劉先冬，顧寄南

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引 言

高溫高壓球閥是近年來(lái)發(fā)展較為迅速的一類閥門之一[1-2]，普遍運(yùn)用到石油化工、煤化工等行業(yè)。這些行業(yè)中由于運(yùn)行工況復(fù)雜、流體介質(zhì)特殊等性質(zhì)，對(duì)其密封性能有著特別要求[3]，閥座密封等級(jí)要求達(dá)到美國(guó)流體控制學(xué)會(huì)ANSI/FCI70-2的Class Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，這類閥門最常見(jiàn)的失效形式就是主密封失效[4]，球閥的主密封結(jié)構(gòu)是由閥座和閥球配合密封而成，在閥門的加工精度和工作介質(zhì)壓差確定的前提下，閥門的主密封性能主要由其密封面上的密封比壓(單位面積密封面上的壓力)決定[5]。

其中，閥座和閥球形成的密封面寬度及其壓力角、工作介質(zhì)的壓差以及閥座所受到的的預(yù)緊力等是影響球閥主密封結(jié)構(gòu)比壓的主要參數(shù)，這些參數(shù)在設(shè)計(jì)上如果不合理，則閥門在啟閉時(shí)就會(huì)出現(xiàn)扭矩過(guò)大、閥門無(wú)法完全開(kāi)合等問(wèn)題，導(dǎo)致閥門的密封性能受到影響，并且會(huì)致使閥球和閥座表面噴涂的涂層應(yīng)力集中，從而使涂層產(chǎn)生裂紋、剝落[6-7]。

本研究以高溫高壓球閥入口端的主密封結(jié)構(gòu)作為分析對(duì)象，研究其設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種新型自補(bǔ)償主密封結(jié)構(gòu)，并建立三維模型進(jìn)行分析。

1 密封結(jié)構(gòu)及性能

1.1 常見(jiàn)球閥密封結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)分析

浮動(dòng)球閥的密封方法是通過(guò)工作介質(zhì)本身的壓力把在閥腔內(nèi)自由度未完全限制的閥球壓往閥門出口端閥座上而達(dá)到閉合密封效果的，因此，在高溫高壓下就要求閥座有著較強(qiáng)的硬度與強(qiáng)度來(lái)承受這種壓力。當(dāng)閥門口徑較大或介質(zhì)壓力較高時(shí)，閥門開(kāi)啟力矩就很大。

彈簧壓緊閥座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彈簧壓緊閥座結(jié)構(gòu)1—金屬閥座；2—填料；3—螺環(huán)；4—板簧；5—螺環(huán)

金屬閥座1與閥體之間用填料密封。填料用螺環(huán)3壓緊。閥座1靠螺環(huán)5和板彈簧4壓緊在閥球上而保證閥門密封。這種結(jié)構(gòu)的填料2及板簧4處于高溫區(qū)，因此不能用于更高的溫度，當(dāng)壓力較高或口徑較大時(shí)，填料所需預(yù)緊力就要很大。

彈性閥座結(jié)構(gòu)有兩種型式，即通過(guò)彈簧力和金屬閥座變形在密封面上建立初始比壓并補(bǔ)償閥座磨損，除了上述介紹之外還有一種彈性金屬閥座密封結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 彈性金屬閥座密封結(jié)構(gòu)1—金屬閥座；2—彈簧槽；3—斜面密封；4—螺環(huán)

當(dāng)扭緊螺環(huán)4時(shí)，閥座1后端尖楔形部分變形被壓緊在閥體上，使閥座和閥體壓緊從而達(dá)到密封，同時(shí)使變形槽2產(chǎn)生軸向變形，閥座通過(guò)其彈性與球體間產(chǎn)生初始密封比壓。變形槽的大小是該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，槽太大，彈力不足，槽過(guò)小，使閥座失去彈性，因此開(kāi)槽的大小與數(shù)量必須在高溫下由試驗(yàn)確定。

1.2 球閥密封性能影響因素

要想提高閥門的密封性能、使用壽命以及使結(jié)構(gòu)更加緊固，密封比壓的選擇就必須合理。當(dāng)閥門的閥座在預(yù)緊狀況下時(shí)，通過(guò)閥桿控制閥球相對(duì)閥座轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)閥球與閥座擠壓會(huì)產(chǎn)生切向的應(yīng)力，從而造成密封副之間的磨損。目前研究表明：金屬材料摩擦副之間的摩擦磨損率隨著載荷的增加有一個(gè)臨界載荷，即在臨界載荷下，磨損率較小，而大于臨界載荷，磨損率迅速增大，產(chǎn)生比較嚴(yán)重的磨損[8]，因此，為了減小球閥在不斷開(kāi)合過(guò)程中所造成的密封副之間的摩擦損失，應(yīng)該使密封面上的比壓盡可能小，且還要保證其密封性能。所以，密封面上的比壓需要達(dá)到如下條件：

Qb

(1)

式中：Qb—保證密封必需比壓；Q—實(shí)際比壓；[Q]—密封面材料的許用比壓。

按照不同的流體介質(zhì)壓力、密封面噴涂質(zhì)料以及密封面的寬度設(shè)計(jì)參數(shù)試驗(yàn)，得到當(dāng)密封面使用材料為硬質(zhì)合金或鋼的時(shí)候球閥的比壓經(jīng)驗(yàn)公式可表達(dá)為：

(2)

式中：Qb—保證密封必需比壓；h1—密封面徑向投影寬度；m—只與介質(zhì)的特性有關(guān)的系數(shù)，通常水為m=1，高溫狀態(tài)下的氣體、液體為m=1.4；P—介質(zhì)壓力；α—密封面壓力角。

2 Solidworks模型設(shè)計(jì)及有限元分析

本研究借助CAXA二維繪圖以及SolidWorks三維建模，提高密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率，同時(shí)對(duì)密封結(jié)構(gòu)密封面上的應(yīng)力分布以及閥座位移量進(jìn)行分析。

2.1 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

主密封結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 主密封結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)1—導(dǎo)流孔；2—閥座；3—U型彈簧；4—刮刀

主密封結(jié)構(gòu)由閥座2、刮刀4與閥體和閥球組合方式構(gòu)成，閥體內(nèi)部本身為高溫高壓介質(zhì)，當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，閥球與刮刀4形成的流通截面逐漸變小，使內(nèi)部壓力進(jìn)一步增大，介質(zhì)在高壓下通過(guò)導(dǎo)流孔1進(jìn)入內(nèi)腔對(duì)U型彈簧3施加作用力，該作用力迫使刮刀4緊貼閥球形成一個(gè)密封面，并且隨著閥門關(guān)閉該作用力逐漸增大，反作用于閥座2上，形成牢靠的自密封結(jié)構(gòu)。

圖3(b)中各變量對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 變量對(duì)應(yīng)關(guān)系

其中，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在閥球中心。

2.2 自補(bǔ)償密封原理

為了更形象地說(shuō)明本結(jié)構(gòu)密封原理，本研究使用Solidworks建模軟件建立主密封三維結(jié)構(gòu)模型，閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)如圖4所示。

圖4 閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)

當(dāng)閥門開(kāi)啟時(shí)如圖4(a)所示。此時(shí)閥球通道與閥座貫通，介質(zhì)可以無(wú)阻礙通過(guò)閥門。

當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)如圖4(b)所示。閥球中心線與閥座中心線垂直，此時(shí)閥球外表面與刮刀結(jié)構(gòu)緊緊配合，介質(zhì)無(wú)法通過(guò)，迫使介質(zhì)在自身壓力下流向?qū)Я骺?，進(jìn)入由U型彈簧和閥座形成的內(nèi)腔。

內(nèi)腔受力分析圖如圖5所示。

圖5 內(nèi)腔受力分析圖

在介質(zhì)壓力的作用下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向推力，該推力會(huì)增加刮刀與閥球的契合程度，刮刀結(jié)構(gòu)本身設(shè)計(jì)為可磨損型，當(dāng)不斷啟閉造成摩擦磨損時(shí)，介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向推力會(huì)驅(qū)使刮刀與閥球緊密配合，從而補(bǔ)償刮刀的磨損量，從而達(dá)到自補(bǔ)償密封的效果，該設(shè)計(jì)可以有效保護(hù)閥球，在維修時(shí)，只需更換刮刀結(jié)構(gòu)即可，操作簡(jiǎn)單，且節(jié)約成本。

2.3 有限元分析與驗(yàn)證

本研究通過(guò)SolidWorks Simulation對(duì)主密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，閥座材料為ASTM A36鋼，彈性模量Ε=200 GPa，泊松比υ=0.26，屈服強(qiáng)度=250 N/m2，球體不賦予材料屬性，作為解析剛體；法向接觸行為選擇“硬”接觸，切向無(wú)摩擦；閥門壓力等級(jí)中規(guī)定：公稱壓力PN=10.0 MPa～80.0 MPa為高壓閥門，這里取壓力極限PN=80.0 MPa分析，使用Solidworks自帶網(wǎng)格劃分工具將刮刀結(jié)構(gòu)整體劃分為六面體網(wǎng)格，得到有限元分析結(jié)果如圖6所示。

閥門應(yīng)力分布如圖6(a)所示。最大等效應(yīng)力為196.6 MPa，低于材料屈服強(qiáng)度250 MPa；位移變化如圖6(b)所示。最大位移量為0.003 8 mm，接近等于0；綜上所述，在極限高壓下該結(jié)構(gòu)仍能滿足工作需求。

圖6 有限元分析結(jié)果

根據(jù)閥座與閥球密封結(jié)構(gòu)的受力分析，可以推導(dǎo)出固定球閥密封面上密封比壓Q的計(jì)算公式可近似表達(dá)為[9-10]：

(3)

式中：Q—實(shí)際比壓；h—閥座密封面寬度(與密封面投影寬度成正比，分析時(shí)可用投影寬度替代)；P—工作壓力。

由圖3(b)分析可知，當(dāng)未發(fā)生摩擦損失時(shí)h=h1；當(dāng)發(fā)生摩擦損失后，摩擦磨損區(qū)域如圖7所示(黑色區(qū)域表示摩擦損失部分)。

圖7 摩擦磨損區(qū)域

當(dāng)磨損發(fā)生后軸向推力會(huì)使刮刀結(jié)構(gòu)壓緊閥球補(bǔ)償磨損量，此時(shí)密封面投影寬度會(huì)增加Δh，則密封面寬度h=Δh+h1，磨損后密封面比壓ΔQ為；

(4)

顯然，綜合式(3～4)分析可知，當(dāng)發(fā)生摩擦損失時(shí)，在工作壓力P保持不變的情況下，僅有密封面寬度改變，則：

ΔQ

(5)

因此，通過(guò)以上分析可以得出結(jié)論：密封面寬度與密封面比壓成反比關(guān)系，通過(guò)該設(shè)計(jì)可以使發(fā)生摩擦磨損的區(qū)域通過(guò)流體介質(zhì)自身壓力的作用得到補(bǔ)償，從而增加了刮刀結(jié)構(gòu)與閥球形成的密封面寬度，減小了閥門的密封比壓，使密封性能得到增加，驗(yàn)證了該主密封自補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出的利用流體介質(zhì)自身壓力提供閥座軸向推力迫使閥座補(bǔ)償摩擦損失的方法不僅適用于高溫高壓球閥，也廣泛適用于密封原理類似的其他普通球閥，對(duì)今后高溫高壓球閥的研究與實(shí)際生產(chǎn)具有重要的參考意義。

本結(jié)構(gòu)由于內(nèi)腔與閥門通道相連，默認(rèn)內(nèi)腔壓力等于介質(zhì)壓力，但內(nèi)腔壓力大小是否會(huì)受導(dǎo)流孔分布以及形狀影響未作分析，下一步工作主要將建立閥門泄露模型，探討導(dǎo)流孔結(jié)構(gòu)形式與密封比壓的關(guān)系，并制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，由于實(shí)際工況中可能存在流體介質(zhì)含有固體顆粒等其他問(wèn)題，后期的研究可能會(huì)改進(jìn)該結(jié)構(gòu)，使之達(dá)到最優(yōu)。

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