36英寸硬密封雙活塞閥座設(shè)計

中圖分類號：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0109-

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2025.19.026

Abstract：Inthispaper，thevalveseat leakageof large-diameter hard-sealeddoublepiston fixedballvalvesisstudiedand analyzed.Basedonthesealingtestresultsofthewholemachineandcombinedwiththefiniteelementanalysismethod，the valveseatstructureisoptimizedandimprovedtoimprovethesealingperformanceofthevalveseatandmettheleakage requirements of test standards.

Keywords：large bore;high pound clas;hardseal;doublepiston;valveseat structure;seal test;finite elementanalysis

球閥因其具有流阻較小、流通能力大、快速啟閉等特點被廣泛用于石油、化工、發(fā)電廠等行業(yè)。大口徑硬密封球閥具有技術(shù)含量高、球座加工難度大、利潤豐厚等特點，越來越多的閥門企業(yè)將大口徑硬密封球閥納入研發(fā)計劃，并且不少企業(yè)已取得一定的成果。大口徑硬密封球閥球座處泄漏超標(biāo)問題一直是有待攻關(guān)的技術(shù)難題，球座處泄漏超標(biāo)涉及的因素很多，每個因素都值得我們深入研究。本文主要從硬密封球座的密封原理的角度，結(jié)合有限元分析和閥門的實際試驗數(shù)據(jù)，說明大口徑高磅級硬密封雙活塞球座泄漏的原因，并對雙活塞閥座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方向提建議。

1說明

本文選擇36英寸（1英寸等于 2.54cm ，下同）300磅雙活塞硬密封球閥球座作為研究對象，對球座處泄漏問題展開論述，對球閥球座材料和硬質(zhì)涂層工藝做簡單的介紹，本文只對球座處相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)計算進(jìn)行說明，另外出于公司技術(shù)保密的考慮，本文未列出關(guān)鍵部位的細(xì)節(jié)特征及詳細(xì)的計算過程，只給出能夠言明所指的結(jié)構(gòu)簡圖和關(guān)鍵參數(shù)的最終計算結(jié)果

2 球座材料

本文只介紹幾類常見介質(zhì)選用的球體和閥座材料。原油介質(zhì)一般選用雙相鋼作為球座材料，天然氣和蒸汽介質(zhì)一般選用碳鋼作為球座材料，化工上具有強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，可根據(jù)介質(zhì)腐蝕原理選擇合適的球座材料。對于閥門口徑超過36英寸（包含36英寸），一般不建議使用不銹鋼作為球體材料，對于額定磅級超過600磅的具有雙活塞功能的閥門，同樣不建議使用不銹鋼作為球體材料。用于制作球體和閥座的坯料必須按相應(yīng)的材料技術(shù)規(guī)范進(jìn)行熱處理、化學(xué)成分分析、試樣機(jī)械性能檢測和試樣韌性沖擊試驗，嚴(yán)格管控制造過程中每個環(huán)節(jié)，此外硬密封球體毛壞建議使用鍛造工藝成型，球體毛坯鍛打時鍛造比不小于3。如果閥門用于含硫工況時，材料還需要滿足NACEMR0175相關(guān)要求。

3球體和閥座硬質(zhì)密封面加工工藝

本文中所述的36英寸300磅硬密封球體和閥座密封面采用冷噴碳化鎢合金涂層，適用于 500^°C 以下的煤化工和煉化相關(guān)介質(zhì)工況，球體和閥座合金涂層硬度在 65～70HCR 范圍內(nèi)，球體涂層要比閥座密封面涂層硬度高5HRC，硬質(zhì)合金涂層厚度在 0.25～0.3mm 范圍內(nèi)，球體和閥座密封面采用數(shù)控研磨機(jī)進(jìn)行研磨，最后進(jìn)行手工研磨，保證球體和閥座密封面粗糙度滿足圖紙要求，球體和閥座密封面有良好的吻合狀態(tài)，球體和閥座密封面研磨好后需進(jìn)行無壓測試，以此來初步判斷球體和閥座密封面研磨質(zhì)量。

4球體和閥座密封設(shè)計相關(guān)計算簡單說明

對于硬密球閥，球體和閥座密封面在經(jīng)過配磨后，球體和閥座的圓度和粗糙度達(dá)到要求情況下，球體和閥座安裝上閥門后，閥座上需要一定的彈簧預(yù)緊力和介質(zhì)推力在球體和閥座密封面上形成一定的密封壓力。本文此處只對球體和閥座密封面受力做簡單的說明，閥座的密封面受力計算，密封面受力意為閥門中流體壓力作用在閥座上而使閥座壓緊在球體上，從而在球體密封面和閥座密封面上產(chǎn)生一定的壓力，此壓力行業(yè)內(nèi)稱作為比壓，單位為 MPa 。比壓又分為設(shè)計比壓、必須比壓、許用比壓。設(shè)計比壓為設(shè)計時預(yù)期設(shè)定的賦予閥座一定的作用力在閥座密封面上產(chǎn)生的壓力，用字符 Qs 表示，必須比壓為使閥門達(dá)到一定密封等級所需的最小壓力 Qb ，由于前面所述的必須比壓的存在，球座密封面摩擦副在開關(guān)過程中會有一定的磨損，當(dāng)密封面上必須比壓達(dá)到某一值時，密封面摩擦副磨損會加劇。為了避免密封面摩擦副磨損嚴(yán)重從而導(dǎo)致閥門使用壽命下降，球體和閥座密封面上的比壓必須限制在一定的值以內(nèi)，此值即為許用比壓，許用比壓是指球體和閥座密封面材料正常安全工作時所允許的最大許用壓力，代號為 [Q] ，單位為 MPa 。閥門密封時，3個比壓公式要滿足 Qb1=7.1MPa ，閥座閥后設(shè)計比壓 Qs₂=6.7MPa ，閥座的閥前閥后比壓均滿足要求。

密封面寬度設(shè)計對閥門閥座處結(jié)構(gòu)設(shè)計影響很大，同時對閥門使用壽命也有一定的影響，密封面太窄，密封面上比壓會很大，密封面太寬，在保證密封上所需必須比壓的前提下，閥座所需的預(yù)緊力就會增加許多，從而導(dǎo)致閥門開關(guān)扭矩上升。密封面寬度的設(shè)計得綜合考慮球座密封面研磨后質(zhì)量、閥門使用介質(zhì)性質(zhì)、閥座結(jié)構(gòu)等因素。

目前，金屬硬密封球閥閥座密封面處結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分成2類設(shè)計，其中一類就是常規(guī)設(shè)計（圖1），另外一類就是在金屬閥座密封面處開設(shè)彈性槽設(shè)計（圖2），本文中所述的36英寸300磅硬密封雙活塞閥座采用常規(guī)設(shè)計，本文此處對開設(shè)彈性槽的閥座做一些簡單的介紹。閥座上彈性槽部位的計算包含有彈性唇的厚度計算和彈性唇彎曲強(qiáng)度計算，在滿足彈性唇的剛度要求和殼體強(qiáng)度條件下，彈性唇厚度薄些閥座密封效果會好些，彈性唇厚度按薄壁圓筒壁厚計算公式計算，彈性唇彎曲強(qiáng)度按公式 σ=M/W? [σ] 計算，公式中 M 為彈性唇處所承受的彎矩， W 為彈性唇的抗扭截面系數(shù)， [σ] 為材料需用應(yīng)力。由于閥門在運(yùn)行過程會承受頻繁的開關(guān)循環(huán)操作和閥腔內(nèi)部流體壓力周期性升降循環(huán)以及閥腔內(nèi)介質(zhì)溫度周期性升降循環(huán)，這3類循環(huán)載荷會對閥座產(chǎn)生3種相應(yīng)的交變應(yīng)力，從而對閥座疲勞強(qiáng)度有一定的影響，尤其是在閥座密封面處開設(shè)彈性槽的結(jié)構(gòu)，彈性槽處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致疲勞壽命會受到影響。彈性槽的設(shè)計除了要滿足上述基本計算外，還應(yīng)借助專業(yè)的疲勞強(qiáng)度分析軟件對閥座的疲勞壽命和安全系數(shù)進(jìn)行分析，此處不做進(jìn)一步說明。考慮到疲勞失效的問題，一般不建議使用帶彈性槽的閥座結(jié)構(gòu)，尤其是用在需要高頻次開關(guān)閥門的場合，彈性槽的存在會一定程度上削減閥門的使用壽命，所以帶彈性槽結(jié)構(gòu)閥座需慎用。

5閥門閥座氣體密封試驗

閥門完成組裝并且通過殼體試驗后，進(jìn)行閥座低壓氣密封試驗和高壓氣密封試驗。在進(jìn)行高壓氣密封試驗時，閥門兩側(cè)打壓時閥座泄漏量達(dá)標(biāo)。當(dāng)進(jìn)行中腔打壓試驗時，兩側(cè)閥座泄漏量超標(biāo)，壓力超過 2.5MPa 時泄漏就開始增大，由于中腔打壓到 3MPa 時泄漏超標(biāo)，中腔打壓測量閥座泄漏試驗停止，詳細(xì)的泄漏量見表1。

5.1中腔打壓時閥座泄漏超標(biāo)原因分析

在通道側(cè)進(jìn)行打壓試驗時，從閥座泄漏試驗結(jié)果（表1）可以看出，高壓氣密封試驗時，閥座的泄漏量在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，而且 0.6MPa 低壓氣密封試驗時，閥座的泄漏量也是在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，且總的泄漏量相對較小。通道側(cè)打壓試驗結(jié)果可以初步證明閥座密封面和球體密封面之間的嚙合程度已經(jīng)接近理想狀態(tài)，這同時也說明閥座和球體密封面沒有發(fā)生塑性變形。中腔打壓試驗時， 3MPa 壓力下閥座處泄漏量嚴(yán)重超標(biāo)， 0.6MPa 低壓氣密封試驗時，閥座處泄漏量在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，從中腔打壓試驗結(jié)果可以看出，隨著中腔試驗壓力的上升，球座密封面上泄漏增大，球面或閥座密封面上某處存在較大的彈性變形。經(jīng)過拆解樣機(jī)，對球體密封面和閥座密封面進(jìn)行檢測，球體和閥座密封面圓度在 0.02mm 以內(nèi)，球體和閥座密封面上均未發(fā)現(xiàn)拉傷，且閥座和球體通過無壓密封試驗。最終推斷認(rèn)為閥門在進(jìn)行中腔打壓試驗時，球體和閥座的變形程度不一樣，可能是球體上球口處變形大，也可能是閥座變形大，從而導(dǎo)致中腔打壓時泄漏變大?？紤]36英寸300磅樣機(jī)制造成本及返修成本都非常大，在未找到確切的問題和更好的解決方案時，樣機(jī)相關(guān)試驗只能暫停。

5.2借助有限元分析閥座泄漏超標(biāo)原因和優(yōu)化設(shè)計

配磨好的硬密封球座雖然能通過無壓試驗，這并不意味著帶壓時球座密封面依然能配合得很好。球座在實際受壓力時，球體和閥座變形程度是不一致的，整個密封面上實際密封比壓分布是不均勻的，這與理論計算出來的均勻的密封比壓有一定的差距。為了找出泄漏原因所在，下面將利用有限元分析軟件模擬球座實際的受壓情況。

5.2.1 模擬閥門中腔打壓時球座受力分析

按原設(shè)計球座中腔打壓時建立力學(xué)模型，球座變形如圖3所示，密封面密封比壓分析結(jié)果如圖4所示。

從模擬分析的結(jié)果可以看出，中腔打壓時球體和閥座在球口處變形最大，而且球口處密封面上比壓分布差別最大，最大的地方已超過材料許用密封比壓，最小的地方為零，也可以理解為球口處球座密封面在靠近密封面外徑處已經(jīng)不密封了，球座在受壓后產(chǎn)生變形，且變形程度不一樣，中腔打壓時壓力越高球座變形越大，球口處越容易泄漏。這就可以合理地解釋為什么中腔打壓時，壓力上過 2.5MPa 后泄漏開始增大，以至于壓力打到 3MPa 時泄漏超標(biāo)且壓力穩(wěn)不住。由于通道側(cè)打壓時，閥座泄漏在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，所以未對通道側(cè)打壓進(jìn)行有限元分析。從閥門通道打壓和從閥門中腔打壓時，閥座受到的介質(zhì)推力相差不大，但為什么密封效果不一樣，由上面的分析結(jié)果也可以看出，通道打壓時球體上球口處變形較小，但從閥門中腔打壓時球口處變形較大，這就是為什么中腔打壓時閥座密封試驗通過率不高的原因。

5.2.2 優(yōu)化閥座設(shè)計后中腔打壓時球座受力分析

依據(jù)上面的有限元分析結(jié)果及結(jié)合球座密封面配磨的實際情況，對閥座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在閥座設(shè)計壁厚和設(shè)計比壓允許的情況下更改密封面尺寸，使球座密封面區(qū)域遠(yuǎn)離球口。更改后球座變形如圖5所示，密封面比壓分析結(jié)果如圖6所示。

從模擬分析的結(jié)果可以看出，球座變形最大的地方依然是在球口附近，且球口處密封面上比壓分布依然不均勻，但整個密封面上未出現(xiàn)零比壓區(qū)域，相比優(yōu)化設(shè)計前球口處密封面上最大比壓與最小比壓差距縮小了很多，這說明球口處球體和閥座的變形趨于一致，最小密封比壓也達(dá)到了 8MPa ，理論上這將提高球口密封效果。依據(jù)此分析對閥座密封面進(jìn)行返工。

5.3基于有限元分析優(yōu)化閥座設(shè)計后中腔打壓氣體密封試驗

閥座優(yōu)化設(shè)計更改后組裝上閥門，再次進(jìn)行中腔打壓試驗。此次中腔打壓，閥座處泄漏量達(dá)標(biāo)，詳細(xì)的閥座泄漏量見表2。

6結(jié)論

從上述樣機(jī)的相關(guān)泄漏原因分析和試驗結(jié)果可知，球體球口處的變形和閥座密封面的變形是導(dǎo)致泄漏超標(biāo)的主要因素，球體和閥座硬質(zhì)密封面質(zhì)量是次要原因，裝配前球座密封面已通過無壓測試。閥門在實際工況中使用時球體和閥座變形的大小不一致，且變形本身是無法避免的，雖然可以通過加大球體直徑使密封面遠(yuǎn)離球口或降低閥座密封面處剛度等措施來減少球口處變形對球體和閥座密封配合程度的影響，但這樣就會使閥門制造成本上升，從而使產(chǎn)品在市場上會喪失價格競爭力。在兼顧制造成本的同時，靠優(yōu)化閥座設(shè)計也可以有效地解決球座變形差距大的問題，只要能讓球口處球座變形趨于一致，那么密封面上將不會存在零比壓的情況，這樣閥座的密封性能才有保障，制造成本才會降低。大口徑閥門制造過程中任一環(huán)節(jié)出問題都會造成制造成本的增加，球體和閥座處泄漏作為主要問題的存在，在設(shè)計階段可以借助有限元分析軟件對球座密封情況進(jìn)行模擬分析，找出薄弱點，有針對性地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計投產(chǎn)后可能出現(xiàn)的問題盡量在設(shè)計階段就解決，這樣可以有效地解決縮短閥門制造周期及制造成本，從而確保產(chǎn)品交期，提升公司產(chǎn)品的市場競爭力。本文主要是從設(shè)計角度去優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，以此來盡量規(guī)避產(chǎn)品投產(chǎn)后可能出現(xiàn)的問題。本文中的問題分析和產(chǎn)品設(shè)計僅針對本公司的產(chǎn)品，有一定的局限性，本文僅供有此方面研究興趣的工程師參考。

參考文獻(xiàn)：

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