上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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摘要:球阀是近年来被较为广泛采用的一种阀门,在石油、化工、冶金、轻纺、食品、原子能、航空等部门得到广泛使用。球阀有浮动式、固定式两大类,本文主要对浮动式大口径球阀的密封性、启闭力矩等作粗浅的探讨。

关键词浮动球阀密封性能启闭力矩

概述

球阀。是应用较为广泛的阀门之一,它出现很早,推广使用较晚。它的工作原理与旋塞阀一样,都是靠旋转阀芯来使阀门启闭的,但比旋塞阀开关轻便,相对体积小,可以做成大口径阀门。球阀密封可靠,结构简单,维修方便,密封面与球体常在闭合状态,不易被介质冲蚀。目前,国外球阀口径己达 3050cm,在石油、化工、冶金、轻纺、食品、原子能、航空等部门广泛使用。

1 球阀的分类

球阀分为两大类:浮动式、固定式(见图 1、图 2)。

浮动式球阀图片
图 1 浮动式球阀
固定式球阀图片
图 2 固定式球阀

1.1 浮动式球球阀

球阀的球体是浮动的,在介质压力作用下,球体能产生一定的位移并紧压在出口端的密封面上,保证球阀的密封。浮动球球阀的结构简单,密封性好,但球体承受工作介质的载荷全部传给了出口密封圈,因此要考虑密封圈材料能否经受得住球体介质的工作载荷。这种结构,广泛用于中低压球阀。

1.2 固定球球阀

球阀的球体是固定的,受压后不产生移动。固定球球阀都带有浮动阀座,受介质压力后,阀座产生移动,使密封圈紧压在球体上,以保证密封。通常在与球体的上、下轴上装有轴承,操作扭距小,适用于高压和大口径的阀门。为了减少球阀的操作扭矩和增加密封的可靠程度,近年来又出现了油封球阀,既在密封面间压注特制的润滑油,以形成一层油膜,勤增强了密封性,又减少了操作扭矩,更适用高压大口径的球阀。

本文主要对浮动式人口径球阀的密封性启闭力矩等作粗浅的探讨,希望能对球阀的应用有所帮助。

2 浮动球阀的密封

浮动球球阀的结构简单,密封性好,但球体承受工作介质的载荷全部传给了出口密封圈,因此密封圈材料能否经受得住球体介质的工作载荷是关键。一般说来,密封圈都是用聚四氟乙烯等弹性材料制造,金属与非金属材料组成密封副,也就是通常称为软密封。软密封的密封性容易保证,而且对密封表面的加工精度与表面粗糙度要求也不很高。在介质的压力下,球体向出口端位移并压紧阀座,这时,球体压在阀座上的力 QMJ 为:

公式1
式中:DMW—阀座密封面外径,DMN—阀座密封面内径,P—介质工作压力

为了保证低压时的密封,球阀和阀座所必须的预紧比压不应小于 1200N•M,预紧密封主要靠阀座本身的弹性,所以密封面的宽度是受一定限制的,计算式为:

公式2
式中:[q]—许用应力(琢明氟乙烯许用应力为 1530N•M)

对于带弹性元件的阀座,它的工作可靠性和使用期限很大程度上取决于正确选择密封阀座的预压缩力。

低压时,在预紧力不足的情况下,将不能保证球阀的密封,过渡的压缩会引起球体和阀座间的摩擦力矩增加,并可能引起阀座材料的塑性变形。

阀座与阀体槽之间的间隙 δ1,是保证球阀正常工作的基本条件,在选择间隙 δ1 时,必须考虑预压缩阀座的均匀仲长应在总的弹性变形范围内,对此采用:

公式3
式中:DMP—阀座平均直径;σMJ—弹性变形范围内阀座横截面的许用应力,对聚四氟乙烯制阀座,σMJ=820 (N-M);E—阀座材料的弹性模数,对聚四氟乙烯制阀座,E=48000~81600 (N-M)。

阀座的密封材料一般都是用聚四氟乙烯,在现有塑料中,化学稳定性最强的是聚四氟乙烯,它对化学作用的稳定甚至超过贵重金属金和铂、玻璃、陶瓷、搪瓷、特种钢材和合金。化学腐蚀性较强的物质一浓酸、稀酸、浓碱液、最强的氧化剂也不能对聚四氟乙烯起任何作用,有“塑科王”之称。除某些卤化胺或芳香烃使聚四氟乙烯塑料有轻微的溶胀现象之外,酮类、酸类、酷类等有机溶剂对聚四氟乙烯都无作用,不会发生重量变化及溶胀现象。对它能发生作用的仅为熔融态的碱金属、三氟化氯及元素氟等,但也只是在高温、高压下作用才显著。此外,聚四氟乙烯也不受氧或紫外线的作用,不吸水、具有不燃性。它具有很高的耐热性和耐寒性,使用温度范围为 -180~250℃,在 250℃ 处理 240h,力学性能无降低,390℃ 每小时失重 0.006%。它的介电性能优良,并且电性能不受频率和温度的影响,可在 250℃ 下长期工作。由上可知,用聚四氟乙烯作为球阀的密封是较为理想的。

聚四氟乙烯的弹性模数值很大,因此,材料的性能决定了其弹性变形很小,一但长期便用,材料的弹性不足以弥补密封面的磨损,这时球阀的密封就要破坏,因此,在设计阀座时考虑如何从结构上增加它的弹性,我们选用了弹性结构。

这种阀座有如下特点:

(1) 密封面内有一个角度 40° ±1;

(2) 密封阀座底部有一个 R2 的半圆槽;

(3) 与阀体的配合留有间隙 δ1 可增加弹性。

结构原理为:在无预紧力装配时,球体与 A 点相切,装配预紧力使球轴位移,位移一般在 0.2~0.4(mm) 之间,当球体受到压力后,球体随压力方向紧贴在密封面上,这时密封圈向外膨胀,使密封面与球面不会贴的太紧而造成扭矩增大,卸压后,密封阀座基本上又恢复到原来安装时的位置。

自紧密封,是较为特殊的密封形式,沪工阀门生产的大口径球阀,阀杆密封全部采用该结构。工作原理是:利用介质压力进行自紧密封,它的密封圈装在内锥体外,跟介质相向的一面成一定角度,介质压力传给内锥体,以传递给密封圈,在一定角度的锥面上产生两个分力,一个与阀体中心线平行向外,另一压向阀体内壁,后面这个力便是自紧力,介质压力愈大,自紧力也愈大,考虑到低压时的密封,在自紧密封上面必须增加一定的预紧力,保证其密封性能。

3 球阀的扭矩

球阀摩擦力的大小,不仅取决于介质的工作压力和阀门的通径,而且和球阀的形式、密封和支承部件的结构及密封材料的性质有关,此外,每一具体结构中,密封座上的摩擦力还取决于球阀转动的角度。

在正常差压下动作的扭矩:当球阀转动开启到 30° 时,出现最大值,全开时(90°)为零,实际上,当球阀转到 80° 时,压差通常大大地小于最大值。

当关闭球阀时压差最大,随着它的打开程度增加而逐渐减小,因而在压力恒定的情况下,最大力扭矩产生转动到 30°~40° 时。球阀的工作可划分为二个主要阶段。

(1) 从球体启动到开始打开球阀阶段,这个阶段球体中仅作用着由密封元件中预紧力和工作介质静压力所产生的摩擦力。

(2) 从开始打开阀门到球孔与阀门通道完全重合阶段,这个阶段对静压差产生的摩擦力,还要加上由于液体或气体介质力作用的力。

随着阀门的关闭,球体将堵住通孔,这样,球体上的流体动作力将减小,而差压增大。

4 总摩擦扭矩的计算

阀门的摩擦扭矩按下式计算:

MF=MQZ+MFT+MFC (N-M) (4)
式中:MQZ—球体在阀座中的摩擦力矩;MFT—填料与阀杆的摩擦力矩;MFC—阀杆头部的摩擦力矩

分析球阀产生的作用力表明,球阀在介质的作用下,浮动球体向出口端位移,所产生的作用力全部由出口的阀座密封圈承受,球前阀座密封圈不承受作用力,同时也不影响摩擦扭矩。

公式5
式中:f—摩擦系数,对于聚四氟乙烯密封圈 f=0.5

阀杆在填料中的摩擦力矩取决于密封的形式和工作压力的大小,在压紧时,上下密封圈都承受均匀的压力,填料中的摩擦力不取决于球体的转动角度,所以,填料的摩擦力矩按下式:

公式6
式中:df—阀杆直径;h1—单圈填料与阀杆接触高度;Z1—填料圈数

阀杆头部的摩擦力矩可按下式:

公式7
式中:dF、dFT—阀杆头计算直径

由上可知,球阀的启闭力矩是由多方面来决定的,对于通径≤100mm,使用压力在 1.6MPa 以内的球阀,其启闭力矩不能超过 60N-M。以上分析可知,浮动球阀有它的局限性,由于结构上的原因,在大口径高压力下会出现扭矩成倍增加。因此,就必须选用固定式结构的球阀,我们也将进一步进行探讨其适用性能。


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