大口径球阀的探讨(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)福州仪器阀门厂 作者:沈少华

  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,国外球阀口径已达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)

浮动式、固定式球阀结构浮动式、固定式球阀结构

a、浮动式球阀 b、固定式球阀

图1 浮动式、固定式球阀结构

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,即增强了密封性,又减少了操作扭矩,更适用高压大口径的球阀。

  本文主要对浮动式大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:

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:

  式中:[q]—许用应力(聚四氟乙烯许用应力为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伸长应在总的弹性变形范围内,对此采用:

  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—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、酯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(见图2)。

阀座密封圈

图2 阀座密封圈

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