煤化工用硬密封固定球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)

戴文柏，高斌文，王邦捷

(圣博萊閥門有限公司，上海 201506)

煤化工用硬密封固定球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)

戴文柏，高斌文，王邦捷

(圣博萊閥門有限公司，上海 201506)

介紹了煤化工用硬密封固定球閥部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計，涉及閥座與閥體靜密封結(jié)構(gòu)、閥桿與球體連接結(jié)構(gòu)、球體樞軸固定結(jié)構(gòu)及上、下軸承結(jié)構(gòu)，通過上述改進(jìn)，提高了閥門的性能和使用壽命。

煤化工；硬密封球閥；閥座；閥桿；樞軸

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.011

煤炭作為中國的主要化石能源之一，其所衍生的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)門類齊全、種類繁多。一直以來，煤化工行業(yè)對中國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、戰(zhàn)略需要作出了巨大貢獻(xiàn)。

煤化工行業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，產(chǎn)能產(chǎn)值已達(dá)到一定規(guī)模，傳統(tǒng)煤化工不再擴(kuò)大規(guī)模，新型煤化工的產(chǎn)業(yè)格局已基本成型。目前，由于國際原油價格持續(xù)走低、國內(nèi)節(jié)能減排環(huán)保意識增加、經(jīng)濟(jì)增速放緩，我國煤化工行業(yè)正處于供大于求、產(chǎn)能過剩的低迷期。在這種大背景下，對煤化工裝置可靠運行提出了更高的要求，需要在原有規(guī)模的基礎(chǔ)上有更多的技術(shù)升級和新技術(shù)、新產(chǎn)品的發(fā)明創(chuàng)新來提升煤炭的高質(zhì)高效利用，提高整體煤化工產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品競爭力，避免沒有技術(shù)含量的重復(fù)建設(shè)。

針對煤化工裝置中不可或缺的設(shè)備——球閥，也應(yīng)對其有更高的技術(shù)要求和自主開發(fā)能力?？梢酝ㄟ^借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，對其深化、優(yōu)化，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)新產(chǎn)品，降低閥門設(shè)計制造成本，嚴(yán)格控制閥門質(zhì)量，提高產(chǎn)品附加值，逐步替代進(jìn)口，實現(xiàn)閥門國產(chǎn)化。

本文對煤化工用硬密封固定球閥的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

1 結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)

1.1 閥座密封結(jié)構(gòu)

球閥硬密封副結(jié)構(gòu)形式見圖1。雙閥座結(jié)構(gòu)，具有雙阻斷DBB功能，自泄壓及自清潔設(shè)計，閥座與球體配對研磨，帶狀密封以實現(xiàn)零泄漏，可選多種表面涂層，彈簧設(shè)計動態(tài)補償、壓差平衡、根除防抱死失效功能。閥座設(shè)有防渣結(jié)構(gòu)，能有效防止煤粉(渣)從閥腔和流道進(jìn)入閥座密封腔。

圖1 閥座密封結(jié)構(gòu)

相對于普通球閥組合式閥座結(jié)構(gòu)，本閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合煤化工特殊工況，對其進(jìn)行針對性優(yōu)化設(shè)計。采用整體式閥座，將石墨環(huán)、壓環(huán)、碟形彈簧、凸壓環(huán)、防塵石墨圈、凹壓環(huán)藏于閥座內(nèi)部，其優(yōu)點在于：保證了閥座原有功能的同時，減少了介質(zhì)通過靜密封面時的泄漏，避免顆粒介質(zhì)對其他零件的沖蝕，簡化了彈簧腔的防塵結(jié)構(gòu)，同時整體密封結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定。

閥座通道采用流線型設(shè)計，使流體阻力更小，消除結(jié)構(gòu)死角，減少介質(zhì)淤積結(jié)垢，特別適合混雜著硬質(zhì)顆粒的兩相流體介質(zhì)。

閥座預(yù)緊力使用碟形彈簧提供，無論溫度和壓力如何變化，它始終給閥座一個推力，既能保證閥門在低壓工況下的密封性能，又能修補密封面的磨損，保證閥座的泄漏等級達(dá)到要求，彈簧腔碟簧數(shù)量可根據(jù)閥門工況靈活設(shè)計：①可單獨使用；②可采用對合形式疊加，彈簧預(yù)緊力不變，但能提供更大的彈簧變形量，去彌補加工誤差和長時間高溫高壓使用后造成的密封面磨損，保證球體和密封面始終高度吻合；③采用疊合形式疊加，彈簧變形量不變，能提供更大的彈簧預(yù)緊力，彌補彈簧長時間使用后預(yù)緊力不足的缺點，彈簧腔組合結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 彈簧腔組合結(jié)構(gòu)

在閥座上設(shè)置有材料為柔性石墨的成型石墨環(huán)。石墨環(huán)結(jié)構(gòu)屬于靜密封，與閥體接觸面積大，在高壓環(huán)境中摩擦、磨損問題比較突出。通過對石墨環(huán)進(jìn)行分析，對其受閥座和碟簧壓緊的情況進(jìn)行力學(xué)分析，運用彈性力學(xué)方面的有關(guān)理論，建立石墨環(huán)受力分布和變形分布的計算模型，得出接觸面圓錐形的軸向壓力和徑向壓力分布比較合理、其均勻性隨著圓錐角度的增加而增加的結(jié)論。

所以在石墨環(huán)上設(shè)計有兩個不同角度的圓錐面角度Ⅰ和角度Ⅱ，這樣設(shè)計可滿足石墨環(huán)軸向和徑向壓力分布的遞增，越靠近密封點處比壓越大，而與之配合的閥座處角度存在1°～2°的差值，也增強了石墨環(huán)徑向密封自動補償功能，閥座石墨環(huán)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 閥座石墨環(huán)結(jié)構(gòu)

圓錐形結(jié)構(gòu)也使石墨環(huán)所需的最大壓緊力變小，減輕了石墨環(huán)的磨損，延長了工作壽命，同時因為圓錐形結(jié)構(gòu)特點，更容易安裝和更換。

為了防止固體顆粒進(jìn)入閥座背密封區(qū)域影響閥門的密封性能，除了閥座采用刮刀結(jié)構(gòu)設(shè)計，在開啟或者關(guān)閉過程中對球體密封面進(jìn)行刮擦作用外，還采用了防顆粒閥座設(shè)計，閥座后面采用凹、凸壓環(huán)結(jié)構(gòu)雙層防塵石墨圈密封，在彈簧預(yù)緊力下防止顆粒介質(zhì)進(jìn)入彈簧腔后結(jié)垢堵塞，造成彈簧失效。防塵石墨圈與凹壓環(huán)接合處設(shè)計成帶一定角度的錐面，可實現(xiàn)自密封功能，在增加了密封接觸面積的同時，也受碟簧推力形成斜向擠壓力，壓力越大，自密封作用越好，閥座防塵結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 閥座防塵結(jié)構(gòu)

1.2 閥桿與球體連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

閥桿與球體連接有多種結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)煤化工高溫高壓、多相流等苛刻工況場合，在煤化工用硬密封球閥中，我們選用銷連接同心結(jié)構(gòu)，以下為各種連接方式介紹。

1.2.1 方槽或矩形槽連接

采用這種連接結(jié)構(gòu)，閥桿與球體在接觸面上的比壓分布是不均勻的，球體連接槽比壓分布見圖5。球閥經(jīng)過一段時間啟閉運行后，球體與閥桿的連接接觸部位會有不同程度的磨損，原有的緊密配合變成間隙配合，這樣會使閥桿與球體接觸面擠壓應(yīng)力極不均勻，局部擠壓面擠壓由彈性變形惡化到塑性變形。在球體連接面附近的涂層會龜裂和脫落，嚴(yán)重時涂層龜裂會擴(kuò)展至密封面導(dǎo)致閥門密封失效，球體擠壓變形見圖6。

圖5 球體連接槽比壓分布

圖6 球體擠壓變形

1.2.2 鍵連接

鍵在軸槽中易松動，軸上鍵槽端部應(yīng)力集中較大，并且鍵槽需在銑床上加工，加工工藝相較其他連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

1.2.3 銷連接

閥桿與球體銷連接同心結(jié)構(gòu)，避免因間隙配合導(dǎo)致球體與閥桿的圓心中心不在一條直線上，加工工藝性也簡單。這種結(jié)構(gòu)接觸面比壓分布均勻，閥桿聯(lián)接部分的近似擠壓應(yīng)力和近似剪切應(yīng)力較傳統(tǒng)矩形聯(lián)接小，球體與閥桿梢連接結(jié)構(gòu)見圖7。此連接方式具有傳統(tǒng)鎖渣閥中連桿球(球體與閥桿一體連接)的優(yōu)勢，操作力矩穩(wěn)定，傳遞扭矩足夠大，同時又避免連桿球的固有缺陷，當(dāng)球體和閥桿一體化設(shè)計時閥桿在介質(zhì)力的作用下會有一個向上位移的趨勢，進(jìn)而會造成球體與閥座接觸圓周上的分布比壓不均勻，在閥門開關(guān)過程中磨損也會不均勻，最終會導(dǎo)致閥門的泄漏。

圖7 球體與閥桿銷連接結(jié)構(gòu)

1.3 球體采用軸類固定結(jié)構(gòu)

上、下樞軸支撐固定球體，確保球體精確定位。使球體在介質(zhì)壓力作用下無閥體軸線方向的移動，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強。下部樞軸作為閥門底部的承壓件，也是閥體下部密封墊片、彈簧調(diào)整機(jī)構(gòu)的固定和安裝部件。

同時下樞軸上安裝有內(nèi)置式彈簧調(diào)整機(jī)構(gòu)，在墊塊下設(shè)有彈簧，該彈簧不僅可以承載球體的自身質(zhì)量，而且可通過改變彈簧的壓縮量來調(diào)節(jié)球體中心與閥座流道中心線的徑向距離，從而使閥座與球體密封副中心建立良好的吻合關(guān)系，提高閥門密封性能，也能導(dǎo)出球體因各種原因產(chǎn)生的靜電，該結(jié)構(gòu)已獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)的實用新型專利證書，專利號ZL201220254769.2，并在神華寧煤煤炭間接液化項目中進(jìn)行應(yīng)用，效果良好。

此外，在煤化工生產(chǎn)中，介質(zhì)大多含有大量固體顆粒，這些細(xì)小顆粒進(jìn)入軸承和樞軸中會磨損軸承、樞軸表面，形成擦傷、劃痕，降低軸承壽命，甚至在堆積堵塞下導(dǎo)致閥門卡死。因此在下樞軸處設(shè)計一臺肩，安裝石墨防塵圈，阻止介質(zhì)顆粒對樞軸和軸承的損傷，球體下樞軸結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 球體下樞軸結(jié)構(gòu)

也有很多種固定球閥球體采用了支撐板結(jié)構(gòu)來優(yōu)化閥桿的受力情況，例如管線球閥、氧氣專用球閥等，但對于煤化工工況介質(zhì)來講，支撐板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，介質(zhì)流通性不好，容易導(dǎo)致大量固體顆粒黏結(jié)在閥腔內(nèi)部形成結(jié)垢，堵死閥腔，并不適用，球體支撐板結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 球體支撐板結(jié)構(gòu)

1.4 軸承結(jié)構(gòu)

與球體、閥桿和閥體配合的軸承進(jìn)行內(nèi)表面硬化，硬化方式為噴涂硬質(zhì)合金或氮化處理，使其耐磨性能大大提高。在高溫狀態(tài)下依然具有高硬度與耐磨性，能確保閥門在長期啟閉時不會出現(xiàn)“咬死”的情況。同時能有效降低閥門操作扭矩，增強填料密封性能，還能為閥桿導(dǎo)向，消除閥桿徑向移動對填料的磨損。為防止顆粒進(jìn)入，保護(hù)閥桿和填料函，在軸承下端部和外側(cè)設(shè)計安裝防塵圈Ⅰ、Ⅱ，保護(hù)閥桿和填料函，軸承結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 軸承結(jié)構(gòu)

2 結(jié)語

隨著技術(shù)的發(fā)展，金屬硬密封耐磨球閥的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛，通過以上對硬密封球閥四個結(jié)構(gòu)的剖析，并針對煤化工行業(yè)的實際工況特點，對這幾處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，有利于提高閥門的性能和使用壽命。希望本文的論點能夠?qū)﹂y門行業(yè)的建設(shè)提供一定的參考，對提升我國閥門設(shè)計水平起到積極作用。

[1]陸培文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]章華友.球閥設(shè)計與選用[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[3]GB/T 12237-2007，石油、石化及相關(guān)工業(yè)用的鋼制球閥[S].

來稿日期：2016-05-31

Improvement on Structure Design of Hard Sealing Fixed Ball Valve in Coal Chemical Industry

DAI Wen-bai，GAO Bin-wen，WANG Bang-jie
(Shengbolai Valve Co.，Ltd.，Shanghai 201506 China)

This paper introduces the improved design of some structures of hard sealing fixed ball valve in coal chemical industry.The improved design includes the static sealing structure of valve seat and body，the joint structure of the valve stem and ball，the fixing structure of ball pivot and the structure of the upper and lower bearing.These improvements increase the performance and service life of the valve.

coal chemical industry；hard sealing fixed ball valve；valve seat；valve stem；pivot

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.011

TH134

B

1004-8901(2016)05-0042-04

戴文柏(1975年-)，男，江蘇建湖人，1998年畢業(yè)于鹽城工學(xué)院機(jī)械電氣一體化專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事石油化工閥門設(shè)計等工作。