金属密封三偏心球阀结构特点及应用.pdf

程应 厕 石 油 化 工 设 计 P e t r o c h e mi c a l De s i g n 金属密封三偏心球阀结构特点及应用 张 宝 江 中国石化工程建设公司， 北京 1 0 0 1 0 1 摘要 金属密封三偏心球阀是一种新产品， 应用于高温高压及工艺介质要求较苛刻的工况， 目前国内 有的阀门制造厂 已研制成功。阐述 了该类阀门的结构特点、 密封原理 包括普通球阀、 双偏心球阀及三偏 心球阀 ， 以及3种阀门的性能对比， 三偏心球 阀的优点、 其设计采用有限元分析， 对阀体的强度和刚度、 阀座、 密封环的接触应力和刚度、 阀杆的强度和刚度进行 了分析， 并介绍了密封圈和阀座密封面的加工和 此 种阀 门的应用工况 。 关键词 三偏心球阀 金属密封副 扭矩密封有限元分析 1 3种球 阀的结构及其密封原理 1 ． 1 普通球阀 普通球阀在全关、 半开和全开[ 图 1 a 、 图 1 b 和图2 a ] ， 球和阀座密封面一直接触， 存在摩擦。 1． a 半关 翅 阀全关 图3 双偏心球阀 2 种工作状态 1 双偏心全关[ 图2 b ] 。球体回转时， 由 于存在 Ⅱ和 b偏心距 ， 球体密封 面相对于原几何 中心有一个偏移 ， 回转 中心到阀座密封面的距离 因位置不同而不同 ， 出现长短半径 ， 即 R 1 ≥ 。 2 双偏心开启 [ 图 3 a ] 。当球体旋转开 至一定角度时， 因长短半径原 因产生凸轮效应 ， 此 时球体与阀座开始脱离， 球体与阀座无摩擦转动。 3 双偏心全开[ 图 3 b ] 。当球体旋转开 至 9 0时， 球体与阀座完全脱离 ， 球体 与阀座无任 何摩擦 ， 球体 通道与阀体通道直通。为保证两个 通道中心重合 ， 要求两个偏心相等 即 口b 。此时 旋转中心到球心连线与通道中心的夹角恰好4 5 。 ， 由此产生了双偏心球 阀的一个特殊问题 。由于双 偏心球阀的两个偏心考虑结构 的需 要必须相等， 当长半径 1通过球心并恰好落在密封球面 区域 内， 此时 R 1与密封球面相切 ， 在切点 附近就会出 现较大范围的滑动摩擦， 使球阀出现局部摩擦加 剧 ， 加速磨损。由于球 阀最佳密封区域一般在 l 与通道中心的夹角为 4 5 。 的位置。双偏心球阀在 试验或使用过程中经常会在这个位置出现划伤。 1 ． 3 三偏心球阀 三偏心金属密封球阀是在双偏心金属密封球 阀的基础上增加 了一个偏心。其结构 三维模型见 图4 。有球面密封和锥面密封三偏心球阀两种。 收稿 日期 2 0 1 0 0 21 8 。 作者简介 张宝江， 男， 1 9 8 4年毕业于抚顺石油学院炼 油化工机械专业， 获工学学士学位 ， 高级工程师， 现从 事管道材料的设计工作。联系电话 0 1 0 8 4 8 7 7 3 2 9 ； E ma i l z h a n g b j ． s e i s i n o p e c ． t o m 石 油 化 工 设 计 第 2 8卷 图 4 密封结构三维模型 球面密封 的三偏 心球 阀的密封 环是一个 球 面 ， 这个球面 的球心与双偏 心球 阀的球 心不重合 有个第三偏心。这个偏心改变 了 尺1与密封球面 的几何关系 ， 致使 1即使通过双偏心球心也不会 与密封球面相切 ， 这就克 服 了双偏心球 阀的先天 不足。将球面密封圈变为锥 面密封 圈， 就可 以得 到锥面密封的三偏心球 阀。 2 三偏心球阀的优势 2 ． 1 与普通的软密封球阀相比 1 可以适应于更宽 的温度 范围。软密封球 阀受非金属密封件的耐温性影 响， 不 能用于温度 太高的情况 。而金属密封则根据不同的材料可 以 使用于 6 0 0℃甚至更高。 2 可以用于更高 的压力 范围。受非金属材 料耐压能力和在高压下 的稳定性 限制， 非金属密 封的球阀用于 C L 6 0 0或更低的等级。用于较高压 力等级时， 非金属密封件 容易失稳而导致 阀门失 效。而金属硬密封球阀可用于 C L 2 5 0 0级 。 3 可获得更长使用寿命 。非金 属材料与金 属材料相 比， 容易老化 。故在使用一段 时间后 ， 因 非金属材料的性能下降而导致阀门密封性 能也下 降。另一方面， 非金属材料易受损伤。当流体中 含有固体颗粒时 ， 非金属密封件很容易被划伤 ， 从 而导致密封失效或密封性能下降。 2 ． 2 与普通的金属硬密封球阀相 比 1 固定球设计 。普通球 阀是浮动球密封 ， 而 三偏心球阀全部是固定球设计， 而且密封比压通 过自身的扭矩建立， 故在如何情况下都是可靠的。 2 扭矩密封设计。传统 的金属硬密封固定球 球阀， 通常都是在阀座后面设置预压缩弹簧， 在弹 簧的作用下， 使阀座与球体密封面接触并形成密封 比压。如果弹簧刚度偏小 ， 那么形成的密封比压也 比较小， 密封效果差； 如果弹簧刚度较大， 会加大密 封面的磨损 ， 同时增加开关力矩； 另一方面 ， 弹簧受 介质温度的影响 ， 其刚度往往会 随时间而改变 ， 因 此密封效果也会随时间而改变。而三偏心球 阀靠 扭矩密封 ， 可形成较大的密封 比压 ， 而且也不会较 大的磨损， 同时也不受温度和交变载荷的影响。 3 单阀座双向密封性能。在低温工况下 ， 传 统的金属硬密封球为能够释放 阀腔 中的介质 ， 都 采取了复杂 的 自动泄压机构或采用开孔 的方式 。 前者增加了阀座 的复杂性 ， 后者会 因为开孔而使 球阀具有方向性 。三偏心球 阀采用 了单 阀座 ， 故 不存在阀腔压力释放的 问题。而三偏 心结构 ， 使 得阀座密封无论在哪个方向都具有良好的密封效 果 ， 即具有完全的双向密封功能。 3 三偏心球 阀的设计 3 ． 1 承压部件的强度和刚度设计 对承压部件利用有限元分析进行详细的强度 和刚度设计 ， 它包 括 1 阀体 的强度和刚度分析 图 5 。 2 阀座、 密封环的接触应力和刚度分析 图6 。 3 阀杆 的强度和刚度分析 图 7 。 3 ． 2 密封圈和阀座密封面的加工 三偏心球 阀， 无论是锥面密封还是球面密封 ， 密封圈的加工是关键 ， 需要专用 的工装才能进行 。 密封面的加工精度直接影响阀门的最终性能。 图 7 阀杆 的强度和 刚度分析 综上所述， 金属密封三偏心球 阀可以应用于 1 高温工况 可到 6 0 0 c I ； 2 低温或超低温工 况一1 9 6 o C ； 3 高压工况 可到 C L 2 5 0 0 ； 4 临氢工况 ； 5 含固体颗粒的工况等 。随着石化及 煤化工的发展 ， 此种 阀门的应用会更广泛 。