內壓入PTFE矩形圈的結構，經過精加工裝配到閥體中。PTFE具有一定的彈性，對球體表面因精加工過程中形成的微觀不平度具有一定的補償能力。PTFE閥座密封面的密封可靠。浮動套筒支架上設有O形圈形成浮動閥座。浮動閥座密封面與球體密封面之間的密封副依靠壓力的相互作用形成密封比壓(圖1)。這種閥座結構的密封性能主要取決于彈簧的壓縮量保證其密封比壓以及閥座密封面與球體密封面的加工精度。

圖1 普通軟密封閥座形式

　　閥門在啟閉過程中，其出口端閥座密封面受到介質對密封面連續不斷的沖蝕和撞擊，其中的灰渣會嵌入PTFE矩形密封圈內，使密封面變窄或密封比壓升高，密封面受到擠壓和擦傷，造成密封失效。閥門進口端密封面同樣受到介質連續不斷地磨損，擦傷密封面易被擠裂，導致閥門密封失效。在球閥開啟時，介質作用在球體上的推力轉移到介質顆粒的速度上，向閥座密封面沖撞和摩擦，使閥座密封面失效。閥座(最先開啟的部位)磨損特別嚴重，使入口端的閥座密封面產生泄漏，閥體體腔內部形成了介質流，由于介質的流動產生了渦流，所以在體腔內部閥體和球體上形成結垢導致閥門失效(圖2)。

圖2 閥門渦流現象

　　球閥應用于干灰(氣、固相)系統管道中，因為干灰是具有一定粘性的粉體，還具有滲透性，應用于氣、固相粉體輸送管道中的球閥，閥門閥座密封面采用金屬密封(圖3)。啟閉過程中，硬密封面能將球體密封面上的干灰和固體顆粒撥離球體密封面，因此硬密封閥座具有清潔球體密封面的功能。由于密封面在加工過程中，產生尺寸公差和形位公差形成密封面的微觀不平度，硬密封面對微觀不平度不能進行有效地補償。閥門球體密封面和閥座密封面受到介質的作用力推動干灰從密封面的一側，向密封面的另一側滲透，閥座密封面和球體密封面受到磨損。在閥座密封面和閥體密封面，特別是在閥體上形成沿密封面寬度(球體通徑)由淺變深，由寬變窄的風溝，使閥體通透造成介質外漏(圖4)。

圖3 普通硬密封閥座

圖4 風溝

3、改進

　　根據現場的觀察和結合系統工況分析，對球閥閥座密封面進行結構分析及設計。首先將密封面設計成為硬密封和軟密封的雙道密封。雙道密封閥座的硬密封面能清潔球面，將顆粒和雜質從球體密封面上清除。軟密封面將球體密封面的微觀不平度填平，杜絕干灰的滲透。軟密封閥座選擇充氣式U形環的軟密封結構，環的兩側用兩個側環定位于浮動支架套筒的斜槽內。U形充氣軟密封閥座由氟橡膠材料制成。閥門在啟閉過程中，U形充氣軟密封閥座密封面縮入U形槽內(圖5)。U形槽與介質流動方向盡可能的垂直，減小受介質的沖擊，密封面露出的面積越小，介質對密封面的沖擊、磨損也越小，其次，采用氣動驅動裝置，減少閥門啟閉時間，也能減小介質對閥座的沖擊和磨損，防止閥座的內部泄漏，提高了閥門的使用壽命和可靠性。

圖5 組合密封式閥座

4、設計

　　U形充氣軟密封閥座圈采用膨脹式結構并設計成不同形狀的前部凸起部分，控制密封面密封比壓和防止閥座密封面的磨損(圖6)。

圖6 3種軟密封閥座

　　(1)A形閥座密封面在腔體壓力的作用下，A點與球體密封面接觸，接觸瞬間密封比壓很大，隨著壓力的增加A點發生了彈性變形，密封面從A點開始轉動并使密封面積增加。由彈性變形填充球面的微觀不平度密封性能較好。密封面與介質的接觸面積較小，密封面磨損也小。

　　(2)B形閥座密封面因為B點的頂點是圓面，接觸瞬間B點產生彈性變形填充球面的微觀不平度，密封效果較好。球閥在開啟過程中與介質的接觸面積較大，閥座密封面磨損較大。

　　(3)C形閥座密封面在腔體壓力的作用下，C點與球體表面接觸產生彈性變形。隨著彈性變形的增加，密封面將產生以C點為圓心的轉動。在開啟時介質與閥座密封面的接觸面積較小，密封面磨損較小，密封面的密封性能較好。

5、控制過程

　　控制系統采用二位二通電磁閥加三聯體和氣動增壓裝置，中間繼電器，紅、綠指示燈，連接方法見圖(7)。

　　(1)關閉閥門接通SQ，常開觸點C、二位五通電磁閥TC閉合。在電磁力的作用下，電磁閥由A位換到B位，氣缸活塞由左向右側運動，球體順時針轉動，閥門關閉。極限常閉觸點K1、K2閉合，二位二通電磁閥在電磁力作用下，由N位換到P位，氣控液體增壓裝置放氣，U形充氣閥座在彈簧力和橡膠彈性回復力的作用下縮入到U形槽內，同時綠色指示燈熄滅。球體繼續轉過90°，極限開關K2常開觸點被壓閉合，紅色指示燈亮啟，閥門關閉。極限開關K1常閉觸點閉合、K2的常閉觸點斷開，二位二通電磁閥在彈簧力作用下換向，由P位換到N位，氣控液體增壓裝置開啟，U形充氣閥座膨脹壓向球體，閥門密封。

　　(2)開啟閥門接通TQ，常開觸點C、二位五通電磁閥TC斷開。在彈性力的作用下，電磁閥由B位換到A位，氣缸活塞由右向左側運動，球體逆時針方向轉動，閥門開啟。極限常閉觸點K1、K2閉合，二位二通電磁閥在電磁力地作用下，由N位換到P位，氣控液體增壓裝置放氣，U形充氣閥座在彈簧力和橡膠回復力的作用下縮入U形槽內，同時紅色指示燈熄滅。球體繼續轉動至90°，極限開關K1常開觸點被壓閉合，綠色開啟指示燈亮啟，閥門開啟。二位二通電磁閥在彈簧力的作用下換向，由P位換到N位，氣控液體增壓裝置開啟，U形充氣閥座膨脹壓向球體，閥門密封。