金属密封耐磨损球阀的研究与设计

1、概述

　　随着科学技术的发展以及现代工业的需求，金属密封球阀在输送特殊介质的工况中( 如纸浆、水煤浆和硅粉等含有固体颗粒的混合液) 得到越来越广泛的应用。根据工况要求，研制了金属密封耐磨损球阀。

2、结构特点

　　金属密封耐磨损球阀采用弹性具有自动补偿功能的阀座结构，防止阀门在含有颗粒介质的工况中或高温情况下出现卡塞现象，提高了阀门使用寿命。球体和阀座具有良好的剪切和自洁功能，适合对颗粒介质和纤维介质的控制。阀杆采用侧装式，能确保填料处可靠密封以及阀杆防吹出。阀门采用双向密封结构，即提高了阀门的密封性能，也保证了介质逆向流动时的密封性能，为防止介质倒流提供了必要的保障。球体和阀座密封面喷涂耐高温高压、耐腐蚀和耐磨损的硬质合金。

3、技术处理

　　(1) 金属密封球阀的密封比压较高，在结构设计中考虑密封比压所需要的弹簧预紧力，采用下游阀座固定，上游阀座后设置碟形弹簧补偿结构。

　　(2) 考虑温度对金属材料的线性膨胀影响，采用高负载碟形弹簧。既提供了阀门密封比压所需要的初始预紧力，也避免了因温度原因引起球体与阀座卡阻现象，确保阀门启闭灵活。由于固体颗粒介质进入碟簧行程区会引起碟簧卡阻失效，增设了碟簧保护结构，确保阀门在低压情况下的密封性能。

　　(3) 由于输送的介质中所含的固体颗粒硬度较高，要求球体与阀座表面具有较高的硬度。否则，阀门启闭的过程中会有固体颗粒镶嵌在球体表面上，影响阀门的整体密封性能。因此球体表面与阀座表面喷涂碳化钨钴、镍基合金或碳化铬等材料。使密封表面硬度达到56 ～ 64HRC。不同的喷涂材料，可以获得不同的硬度。

　　(4) 阀座设计成具有自洁功能的刮刀结构，在阀门启闭过程中，能对球体表面吸附物进行刮削，防止固体颗粒进入阀门密封面，增加了阀门使用寿命。

　　(5) 球体和阀座采用数控机床加工，专用球面磨床磨削，以及专用研磨机配对研磨。

4、设计计算

　　以浮动式DN50-PN6.3 金属密封球阀为例( 图1，表1) ，进行密封比压、总摩擦扭矩、碟形弹簧负载的计算。

图1 浮动式金属密封耐磨损球阀

表1 性能参数

　　4.4、参数分析

　　( 1) 根据计算数据可得qb < q <[q]，实现了球阀的金属密封副密封。

　　( 2) 根据ASME B16. 34 选取安全的阀门壁厚，并对中法兰和螺栓螺母强度验算。

　　( 3) 根据计算获得的总摩擦扭矩对阀杆强度校核，并根据总摩擦扭矩选择合理的执行机构。

　　( 4) 参照外型结构尺寸标准，完成整套图纸设计。

5、结语

　　阀门通过强度性能试验、密封性能试验、抗磨损性能试验以及实际工况使用证明，金属密封耐磨损球阀适用于含有大量固体颗粒的高温高压介质工况，如聚丙烯项目中反应釜下料管道中含有大量聚丙烯颗粒工况，有机硅项目中含有高硬度硅粉颗粒工况等。

参考文献

　　〔1〕GB /T 12237 - 2007，石油、化工及相关工业用的钢制球阀〔S〕.

　　〔2〕ASME B16. 34，法兰，螺纹和焊接端连接的阀门〔S〕.

　　〔3〕陆陪文. 实用阀门设计手册〔M〕. 北京: 机械工业出版社，2002.

　　〔4〕苏志东，尹玉杰，张清双，等. 阀门制造工艺〔M〕. 北京: 化学工业出版社，2011.

　　〔5〕章华友，陈元芳. 球阀选型与设计〔M〕. 北京科学技术出版社.

　　〔6〕成大先. 机械设计手册〔M〕. 北京: 化学工业出版社，1999.