球閥閥座密封結構的改進(jìn)
1、概述
在電廠(chǎng)、礦山、冶金和化工等行業(yè)帶有顆�；覞{和干灰及腐蝕性介質(zhì)的管道中，球閥用于介質(zhì)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(mén)的質(zhì)量和使用壽命。普通球閥的閥座通常采用PTFE材料，在閥門(mén)啟閉過(guò)程中，閥座密封面受到介質(zhì)顆粒的沖擊和磨損，很容易被劃傷并無(wú)法恢復，閥門(mén)的密封性能被破壞。嚴重時(shí)，閥門(mén)啟閉困難并失去作用。通過(guò)對閥座的密封結構進(jìn)行改進(jìn)設計，解決了球閥使用中的內部泄漏問(wèn)題。
2、分析
球閥閥座通常采用在浮動(dòng)支架套筒側面上環(huán)形槽內壓入PTFE矩形圈的結構，經(jīng)過(guò)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(guò)程中形成的微觀(guān)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(dòng)套筒支架上設有O形圈形成浮動(dòng)閥座。浮動(dòng)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(mén)在啟閉過(guò)程中，其出口端閥座密封面受到介質(zhì)對密封面連續不斷的沖蝕和撞擊，其中的灰渣會(huì )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(mén)進(jìn)口端密封面同樣受到介質(zhì)連續不斷地磨損，擦傷密封面易被擠裂，導致閥門(mén)密封失效。在球閥開(kāi)啟時(shí)，介質(zhì)作用在球體上的推力轉移到介質(zhì)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(kāi)啟的部位)磨損特別嚴重，使入口端的閥座密封面產(chǎn)生泄漏，閥體體腔內部形成了介質(zhì)流，由于介質(zhì)的流動(dòng)產(chǎn)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(mén)失效(圖2)。
圖2 閥門(mén)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(mén)閥座密封面采用金屬密封(圖3)。啟閉過(guò)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(guò)程中，產(chǎn)生尺寸公差和形位公差形成密封面的微觀(guān)不平度，硬密封面對微觀(guān)不平度不能進(jìn)行有效地補償。閥門(mén)球體密封面和閥座密封面受到介質(zhì)的作用力推動(dòng)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(fēng)溝，使閥體通透造成介質(zhì)外漏(圖4)。
圖3 普通硬密封閥座
圖4 風(fēng)溝
3、改進(jìn)
根據現場(chǎng)的觀(guān)察和結合系統工況分析，對球閥閥座密封面進(jìn)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(zhì)從球體密封面上清除。軟密封面將球體密封面的微觀(guān)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(huán)的軟密封結構，環(huán)的兩側用兩個(gè)側環(huán)定位于浮動(dòng)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(mén)在啟閉過(guò)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(zhì)流動(dòng)方向盡可能的垂直，減小受介質(zhì)的沖擊，密封面露出的面積越小，介質(zhì)對密封面的沖擊、磨損也越小，其次，采用氣動(dòng)驅動(dòng)裝置，減少閥門(mén)啟閉時(shí)間，也能減小介質(zhì)對閥座的沖擊和磨損，防止閥座的內部泄漏，提高了閥門(mén)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(diǎn)與球體密封面接觸，接觸瞬間密封比壓很大，隨著(zhù)壓力的增加A點(diǎn)發(fā)生了彈性變形，密封面從A點(diǎn)開(kāi)始轉動(dòng)并使密封面積增加。由彈性變形填充球面的微觀(guān)不平度密封性能較好。密封面與介質(zhì)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(diǎn)的頂點(diǎn)是圓面，接觸瞬間B點(diǎn)產(chǎn)生彈性變形填充球面的微觀(guān)不平度，密封效果較好。球閥在開(kāi)啟過(guò)程中與介質(zhì)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(diǎn)與球體表面接觸產(chǎn)生彈性變形。隨著(zhù)彈性變形的增加，密封面將產(chǎn)生以C點(diǎn)為圓心的轉動(dòng)。在開(kāi)啟時(shí)介質(zhì)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(guò)程
控制系統采用二位二通電磁閥加三聯(lián)體和氣動(dòng)增壓裝置，中間繼電器，紅、綠指示燈，連接方法見(jiàn)圖(7)。
(1)關(guān)閉閥門(mén) 接通SQ，常開(kāi)觸點(diǎn)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(dòng)，球體順時(shí)針轉動(dòng)，閥門(mén)關(guān)閉。極限常閉觸點(diǎn)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(shí)綠色指示燈熄滅。球體繼續轉過(guò)90°，極限開(kāi)關(guān)K2常開(kāi)觸點(diǎn)被壓閉合，紅色指示燈亮啟，閥門(mén)關(guān)閉。極限開(kāi)關(guān)K1常閉觸點(diǎn)閉合、K2的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，二位二通電磁閥在彈簧力作用下?lián)Q向，由P位換到N位，氣控液體增壓裝置開(kāi)啟，U形充氣閥座膨脹壓向球體，閥門(mén)密封。
(2)開(kāi)啟閥門(mén)接通TQ，常開(kāi)觸點(diǎn)C、二位五通電磁閥TC斷開(kāi)。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(dòng)，球體逆時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)，閥門(mén)開(kāi)啟。極限常閉觸點(diǎn)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(shí)紅色指示燈熄滅。球體繼續轉動(dòng)至90°，極限開(kāi)關(guān)K1常開(kāi)觸點(diǎn)被壓閉合，綠色開(kāi)啟指示燈亮啟，閥門(mén)開(kāi)啟。二位二通電磁閥在彈簧力的作用下?lián)Q向，由P位換到N位，氣控液體增壓裝置開(kāi)啟，U形充氣閥座膨脹壓向球體，閥門(mén)密封。
圖7 球閥控制系統
6、結語(yǔ)
球閥組合式密封閥座結構設計簡(jiǎn)單合理，密封可靠，運行一年多未發(fā)現閥門(mén)泄漏，保障了電廠(chǎng)除灰系統長(cháng)期穩定和安全運行，滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求。
參考文獻
〔1〕陸陪文.實(shí)用閥門(mén)設計〔M〕.北京：機械工業(yè)出版社，2002.
