金属密封球阀阀座密封结构分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中山鉄王流体控制设备有限公司 作者:黄汉敏

  介绍了几种金属密封球阀的阀座密封结构。经过试验,在高温、高压、冲蚀和磨损等不同介质的苛刻工况下均密封效果较好,使用寿命长,满足了工程项目对阀门的使用要求。

1、概述

  金属密封球阀具有耐高温,耐磨损,耐冲蚀,流阻小,开关迅速,使用寿命长和可靠性高等优点,广泛用于煤化工、多晶硅、精细化工、石油化工、冶金、电力、矿山等行业。随着工况介质从单相流到多相流,气固型和液固型等二相流介质的增多,促进了金属密封球阀阀座与阀体密封结构的多样化。不同的工况设计使用不同的密封结构,既能解决适应不同工况介质要求,又能解决阀门开启扭矩大,特别是在高温情况下材料膨胀引起阀门扭矩大的问题,保证阀座与阀体间的密封,从而保证阀门的密封。本文介绍几种浮动球球阀和固定球球阀阀座密封结构,密封机理以及适用的工况和使用环境。

2、浮动球球阀阀座密封

2.1、常温对称型

  (1)O形圈密封

  常温对称型O形圈密封阀座(图1)为左右阀座对称的双向密封结构,该密封结构主要由阀座、球体、O形圈和碟形弹簧等组成。此结构解决了部分软密封球阀用于调节工况时出现的问题。如渗透性较强的二甲苯介质等输送时需要进行调节,而常规软密封球阀在球体经常处于半开状态时,软阀座容易出现印痕,甚至磨损拉伤,导致介质泄漏。采用金属阀座后,通过喷涂、研磨和精加工等技术保证了密封面之间的密封性能。O形圈则保证了阀座背部的密封。O形圈密封阀座一般适用温度-29~200℃。

常温对称型O形圈密封阀座

图1 常温对称型O形圈密封阀座

  (2)石墨环密封

  常温对称型石墨环密封阀座(图2)为左右阀座对称的双向密封结构。该密封结构主要由阀座、球体和石墨环等组成,此结构主要用于煤灰渣浆,耐盐酸、铁盐等腐蚀性介质、耐煤灰渣浆颗粒冲蚀磨损等工况。在金属阀座背部安装石墨环,由左右阀体压紧使石墨环变形保证阀座背部密封。石墨环密封阀座适用温度-29~200℃。

常温对称型石墨环密封阀座

图2 常温对称型石墨环密封阀座

2.2、中温对称型石墨环密封

  中温对称型石墨环密封阀座(图3)为左右阀座对称双向密封结构。此密封结构主要由阀座、球体、石墨环和碟形弹簧等组成。阀座背部由石墨环保证密封。此结构在多晶硅、石油化工、硅粉和催化剂等介质工况得到较好的运用。因为石墨环高温时膨胀的方向对压缩量影响较大,所以该结构一般适用温度-29~400℃。

中温对称型石墨环密封阀座

图3 中温对称型石墨环密封阀座

2.3、高温单向金属密封

  高温单向金属密封(图4)阀座为金属单向密封结构。该结构主要由球体和固定阀座等组成。阀座放置在出口端,采用特殊工艺,保证了与阀体之间密封。阀门进口端一般采用浮动阀座,利用碟形弹簧提供了阀门的预紧密封压力,从而保证球体与固定阀座之间的密封性能。此结构适用于介质不允许接触石墨的环境,及多晶硅、石油化工和冶金等行业。因为高温状态下金属的膨胀系数较小,该结构适用温度-29~538℃。

温单向金属密封阀座

图4 高温单向金属密封阀座

2.4、高温单向压圈固定式密封

  高温单向压圈固定式密封阀座(图5)为金属单向密封阀座,该结构主要由球体、阀座、螺钉和压圈等组成。固定式压圈放置在阀门出口端,采用压圈固定阀座在阀体上,阀体与阀座采用配磨工艺,保证了阀体与阀座之间的密封性能。此结构适用于介质不允许接触石墨的环境,如石化、化工、电站、钢铁和水处理等行业的高温、腐蚀性和磨损性的气体、液体和浆料等介质。此结构适用温度-29~538℃。

高温单向压圈固定式密封阀座

图5 高温单向压圈固定式密封阀座

2.5、高温单向石墨环密封

  高温单向石墨环密封阀座(图6)为单向密封结构,该结构主要由球体、阀座、碟形弹簧和石墨环等组成。控制石墨环尺寸,使其高温膨胀的范围较小。该结构运用在石化、化工、电站和水处理等行业的高温、腐蚀性和磨损性的气体、液体和浆料等介质工况,特别是气体携带硅粉等颗粒的工况,由于阀座背部石墨环的密封性能,避免了泄漏引起的冲刷导致阀座等零件快速损坏。在实际的使用过程中,也取得了较好的效果。该结构适用温度-29~538℃。

高温单向石墨环密封阀座

图6 高温单向石墨环密封阀座

3、固定球球阀阀座密封

3.1、常温O形圈

  常温O形圈密封阀座组件(图7)主要由球体、阀座、碟形弹簧和O形圈等组成,结构简单,安装方便,背部密封性能好,但是不具备防火功能。此结构适用温度-29~200℃,且为不要求防火功能的工况。

3.2、中温石墨环密封

  中温石墨环密封阀座组件(图8)主要由球体、阀座、碟形弹簧和石墨环等组成。阀座由碟形弹簧压紧石墨环提供预紧力保证密封性能。此结构在多晶硅、石油化工、硅粉和催化剂等工况介质下得到较好的运用。受石墨膨胀影响,适用温度-29~400℃。

常温O形圈密封阀座

图7 常温O形圈密封阀座

中温石墨环密封阀座

图8 中温石墨环密封阀座

3.3、高温石墨环密封

  高温石墨环密封阀座组件(图9)主要由球体、阀座、碟形弹簧和石墨环等组成。此结构将石墨环放置在阀座背部,且石墨环高温膨胀的方向与碟形弹簧产生力的方向不在一条线上,而是错位或者垂直,即石墨环膨胀量不影响碟形弹簧的压缩量。这样既解决了高温阀座背部的密封问题,又解决了高温时球体和阀座卡阻问题。该结构适用于石化和化工介质等工况,特别适用于气体携带硅粉等颗粒的工况,使用温度-29~538℃。

高温石墨密封阀座

图9 高温石墨密封阀座

3.4、防火型密封

  常温和高温防火型阀座密封组件(图10)主要由球体、阀座、碟形弹簧、O形圈、石墨环等组成。该结构通过石墨环增加了防火功能。当O形圈在失火状态烧毁时,阀座背部由石墨环密封。该结构一般适用于渣水和灰水等含有颗粒介质的工况,且温度一般在-29~200℃。

常温防火型密封阀座

图10 常温防火型密封阀座

  将图10中O形圈换成石墨环,形成两道石墨环密封阀座(图11)。调整后的结构同样适用于渣水和灰水等含有颗粒介质的工况,使用温度-29~538℃,运用范围更广泛。

高温防火型密封阀座

图11 高温防火型密封阀座

4、结语

  采用不同的阀座密封结构,可以满足不同工况要求,使阀门在高温、高压、冲蚀和磨损等环境能够正常运行。

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