浮動(dòng)球球閥密封結構的改進(jìn)
介紹了鑄鋼浮動(dòng)球球閥的密封和耐火結構改進(jìn)設計，論述了檢測結果及性能。
1、概述
近些年來(lái)，石油和石化等苛刻工況及企業(yè)嚴格的技術(shù)規范對球閥的質(zhì)量要求越來(lái)越高，對球閥的閥座密封、閥桿密封、閥門(mén)啟閉扭矩和閥門(mén)耐火性能等技術(shù)指標要求越來(lái)越嚴格。經(jīng)過(guò)分析，根據API 6D 標準優(yōu)化了鑄鋼浮動(dòng)球球閥的結構，改進(jìn)了閥座和閥桿的密封性能，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)計算后發(fā)現相對于結構改進(jìn)前閥門(mén)啟閉扭矩降低了30% ～ 40%。
2、結構分析及改進(jìn)
2.1、閥座密封結構
閥座改進(jìn)前其球形密封面或V 形密封面( 圖1) 與球面吻合形成密封副。所產(chǎn)生的密封力F1為
式中F1———改進(jìn)前閥座密封面上介質(zhì)作用力，N
D1———閥座密封面最大直徑，mm
P———設計壓力，MPa
由于球形密封面和V 形密封面較寬，在工作壓力或最大的設計壓力作用下，閥門(mén)的啟閉扭矩較大。在高壓情況下，當閥座材料采用尼龍時(shí)，由于尼龍吸水率大會(huì )造成閥座膨脹，容易使閥座壓緊球體的力過(guò)大，增大了閥座預緊力，進(jìn)而加大了閥門(mén)啟閉扭矩，容易使閥桿變形，甚至扭斷，使閥門(mén)啟閉失效。
(a) 球形密封面閥座(b) V 形密封面閥座
圖1 改進(jìn)前閥座密封結構
為了改善閥座的受力情況，將閥座密封面改為雙重斜面結構( 圖2) 。根據實(shí)際工況和閥座的設計預緊要求，利用聚四氟乙稀的冷流和彈性，在整機裝配后，只要很小的預緊力就能實(shí)現低壓氣密封。隨著(zhù)介質(zhì)壓力逐漸增加，閥座密封面逐漸加寬，同時(shí)閥座的密封力隨著(zhù)介質(zhì)工作壓力變化而改變。在實(shí)際工況中，介質(zhì)的工作壓力比設計壓力要小，則密封力F2為
式中F2———閥座結構改進(jìn)后密封面上介質(zhì)作用力，N
Dm———閥座密封面最大有效直徑，mm
相對比較，Dm小于D1，而改進(jìn)后的D1斜面與球面不構成密封副，因D1環(huán)形斜面上有球形圓弧槽，使其不產(chǎn)生密封力，而在介質(zhì)壓力作用下起到支撐球體的作用。閥座結構改進(jìn)后，由于F2小于F1，則摩擦轉矩T2小于T1。
式中T1———改進(jìn)前球體與閥座的摩擦轉矩，N·mm
U———球體與閥座的摩擦系數
R———球體半徑，mm
α———密封面與球接觸夾角，( °)
T2———改進(jìn)后球體與閥座的摩擦轉矩，N·mm
圖2 改進(jìn)后閥座密封結構
2.2、閥座耐火結構
普通的浮動(dòng)球球閥無(wú)法通過(guò)API 607 耐火試驗。①球體無(wú)支撐，因自重下垂( 圖3) 。②閥座硬面防火凸臺很薄。如果加厚防火凸臺，閥座內徑要加大，球體要加大，閥門(mén)外形同時(shí)也加大，成本增加，所以防火凸臺尺寸一般僅為1 ～ 3mm 寬。在燃燒期間，防火凸臺軟化變形，和球面接觸部分不能達到密封要求。球體失去閥座支撐后球體下垂，閥座防火凸臺上沿與球體之間出現很大的流通面積，降低了介質(zhì)壓力，僅為0. 2MPa 的介質(zhì)壓力無(wú)法推動(dòng)球體與閥座防火凸臺形成密封副，實(shí)現密封比壓，導致耐火作用失效。
圖3 改進(jìn)前球體無(wú)支撐
為防止球體下垂，在閥體內設一條環(huán)形支撐帶( 圖4) . 并在球體下端增加小鋼球和圓柱彈簧，彈簧能防靜電，又能起到支撐球體的作用。將閥座防火凸臺改為弧形圓角，燃燒后不變形。改進(jìn)后，球體由環(huán)帶支撐，防止燃燒后下垂，依靠介質(zhì)壓力將球體推向弧形圓角閥座密封面實(shí)現密封。因采用R 形圓角閥座的內徑縮小，球體縮小，閥體外形也隨著(zhù)減小，使閥門(mén)結構湊，自重降低，機加工和檢測方便，加工精度容易得到保證，從而降低生產(chǎn)成本。
圖4 改進(jìn)后球體支撐結構
2.3、閥桿密封結構
閥桿密封填料磨損或預緊比壓不夠等原因會(huì )造成閥桿部位泄漏。不易燃介質(zhì)及沒(méi)有耐火要求的閥門(mén)，填料可以采用聚四氟乙烯或石墨。有耐火要求的閥門(mén)，填料必須采用石墨，但石墨密封件啟閉容易泄漏。改進(jìn)后的閥桿密封增設一道O 形圈密封( 圖5) ，使閥桿具有雙重密封功能，在正常使用狀態(tài)實(shí)現密封。在O 形圈燒毀時(shí)，石墨起到防火作用，達到了API 607 的耐火要求。
圖5 改進(jìn)后閥桿密封
3、檢測試驗
(1) 閥座密封和扭矩測試
改進(jìn)后的閥門(mén)按照API 6D 規定，采用低壓0. 6MPa 氣體進(jìn)行閥門(mén)密封測試，測試結果100% 零泄漏。
扭矩測試采用5 臺4in. ( 100mm) - 150 磅級球閥進(jìn)行檢測。在腔體帶壓下，通孔一端帶壓，一端通向大氣，閥門(mén)由關(guān)閉到開(kāi)啟。試驗合格后，采用相同的方法對另一端通孔進(jìn)行試驗( 表1) 。
表1 球閥扭矩測試值N·m
API 6D 標準要求，加在扳手上的最大操作力不應超過(guò)360N，扳手的長(cháng)度應小于閥門(mén)結構長(cháng)度的2倍，對于4in. ( 100mm) - 150 磅級的球閥，扳手的最大長(cháng)度為458mm，設計手柄長(cháng)度L 為360mm。根據測試結果，最大扭矩T = 52N·m，作用在手柄上的最大操作力為F = T /L 為145N，符合API 6D 操作力F < 360N 的要求。
表2 耐火試驗的泄漏量ml /min
(2) 耐火試驗
耐火試驗閥門(mén)是在一批( 50 臺) 4in. ( 100mm)- 150 磅級的球閥中抽取5 臺進(jìn)行試驗( 表2) ，其結果與API 607 耐火試驗規定的要求比較。燃燒期間允許通過(guò)閥座的泄漏標準值是400ml /min，實(shí)測最大泄漏量為40ml /min。燃燒后允許通過(guò)閥座的泄漏標準值是160ml /min，實(shí)測最大泄漏量為20. 2ml /min。燃燒期間允許外泄漏的標準值是100ml /min，實(shí)測最大泄漏量為0. 7ml /min。燃燒后允許外泄漏的標準值是100ml /min。實(shí)測最大泄漏量為13. 5ml /min。所有項目均符合API 607 耐火試驗的要求。
4、結語(yǔ)
通過(guò)試驗檢測，改進(jìn)后閥門(mén)的各項指示均達到API 6D 管線(xiàn)閥門(mén)標準的要求，適用性更廣，質(zhì)量穩定，操作省力，密封性能好，適應耐火工況要求。
