球閥閥座密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

2013-07-24 顧玉海伯特利閥門集團(tuán)

1、概述

　　在電廠、礦山、冶金和化工等行業(yè)帶有顆粒灰漿和干灰及腐蝕性介質(zhì)的管道中，球閥用于介質(zhì)流量控制和啟閉，其閥座密封面的結(jié)構(gòu)形式，直接影響到閥門的質(zhì)量和使用壽命。普通球閥的閥座通常采用PTFE材料，在閥門啟閉過程中，閥座密封面受到介質(zhì)顆粒的沖擊和磨損，很容易被劃傷并無法恢復(fù)，閥門的密封性能被破壞。嚴(yán)重時(shí)，閥門啟閉困難并失去作用。通過對(duì)閥座的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決了球閥使用中的內(nèi)部泄漏問題。

2、分析

　　球閥閥座通常采用在浮動(dòng)支架套筒側(cè)面上環(huán)形槽內(nèi)壓入PTFE矩形圈的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過精加工裝配到閥體中。PTFE具有一定的彈性，對(duì)球體表面因精加工過程中形成的微觀不平度具有一定的補(bǔ)償能力。PTFE閥座密封面的密封可靠。浮動(dòng)套筒支架上設(shè)有O形圈形成浮動(dòng)閥座。浮動(dòng)閥座密封面與球體密封面之間的密封副依靠壓力的相互作用形成密封比壓(圖1)。這種閥座結(jié)構(gòu)的密封性能主要取決于彈簧的壓縮量保證其密封比壓以及閥座密封面與球體密封面的加工精度。

圖1 普通軟密封閥座形式

　　閥門在啟閉過程中，其出口端閥座密封面受到介質(zhì)對(duì)密封面連續(xù)不斷的沖蝕和撞擊，其中的灰渣會(huì)嵌入PTFE矩形密封圈內(nèi)，使密封面變窄或密封比壓升高，密封面受到擠壓和擦傷，造成密封失效。閥門進(jìn)口端密封面同樣受到介質(zhì)連續(xù)不斷地磨損，擦傷密封面易被擠裂，導(dǎo)致閥門密封失效。在球閥開啟時(shí)，介質(zhì)作用在球體上的推力轉(zhuǎn)移到介質(zhì)顆粒的速度上，向閥座密封面沖撞和摩擦，使閥座密封面失效。閥座(最先開啟的部位)磨損特別嚴(yán)重，使入口端的閥座密封面產(chǎn)生泄漏，閥體體腔內(nèi)部形成了介質(zhì)流，由于介質(zhì)的流動(dòng)產(chǎn)生了渦流，所以在體腔內(nèi)部閥體和球體上形成結(jié)垢導(dǎo)致閥門失效(圖2)。

圖2 閥門渦流現(xiàn)象

　　球閥應(yīng)用于干灰(氣、固相)系統(tǒng)管道中，因?yàn)楦苫沂蔷哂幸欢ㄕ承缘姆垠w，還具有滲透性，應(yīng)用于氣、固相粉體輸送管道中的球閥，閥門閥座密封面采用金屬密封(圖3)。啟閉過程中，硬密封面能將球體密封面上的干灰和固體顆粒撥離球體密封面，因此硬密封閥座具有清潔球體密封面的功能。由于密封面在加工過程中，產(chǎn)生尺寸公差和形位公差形成密封面的微觀不平度，硬密封面對(duì)微觀不平度不能進(jìn)行有效地補(bǔ)償。閥門球體密封面和閥座密封面受到介質(zhì)的作用力推動(dòng)干灰從密封面的一側(cè)，向密封面的另一側(cè)滲透，閥座密封面和球體密封面受到磨損。在閥座密封面和閥體密封面，特別是在閥體上形成沿密封面寬度(球體通徑)由淺變深，由寬變窄的風(fēng)溝，使閥體通透造成介質(zhì)外漏(圖4)。

圖3 普通硬密封閥座

圖4 風(fēng)溝

3、改進(jìn)

　　根據(jù)現(xiàn)場的觀察和結(jié)合系統(tǒng)工況分析，對(duì)球閥閥座密封面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)。首先將密封面設(shè)計(jì)成為硬密封和軟密封的雙道密封。雙道密封閥座的硬密封面能清潔球面，將顆粒和雜質(zhì)從球體密封面上清除。軟密封面將球體密封面的微觀不平度填平，杜絕干灰的滲透。軟密封閥座選擇充氣式U形環(huán)的軟密封結(jié)構(gòu)，環(huán)的兩側(cè)用兩個(gè)側(cè)環(huán)定位于浮動(dòng)支架套筒的斜槽內(nèi)。U形充氣軟密封閥座由氟橡膠材料制成。閥門在啟閉過程中，U形充氣軟密封閥座密封面縮入U(xiǎn)形槽內(nèi)(圖5)。U形槽與介質(zhì)流動(dòng)方向盡可能的垂直，減小受介質(zhì)的沖擊，密封面露出的面積越小，介質(zhì)對(duì)密封面的沖擊、磨損也越小，其次，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，減少閥門啟閉時(shí)間，也能減小介質(zhì)對(duì)閥座的沖擊和磨損，防止閥座的內(nèi)部泄漏，提高了閥門的使用壽命和可靠性。

圖5 組合密封式閥座

4、設(shè)計(jì)

　　U形充氣軟密封閥座圈采用膨脹式結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)成不同形狀的前部凸起部分，控制密封面密封比壓和防止閥座密封面的磨損(圖6)。

圖6 3種軟密封閥座

　　(1)A形閥座密封面在腔體壓力的作用下，A點(diǎn)與球體密封面接觸，接觸瞬間密封比壓很大，隨著壓力的增加A點(diǎn)發(fā)生了彈性變形，密封面從A點(diǎn)開始轉(zhuǎn)動(dòng)并使密封面積增加。由彈性變形填充球面的微觀不平度密封性能較好。密封面與介質(zhì)的接觸面積較小，密封面磨損也小。

　　(2)B形閥座密封面因?yàn)锽點(diǎn)的頂點(diǎn)是圓面，接觸瞬間B點(diǎn)產(chǎn)生彈性變形填充球面的微觀不平度，密封效果較好。球閥在開啟過程中與介質(zhì)的接觸面積較大，閥座密封面磨損較大。

　　(3)C形閥座密封面在腔體壓力的作用下，C點(diǎn)與球體表面接觸產(chǎn)生彈性變形。隨著彈性變形的增加，密封面將產(chǎn)生以C點(diǎn)為圓心的轉(zhuǎn)動(dòng)。在開啟時(shí)介質(zhì)與閥座密封面的接觸面積較小，密封面磨損較小，密封面的密封性能較好。

5、控制過程

　　控制系統(tǒng)采用二位二通電磁閥加三聯(lián)體和氣動(dòng)增壓裝置，中間繼電器，紅、綠指示燈，連接方法見圖(7)。

　　(1)關(guān)閉閥門接通SQ，常開觸點(diǎn)C、二位五通電磁閥TC閉合。在電磁力的作用下，電磁閥由A位換到B位，氣缸活塞由左向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，球體順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，閥門關(guān)閉。極限常閉觸點(diǎn)K1、K2閉合，二位二通電磁閥在電磁力作用下，由N位換到P位，氣控液體增壓裝置放氣，U形充氣閥座在彈簧力和橡膠彈性回復(fù)力的作用下縮入到U形槽內(nèi)，同時(shí)綠色指示燈熄滅。球體繼續(xù)轉(zhuǎn)過90°，極限開關(guān)K2常開觸點(diǎn)被壓閉合，紅色指示燈亮啟，閥門關(guān)閉。極限開關(guān)K1常閉觸點(diǎn)閉合、K2的常閉觸點(diǎn)斷開，二位二通電磁閥在彈簧力作用下?lián)Q向，由P位換到N位，氣控液體增壓裝置開啟，U形充氣閥座膨脹壓向球體，閥門密封。

　　(2)開啟閥門接通TQ，常開觸點(diǎn)C、二位五通電磁閥TC斷開。在彈性力的作用下，電磁閥由B位換到A位，氣缸活塞由右向左側(cè)運(yùn)動(dòng)，球體逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，閥門開啟。極限常閉觸點(diǎn)K1、K2閉合，二位二通電磁閥在電磁力地作用下，由N位換到P位，氣控液體增壓裝置放氣，U形充氣閥座在彈簧力和橡膠回復(fù)力的作用下縮入U(xiǎn)形槽內(nèi)，同時(shí)紅色指示燈熄滅。球體繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至90°，極限開關(guān)K1常開觸點(diǎn)被壓閉合，綠色開啟指示燈亮啟，閥門開啟。二位二通電磁閥在彈簧力的作用下?lián)Q向，由P位換到N位，氣控液體增壓裝置開啟，U形充氣閥座膨脹壓向球體，閥門密封。