煤化工用硬密封固定球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

摘  要：介紹了煤化工用硬密封固定球閥部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，涉及閥座與閥體靜密封結(jié)構(gòu)、閥桿與球體連接結(jié)構(gòu)、球體樞軸固定結(jié)構(gòu)及上、下軸承結(jié)構(gòu)，通過(guò)上述改進(jìn)，提高了閥門的性能和使用壽命。

煤炭作為中國(guó)的主要化石能源之一，其所衍生的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)門類齊全、種類繁多。一直以來(lái)，煤化工行業(yè)對(duì)中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、戰(zhàn)略需要作出了巨大貢獻(xiàn)。

煤化工行業(yè)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，產(chǎn)能產(chǎn)值已達(dá)到一定規(guī)模，傳統(tǒng)煤化工不再擴(kuò)大規(guī)模，新型煤化工的產(chǎn)業(yè)格局已基本成型。目前，由于國(guó)際原油價(jià)格持續(xù)走低、國(guó)內(nèi)節(jié)能減排環(huán)保意識(shí)增加、經(jīng)濟(jì)增速放緩，我國(guó)煤化工行業(yè)正處于供大于求、產(chǎn)能過(guò)剩的低迷期。在這種大背景下，對(duì)煤化工裝置可靠運(yùn)行提出了更高的要求，需要在原有規(guī)模的基礎(chǔ)上有更多的技術(shù)升級(jí)和新技術(shù)、新產(chǎn)品的發(fā)明創(chuàng)新來(lái)提升煤炭的高質(zhì)高效利用，提高整體煤化工產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，避免沒(méi)有技術(shù)含量的重復(fù)建設(shè)。

針對(duì)煤化工裝置中不可或缺的設(shè)備———球閥，也應(yīng)對(duì)其有更高的技術(shù)要求和自主開(kāi)發(fā)能力。可以通過(guò)借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，對(duì)其深化、優(yōu)化，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，降低閥門設(shè)計(jì)制造成本，嚴(yán)格控制閥門質(zhì)量，提高產(chǎn)品附加值，逐步替代進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)閥門國(guó)產(chǎn)化。

本文對(duì)煤化工用硬密封固定球閥的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

1 結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)

1.1 閥座密封結(jié)構(gòu)

球閥硬密封副結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。雙閥座結(jié)構(gòu)，具有雙阻斷DBB功能，自泄壓及自清潔設(shè)計(jì)，閥座與球體配對(duì)研磨，帶狀密封以實(shí)現(xiàn)零泄漏，可選多種表面涂層，彈簧設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、壓差平衡、根除防抱死失效功能。閥座設(shè)有防渣結(jié)構(gòu)，能有效防止煤粉（渣）從閥腔和流道進(jìn)入閥座密封腔。

閥座密封結(jié)構(gòu)

1—閥體；2—凹?jí)涵h(huán)；3—防塵石墨圈；4—凸壓環(huán)；5—碟形彈簧；6—壓環(huán)；7—石墨環(huán)；8—閥座；9—球體

相對(duì)于普通球閥組合式閥座結(jié)構(gòu)，本閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合煤化工特殊工況，對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用整體式閥座，將石墨環(huán)、壓環(huán)、碟形彈簧、凸壓環(huán)、防塵石墨圈、凹?jí)涵h(huán)藏于閥座內(nèi)部，其優(yōu)點(diǎn)在于：保證了閥座原有功能的同時(shí)，減少了介質(zhì)通過(guò)靜密封面時(shí)的泄漏，避免顆粒介質(zhì)對(duì)其他零件的沖蝕，簡(jiǎn)化了彈簧腔的防塵結(jié)構(gòu)，同時(shí)整體密封結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定。

閥座通道采用流線型設(shè)計(jì)，使流體阻力更小，消除結(jié)構(gòu)死角，減少介質(zhì)淤積結(jié)垢，特別適合混雜著硬質(zhì)顆粒的兩相流體介質(zhì)。

閥座預(yù)緊力使用碟形彈簧提供，無(wú)論溫度和壓力如何變化，它始終給閥座一個(gè)推力，既能保證閥門在低壓工況下的密封性能，又能修補(bǔ)密封面的磨損，保證閥座的泄漏等級(jí)達(dá)到要求，彈簧腔碟簧數(shù)量可根據(jù)閥門工況靈活設(shè)計(jì)：①可單獨(dú)使用；②可采用對(duì)合形式疊加，彈簧預(yù)緊力不變，但能提供更大的彈簧變形量，去彌補(bǔ)加工誤差和長(zhǎng)時(shí)間高溫高壓使用后造成的密封面磨損，保證球體和密封面始終高度吻合；③采用疊合形式疊加，彈簧變形量不變，能提供更大的彈簧預(yù)緊力，彌補(bǔ)彈簧長(zhǎng)時(shí)間使用后預(yù)緊力不足的缺點(diǎn)，彈簧腔組合結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

彈簧腔組合結(jié)構(gòu)

在閥座上設(shè)置有材料為柔性石墨的成型石墨環(huán)。石墨環(huán)結(jié)構(gòu)屬于靜密封，與閥體接觸面積大，在高壓環(huán)境中摩擦、磨損問(wèn)題比較突出。通過(guò)對(duì)石墨環(huán)進(jìn)行分析，對(duì)其受閥座和碟簧壓緊的情況進(jìn)行力學(xué)分析，運(yùn)用彈性力學(xué)方面的有關(guān)理論，建立石墨環(huán)受力分布和變形分布的計(jì)算模型，得出接觸面圓錐形的軸向壓力和徑向壓力分布比較合理、其均勻性隨著圓錐角度的增加而增加的結(jié)論。

所以在石墨環(huán)上設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同角度的圓錐面角度Ⅰ和角度Ⅱ，這樣設(shè)計(jì)可滿足石墨環(huán)軸向和徑向壓力分布的遞增，越靠近密封點(diǎn)處比壓越大，而與之配合的閥座處角度存在1°～2°的差值，也增強(qiáng)了石墨環(huán)徑向密封自動(dòng)補(bǔ)償功能，閥座石墨環(huán)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

閥座石墨環(huán)結(jié)構(gòu)

1—碟形彈簧；2—閥體；3—壓環(huán)；4—石墨環(huán)；5—閥座

圓錐形結(jié)構(gòu)也使石墨環(huán)所需的最大壓緊力變小，減輕了石墨環(huán)的磨損，延長(zhǎng)了工作壽命，同時(shí)因?yàn)閳A錐形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，更容易安裝和更換。

為了防止固體顆粒進(jìn)入閥座背密封區(qū)域影響閥門的密封性能，除了閥座采用刮刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在開(kāi)啟或者關(guān)閉過(guò)程中對(duì)球體密封面進(jìn)行刮擦作用外，還采用了防顆粒閥座設(shè)計(jì)，閥座后面采用凹、凸壓環(huán)結(jié)構(gòu)雙層防塵石墨圈密封，在彈簧預(yù)緊力下防止顆粒介質(zhì)進(jìn)入彈簧腔后結(jié)垢堵塞，造成彈簧失效。防塵石墨圈與凹?jí)涵h(huán)接合處設(shè)計(jì)成帶一定角度的錐面，可實(shí)現(xiàn)自密封功能，在增加了密封接觸面積的同時(shí)，也受碟簧推力形成斜向擠壓力，壓力越大，自密封作用越好，閥座防塵結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

閥座防塵結(jié)構(gòu)

1—凹?jí)涵h(huán)；2—防塵石墨圈；3—凸壓環(huán)

1.2 閥桿與球體連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥桿與球體連接有多種結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)煤化工高溫高壓、多相流等苛刻工況場(chǎng)合，在煤化工用硬密封球閥中，我們選用銷連接同心結(jié)構(gòu)，以下為各種連接方式介紹。

1.2.1 方槽或矩形槽連接

采用這種連接結(jié)構(gòu)，閥桿與球體在接觸面上的比壓分布是不均勻的，球體連接槽比壓分布見(jiàn)圖5。球閥經(jīng)過(guò)一段時(shí)間啟閉運(yùn)行后，球體與閥桿的連接接觸部位會(huì)有不同程度的磨損，原有的緊密配合變成間隙配合，這樣會(huì)使閥桿與球體接觸面擠壓應(yīng)力極不均勻，局部擠壓面擠壓由彈性變形惡化到塑性變形。在球體連接面附近的涂層會(huì)龜裂和脫落，嚴(yán)重時(shí)涂層龜裂會(huì)擴(kuò)展至密封面導(dǎo)致閥門密封失效，球體擠壓變形見(jiàn)圖6。

球體連接槽比壓分布

注：Lzy—擠壓長(zhǎng)度；Bzy—擠壓應(yīng)力

球體擠壓變形

1.2.2 鍵連接

鍵在軸槽中易松動(dòng)，軸上鍵槽端部應(yīng)力集中較大，并且鍵槽需在銑床上加工，加工工藝相較其他連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

1.2.3 銷連接

閥桿與球體銷連接同心結(jié)構(gòu)，避免因間隙配合導(dǎo)致球體與閥桿的圓心中心不在一條直線上，加工工藝性也簡(jiǎn)單。這種結(jié)構(gòu)接觸面比壓分布均勻，閥桿聯(lián)接部分的近似擠壓應(yīng)力和近似剪切應(yīng)力較傳統(tǒng)矩形聯(lián)接小，球體與閥桿梢連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。此連接方式具有傳統(tǒng)鎖渣閥中連桿球（球體與閥桿一體連接）的優(yōu)勢(shì)，操作力矩穩(wěn)定，傳遞扭矩足夠大，同時(shí)又避免連桿球的固有缺陷，當(dāng)球體和閥桿一體化設(shè)計(jì)時(shí)閥桿在介質(zhì)力的作用下會(huì)有一個(gè)向上位移的趨勢(shì)，進(jìn)而會(huì)造成球體與閥座接觸圓周上的分布比壓不均勻，在閥門開(kāi)關(guān)過(guò)程中磨損也會(huì)不均勻，最終會(huì)導(dǎo)致閥門的泄漏。

球體與閥桿銷連接結(jié)構(gòu)

1—閥座；2—球體；3—主閥體；4—閥桿； 5—傳動(dòng)銷；6—副閥體

1.3 球體采用軸類固定結(jié)構(gòu)

上、下樞軸支撐固定球體，確保球體精確定位。使球體在介質(zhì)壓力作用下無(wú)閥體軸線方向的移動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)。下部樞軸作為閥門底部的承壓件，也是閥體下部密封墊片、彈簧調(diào)整機(jī)構(gòu)的固定和安裝部件。

同時(shí)下樞軸上安裝有內(nèi)置式彈簧調(diào)整機(jī)構(gòu)，在墊塊下設(shè)有彈簧，該彈簧不僅可以承載球體的自身質(zhì)量，而且可通過(guò)改變彈簧的壓縮量來(lái)調(diào)節(jié)球體中心與閥座流道中心線的徑向距離，從而使閥座與球體密封副中心建立良好的吻合關(guān)系，提高閥門密封性能，也能導(dǎo)出球體因各種原因產(chǎn)生的靜電，該結(jié)構(gòu)已獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)的實(shí)用新型專利證書(shū)，專利號(hào)ZL201220254769.2，并在神華寧煤煤炭間接液化項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用，效果良好。

此外，在煤化工生產(chǎn)中，介質(zhì)大多含有大量固體顆粒，這些細(xì)小顆粒進(jìn)入軸承和樞軸中會(huì)磨損軸承、樞軸表面，形成擦傷、劃痕，降低軸承壽命，甚至在堆積堵塞下導(dǎo)致閥門卡死。因此在下樞軸處設(shè)計(jì)一臺(tái)肩，安裝石墨防塵圈，阻止介質(zhì)顆粒對(duì)樞軸和軸承的損傷，球體下樞軸結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

球體下樞軸結(jié)構(gòu)

1—閥座；2—球體；3—主閥體；4—防塵圈；5—樞軸；6—墊塊；7—軸承；8—副閥體

也有很多種固定球閥球體采用了支撐板結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化閥桿的受力情況，例如管線球閥、氧氣專用球閥等，但對(duì)于煤化工工況介質(zhì)來(lái)講，支撐板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，介質(zhì)流通性不好，容易導(dǎo)致大量固體顆粒黏結(jié)在閥腔內(nèi)部形成結(jié)垢，堵死閥腔，并不適用，球體支撐板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。

球體支撐板結(jié)構(gòu)

1—閥座；2—副閥體；3—支撐板；4—球體；5—軸承；6—減磨墊；7—銷；8—主閥體

1.4 軸承結(jié)構(gòu)

與球體、閥桿和閥體配合的軸承進(jìn)行內(nèi)表面硬化，硬化方式為噴涂硬質(zhì)合金或氮化處理，使其耐磨性能大大提高。在高溫狀態(tài)下依然具有高硬度與耐磨性，能確保閥門在長(zhǎng)期啟閉時(shí)不會(huì)出現(xiàn)“咬死”的情況。同時(shí)能有效降低閥門操作扭矩，增強(qiáng)填料密封性能，還能為閥桿導(dǎo)向，消除閥桿徑向移動(dòng)對(duì)填料的磨損。為防止顆粒進(jìn)入，保護(hù)閥桿和填料函，在軸承下端部和外側(cè)設(shè)計(jì)安裝防塵圈Ⅰ、Ⅱ，保護(hù)閥桿和填料函，軸承結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。

軸承結(jié)構(gòu)

1—閥桿；2—閥體；3—軸承；4—填料箱；5—墊片；6—填料；7—防塵圈Ⅰ；8—防塵圈Ⅱ

2  結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展，金屬硬密封耐磨球閥的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛，通過(guò)以上對(duì)硬密封球閥四個(gè)結(jié)構(gòu)的剖析，并針對(duì)煤化工行業(yè)的實(shí)際工況特點(diǎn)，對(duì)這幾處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于提高閥門的性能和使用壽命。希望本文的論點(diǎn)能夠?qū)﹂y門行業(yè)的建設(shè)提供一定的參考，對(duì)提升我國(guó)閥門設(shè)計(jì)水平起到積極作用。