高温硬密封球阀密封结构研究
1、概述
球阀由于具有流体阻力小、操作方便、启闭迅速、密封性好和可靠性高等特点,在石油化工、长输管线及城市供暖等行业得到了广泛地应用。阀座材料采用聚四氟乙烯(或填充聚四氟乙烯)的称为软密封球阀,其使用温度不超过200℃。阀座材料采用金属制作的称为硬密封球阀或高温球阀,其使用温度高于250℃。近年来为了满足高温工况的需要,国内外球阀生产企业通过优化高温球阀密封结构,使其启闭扭矩明显降低,使用寿命大大延长,操作性能显著提高。
2、球阀硬密封结构
2.1、密封特点
高温球阀的密封特点主要是采用金属密封副,其优点是适用温度范围广,各种金属的热膨胀系数相差不大,只要选用得当,可以达到基本一致,有利于协调温差变形。缺点是材料硬度高,达到密封所必须的比压高,即使采用预紧力达到密封,但因密封比压大,阀座和球体之间的磨损也很大,而且由于金属密封面摩擦系数较大,导致球阀的启闭力矩较大。因此,高温球阀大多采用弹性密封副,其性能可靠,弹性补偿能力强,适用温度范围广,并对浮动球球阀和固定球球阀都适用。
高温球阀在预紧力和流体压力的作用下,阀座与球体压紧,使阀座密封面产生变形而达到密封。其密封效果取决于阀座在流体压力和预紧力的作用下,能够补偿球体不圆度和微观不平度的程度。因此,阀座与球体之间必须具有足够大的密封比压qb ,且应满足
qb < q <〔q〕
式中qb ———保证阀门密封的必须比压,MPa
q———阀门工作时的实际比压,MPa
〔q〕———阀座材料的许用比压,MPa
2.2、结构分析
(1)浮动球球阀密封结构
图1所示硬密封高温球阀由阀体、球体、阀杆、金属阀座及阀座与阀体间的柔性石墨密封圈组成。两个阀座以阀杆轴心为对称中心嵌入阀体,阀座在阀体嵌入槽中滑动,阀座与阀体之间的密封靠柔性石墨密封圈来实现。由于柔性石墨密封圈可压缩变形,该结构球阀在一定温度范围内使用不会因球体受热膨胀卡住不能动作,此结构硬密封球阀可用于温度不超过343℃的工况。
1.阀体 2.球体 3.阀杆 4.密封圈 5.阀座
图1 对称阀座高温球阀
图2所示高温球阀用金属弹性圈作阀座密封圈,用来补偿温差、压力和磨损等外界条件变化对球阀密封性能影响。该阀由阀体、球体、阀杆、金属阀座、阀座与阀体间的柔性石墨密封圈、金属弹性圈、金属弹性圈压环及密封垫组成。两个阀座一个为可在阀体嵌入槽中滑动的金属阀座,另一个为可变形的金属弹性圈阀座。该结构球阀在球体受热膨胀时金属弹性圈阀座可变形,使球体不致卡住不能动作。
1.密封圈 2.阀座 3.阀体 4.球体 5.阀杆 6.压环 7.金属弹性圈 8.密封垫
图2 金属弹性圈高温球阀
图3所示高温球阀使用碟形弹簧加载密封副结构。该阀由阀体、球体、阀杆、阀后阀座、阀后阀座密封圈、阀前阀座、阀前阀座密封圈、压环及碟形弹簧等组成。阀前阀座、阀前阀座密封圈、压环为一组件,碟形弹簧压在组件上。球阀装配后碟形弹簧受压,它一方面为阀门密封提供初始力,另一方面压缩阀座和阀体间的密封圈,使阀座和阀体间密封。该结构球阀两个阀座以阀杆轴心为对称中心嵌入阀体,阀座可在阀体嵌入槽中滑动,在球体受热膨胀时阀座组件滑动,碟形弹簧受压变形,避免球体卡住不能动作。
