球阀阀座密封结构的改进

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)伯特利阀门集团 作者:顾玉海

1、概述

  在电厂、矿山、冶金和化工等行业带有颗粒灰浆和干灰及腐蚀性介质的管道中,球阀用于介质流量控制和启闭,其阀座密封面的结构形式,直接影响到阀门的质量和使用寿命。普通球阀的阀座通常采用PTFE材料,在阀门启闭过程中,阀座密封面受到介质颗粒的冲击和磨损,很容易被划伤并无法恢复,阀门的密封性能被破坏。严重时,阀门启闭困难并失去作用。通过对阀座的密封结构进行改进设计,解决了球阀使用中的内部泄漏问题。

2、分析

  球阀阀座通常采用在浮动支架套筒侧面上环形槽内压入PTFE矩形圈的结构,经过精加工装配到阀体中。PTFE具有一定的弹性,对球体表面因精加工过程中形成的微观不平度具有一定的补偿能力。PTFE阀座密封面的密封可靠。浮动套筒支架上设有O形圈形成浮动阀座。浮动阀座密封面与球体密封面之间的密封副依靠压力的相互作用形成密封比压(图1)。这种阀座结构的密封性能主要取决于弹簧的压缩量保证其密封比压以及阀座密封面与球体密封面的加工精度。

普通软密封阀座形式

图1 普通软密封阀座形式

  阀门在启闭过程中,其出口端阀座密封面受到介质对密封面连续不断的冲蚀和撞击,其中的灰渣会嵌入PTFE矩形密封圈内,使密封面变窄或密封比压升高,密封面受到挤压和擦伤,造成密封失效。阀门进口端密封面同样受到介质连续不断地磨损,擦伤密封面易被挤裂,导致阀门密封失效。在球阀开启时,介质作用在球体上的推力转移到介质颗粒的速度上,向阀座密封面冲撞和摩擦,使阀座密封面失效。阀座(最先开启的部位)磨损特别严重,使入口端的阀座密封面产生泄漏,阀体体腔内部形成了介质流,由于介质的流动产生了涡流,所以在体腔内部阀体和球体上形成结垢导致阀门失效(图2)。

阀门涡流现象

图2 阀门涡流现象

  球阀应用于干灰(气、固相)系统管道中,因为干灰是具有一定粘性的粉体,还具有渗透性,应用于气、固相粉体输送管道中的球阀,阀门阀座密封面采用金属密封(图3)。启闭过程中,硬密封面能将球体密封面上的干灰和固体颗粒拨离球体密封面,因此硬密封阀座具有清洁球体密封面的功能。由于密封面在加工过程中,产生尺寸公差和形位公差形成密封面的微观不平度,硬密封面对微观不平度不能进行有效地补偿。阀门球体密封面和阀座密封面受到介质的作用力推动干灰从密封面的一侧,向密封面的另一侧渗透,阀座密封面和球体密封面受到磨损。在阀座密封面和阀体密封面,特别是在阀体上形成沿密封面宽度(球体通径)由浅变深,由宽变窄的风沟,使阀体通透造成介质外漏(图4)。

普通硬密封阀座

图3 普通硬密封阀座

风沟

图4 风沟

3、改进

  根据现场的观察和结合系统工况分析,对球阀阀座密封面进行结构分析及设计。首先将密封面设计成为硬密封和软密封的双道密封。双道密封阀座的硬密封面能清洁球面,将颗粒和杂质从球体密封面上清除。软密封面将球体密封面的微观不平度填平,杜绝干灰的渗透。软密封阀座选择充气式U形环的软密封结构,环的两侧用两个侧环定位于浮动支架套筒的斜槽内。U形充气软密封阀座由氟橡胶材料制成。阀门在启闭过程中,U形充气软密封阀座密封面缩入U形槽内(图5)。U形槽与介质流动方向尽可能的垂直,减小受介质的冲击,密封面露出的面积越小,介质对密封面的冲击、磨损也越小,其次,采用气动驱动装置,减少阀门启闭时间,也能减小介质对阀座的冲击和磨损,防止阀座的内部泄漏,提高了阀门的使用寿命和可靠性。

组合密封式阀座

图5 组合密封式阀座

4、设计

  U形充气软密封阀座圈采用膨胀式结构并设计成不同形状的前部凸起部分,控制密封面密封比压和防止阀座密封面的磨损(图6)。

3种软密封阀座

图6 3种软密封阀座

  (1)A形阀座密封面 在腔体压力的作用下,A点与球体密封面接触,接触瞬间密封比压很大,随着压力的增加A点发生了弹性变形,密封面从A点开始转动并使密封面积增加。由弹性变形填充球面的微观不平度密封性能较好。密封面与介质的接触面积较小,密封面磨损也小。

  (2)B形阀座密封面因为B点的顶点是圆面,接触瞬间B点产生弹性变形填充球面的微观不平度,密封效果较好。球阀在开启过程中与介质的接触面积较大,阀座密封面磨损较大。

  (3)C形阀座密封面在腔体压力的作用下,C点与球体表面接触产生弹性变形。随着弹性变形的增加,密封面将产生以C点为圆心的转动。在开启时介质与阀座密封面的接触面积较小,密封面磨损较小,密封面的密封性能较好。

5、控制过程

  控制系统采用二位二通电磁阀加三联体和气动增压装置,中间继电器,红、绿指示灯,连接方法见图(7)。

  (1)关闭阀门 接通SQ,常开触点C、二位五通电磁阀TC闭合。在电磁力的作用下,电磁阀由A位换到B位,气缸活塞由左向右侧运动,球体顺时针转动,阀门关闭。极限常闭触点K1、K2闭合,二位二通电磁阀在电磁力作用下,由N位换到P位,气控液体增压装置放气,U形充气阀座在弹簧力和橡胶弹性回复力的作用下缩入到U形槽内,同时绿色指示灯熄灭。球体继续转过90°,极限开关K2常开触点被压闭合,红色指示灯亮启,阀门关闭。极限开关K1常闭触点闭合、K2的常闭触点断开,二位二通电磁阀在弹簧力作用下换向,由P位换到N位,气控液体增压装置开启,U形充气阀座膨胀压向球体,阀门密封。

  (2)开启阀门接通TQ,常开触点C、二位五通电磁阀TC断开。在弹性力的作用下,电磁阀由B位换到A位,气缸活塞由右向左侧运动,球体逆时针方向转动,阀门开启。极限常闭触点K1、K2闭合,二位二通电磁阀在电磁力地作用下,由N位换到P位,气控液体增压装置放气,U形充气阀座在弹簧力和橡胶回复力的作用下缩入U形槽内,同时红色指示灯熄灭。球体继续转动至90°,极限开关K1常开触点被压闭合,绿色开启指示灯亮启,阀门开启。二位二通电磁阀在弹簧力的作用下换向,由P位换到N位,气控液体增压装置开启,U形充气阀座膨胀压向球体,阀门密封。

球阀控制系统

图7 球阀控制系统

6、结语

  球阀组合式密封阀座结构设计简单合理,密封可靠,运行一年多未发现阀门泄漏,保障了电厂除灰系统长期稳定和安全运行,满足了用户的需求。

参考文献

  〔1〕陆陪文.实用阀门设计〔M〕.北京:机械工业出版社,2002.

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