低温球阀阀座结构型式的试验分析

　　作者选取了球阀常用密封阀座的三种型式，在液氮中进行试验。利用试验结果分析比较了三种阀座低温条件下的形态，从而得出了大口径低温球阀阀座结构设计要点。

引言

　　球阀具有流阻小、结构简单、启闭快速、安装和操作方便等特点，广泛应用于流体控制系统。按介质的温度范围划分， 球阀有常温球阀和低温球阀。低温球阀工作介质的温度可达20K(液氢)，甚至更低。与常温球阀相比，低温球阀的结构以及材料选择上有很大不同。除了阀体需采取保温结构，如真空绝热或发泡保温外，主密封结构，即阀座结构及其材料的选择是影响低温球阀工作性能的重要因素， 尤其是大口径低温球阀。

　　本文对常温状态下常用结构型式的阀座进行了低温试验， 在分析试验结果的基础上提出了满足大口径低温球阀使用要求的阀座结构型式。

1、常温状态下阀座常用的结构型式

　　常温状态球阀常用的阀座结构型式有刚性阀座、带弹性元件的阀座、聚四氟乙烯唇式阀座和组合型阀座(弹性胀圈与聚四氟乙烯唇式密封座组合)。唇式阀座的唇形结构具有较好的弹性， 可保证密封面的预压缩量并对密封面的预压缩量进行补偿; 组合型阀座依靠弹性胀圈良好的弹塑性变形能力， 增强阀座的变形能力和补偿能力，提高了球阀的密封性。常用密封结构见图1～图5。

图1 刚性阀座　　图2 唇式阀座

图3 带蝶形弹簧的阀座

　　实际使用中， 选用哪种阀座结构需视球阀的工作压力范围、介质、工作流程要求等情况确定。

2、阀座低温试验及结果分析

　　2.1、低温试验阀座的结构型式选择

　　所涉及低温球阀的工作介质一般为液氧、液氮和液氢， 低温试验阀座的材料需具有介质相容性又满足低温工作要求。金属材料一般为不锈钢或铜、镍基合金材料;密封材料一般为聚四氟乙烯(PTFE、F4)。在分析的基础上， 确定选择3 种阀座作为低温试验的样本，即整体式刚性阀座(图6a)、带弹性胀圈的组合型阀座(图6b)、嵌入式刚性阀座(图6c)。

图6 阀座结构型式

　　嵌入式刚性阀座是将聚四氟乙烯密封圈以过盈配合嵌入金属座的沟槽中。金属座沟槽的内圆面有5°的斜角，使得密封圈压入后单边局部有0.5mm 的间隙，作为密封圈的收缩空间。

　　2.2、阀座低温试验

　　1)试验流程

　　阀座低温试验时， 将不同结构型式的阀座装配在DN150 的气动球阀上，分别进行低温介质试验，测试相关性能。试验参照QJ 2474《低温球阀通用技术条件》的规定，采用通流法试验。试验流程见图7。

图7 阀座低温试验装置原理图

3、结语

　　通过对三种不同结构的阀座进行低温验证试验，分析认为：

　　(1)低温球阀的阀座结构设计需考虑限制聚四氟乙烯密封圈的径向收缩量， 防止球体与阀座的摩擦力过大;在限制密封圈径向收缩的同时，还需考虑释放低温状态下产生的应力。

　　(2)阀座聚四氟乙烯密封圈的径向尺寸，在保证密封比压不超过许用比压的前提下应尽量减小，且结构型面不宜过于复杂，壁厚应尽量均匀;在结构允许的情况下，密封圈的厚度应尽量大，增加抗拉应力的能力。

　　(3)在限制聚四氟乙烯密封圈径向收缩的同时需考虑释放其在温度大范围变化状态下产生的应力。