段大軍，楊恒虎，李宏偉

（重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400700）

0 引言

在目前市場上，大部分國產(chǎn)硬密封球閥除中低壓球閥能夠達(dá)到市場接受的水平外，其他如超低溫、高壓氧、高溫高壓、汽化爐等高性能球閥仍然很少廠家涉及。隨著國內(nèi)石油、天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，對球閥的需求量大幅增加，特別是對石油、化工、天然氣開采、冶煉和輸送系統(tǒng)的高溫、高壓球閥、高壓氧球閥、管線球閥、鎖渣鎖斗閥等產(chǎn)品的需求大量增加，為國內(nèi)閥門企業(yè)帶來了巨大機遇，但由于在高溫、高壓、管線、高壓氧氣、氣化裝置等工況技術(shù)上與美國的Mogas、德國的舒克（Schuck）、加拿大的威蘭（VELAN）、意大利的派諾（PERAR）、德國的ARGUS等國外知名閥門企業(yè)相比仍然存在較大差距，所以在今后較長一段時間內(nèi)，硬密封球閥產(chǎn)品技術(shù)將成為制約國內(nèi)球閥企業(yè)發(fā)展的一個瓶頸。綜上所述，今后硬密封球閥的技術(shù)發(fā)展必定向高溫、高壓、高頻率、高精度及耐腐蝕、沖刷等苛刻工況的方向發(fā)展，并具有較大的經(jīng)濟(jì)價值。

1 CAE仿真強度驗算

硬密封球閥常常在氣、液、固三相流體的復(fù)雜工況下使用，表面很容易出現(xiàn)被損傷、剝落，嚴(yán)重時還會造成閥門卡死，將會影響現(xiàn)場生產(chǎn)停車，造成生產(chǎn)成本的提升。因此，這也就對其所使用的硬密封球閥提出了很高的要求，需要擁有穩(wěn)定性高、泄漏低、使用壽命長、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、低扭矩等功能。而傳統(tǒng)的硬密封球閥的核心零部件的設(shè)計完全參考設(shè)計手冊具有一定的局限性。隨著科技的進(jìn)步CAE分析軟件的出現(xiàn)對閥門的設(shè)計帶來了新的革命，大大提高了閥門設(shè)計的可靠性，下面以Class300 DN150口徑為例作如下分析。

圖1 主閥體應(yīng)力分布剖視圖Fig.1 Stress distribution of main valve body section view

圖2 副閥體應(yīng)力分布剖視圖Fig.2 Stress distribution of sub-valve body section view

圖3 閥桿應(yīng)力分布圖(左為關(guān)閉，右為卡死)Fig.3 Valve rod stress distribution chart ( left is off, right is stuck )

1）分析結(jié)果——主閥體應(yīng)力分布

根據(jù)本球閥的公稱壓力標(biāo)準(zhǔn)為class300，圖1為在介質(zhì)壓力7.5MPa（見選型樣本強壓測試）、承受執(zhí)行器重量55kg、輸出扭矩890N*m以及螺栓預(yù)緊力31250N下，主閥體的應(yīng)力分布圖，其應(yīng)力分布集中在60MPa左右；根據(jù)閥體材料為WCB，其屈服強度為248MPa（見常用金屬材料物性參數(shù).xls）可得，主閥體的應(yīng)力均小于材料的屈服強度，符合要求。

2）分析結(jié)果——副閥體應(yīng)力分布

根據(jù)本球閥的公稱壓力標(biāo)準(zhǔn)為class300，圖2為在介質(zhì)壓力7.5MPa（見選型樣本強壓測試）、承受執(zhí)行器重量55kg、輸出扭矩890N*m以及螺栓預(yù)緊力31250N下，副閥體的應(yīng)力分布圖，其應(yīng)力分布集中在45MPa左右；根據(jù)閥體材料為WCB，其屈服強度為248MPa（見常用金屬材料物性參數(shù).xls）可得，副閥體的應(yīng)力均小于材料的屈服強度，符合要求。

圖4 200℃閥桿應(yīng)力分布圖(左為關(guān)閉，右為卡死)Fig.4 200 ℃ Stress distribution chart ( left is off, right is stuck )

3）分析結(jié)果——閥桿應(yīng)力分布

對于閥桿、球芯和閥座的分析，球閥開啟狀態(tài)與關(guān)閉狀態(tài)相比，關(guān)閉狀態(tài)所受應(yīng)力更大。因此，對于它們的分析主要從球閥關(guān)閉和球閥卡死兩種狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖3分別為球閥在介質(zhì)壓力7.5MPa關(guān)閉狀態(tài)和執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩890N*m球芯卡死狀態(tài)下，閥桿的應(yīng)力分布圖，其應(yīng)力主要集中在110MPa和120MPa左右；根據(jù)閥桿材料為630，其屈服強度為865MPa可得，閥桿在兩種狀態(tài)下的強度，符合要求。

4）分析結(jié)果——200℃閥桿應(yīng)力分布

圖4分別為200℃時，在介質(zhì)壓力7.5MPa關(guān)閉狀態(tài)和執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩890N*m球芯卡死狀態(tài)，閥桿的應(yīng)力分布圖，其應(yīng)力主要集中在130MPa和140MPa左右；根據(jù)閥桿材料為630，其200℃的屈服強度為736MPa可得，閥桿在兩種狀態(tài)下的強度，符合要求。

5）分析結(jié)果——球芯應(yīng)力分布

圖5 球芯應(yīng)力分布圖(左為關(guān)閉，右為卡死)Fig.5 Core stress distribution chart ( left is off, right is stuck)

圖6 閥座應(yīng)力分布圖(關(guān)閉)Fig.6 Valve seat stress distribution chart (off)

圖5分別為球閥在介質(zhì)壓力7.5MPa關(guān)閉狀態(tài)和執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩890N*m球芯卡死狀態(tài)下，球芯的應(yīng)力分布圖，其應(yīng)力主要集中在100MPa和70MPa左右；根據(jù)球芯材料為316，其屈服強度為205MPa可得，球芯在兩種狀態(tài)下的強度，符合要求。

6）分析結(jié)果——閥座應(yīng)力分布

圖6為球閥在介質(zhì)壓力7.5MPa關(guān)閉狀態(tài)時，閥座應(yīng)力分布圖；其應(yīng)力分布主要集中在8MPa左右，根據(jù)閥座材料可得，其強度符合要求。

7）分析結(jié)果——支架應(yīng)力分布

圖7為支架在承受執(zhí)行器重量550kg、輸出扭矩890N*m以及螺栓預(yù)緊力29000N下支架的應(yīng)力分布圖，其應(yīng)力集中45MPa左右；根據(jù)支架材料為WCB，其屈服強度為248MPa（見常用金屬材料物性參數(shù).xls）可得，其強度符合要求。

8）分析結(jié)果——連接件應(yīng)力分布

圖8為執(zhí)行機構(gòu)輸出扭矩890N*m球芯卡死狀態(tài)下，連接件的應(yīng)力分布圖；其應(yīng)力集中在130MPa左右；根據(jù)連接件材質(zhì)為45鋼，屈服強度為355MPa可得，其強度符合要求。

圖7 支架應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution map of bracket

圖8 連接件應(yīng)力分布圖(卡死)Fig.8 Stress distribution diagram of connectors (stuck)

9）分析結(jié)果——左右閥體連接螺栓

圖9 左右閥體連接螺栓應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of valve body connection bolts

圖10 熱噴焊工藝Fig.10 Hot spray welding process

圖11 超音速噴涂工藝Fig.11 Supersonic spraying proces s

圖9為左右閥體連接螺栓在介質(zhì)壓力7.5MPa和預(yù)緊力31250N下的應(yīng)力分布圖，其應(yīng)力集中在120MPa左右，根據(jù)螺栓材質(zhì)為304，其屈服強度為205MPa可得，其強度滿足要求。

2 硬密封球閥閥球和閥座硬化方式

硬密封球芯作為硬密封球閥的核心部件，由于對其表面硬度、粗糙度、圓度、噴焊層與基體結(jié)合強度等方面都有很高的技術(shù)要求，加之球芯自身的外型特點，使用普通設(shè)備對其加工非常困難，特別是磨削設(shè)備在國內(nèi)幾乎無廠家生產(chǎn)，大部分球閥企業(yè)均只能靠國外進(jìn)口。為使球芯表面硬度、噴焊層與基體結(jié)合 強度達(dá)到特殊工況要求，目前國際上比較成熟的先進(jìn)工藝方法為：熱噴焊工藝和超音速噴涂工藝。

熱噴焊工藝（圖10）：噴焊是指在熱噴焊過程中對基體和合金同時加熱至1000℃～1300℃ ，使合金在基體表面熔化，形成熔層的方法。最終沉積物是致密的金屬結(jié)晶組織并與基體形成約1mm～3mm的冶金結(jié)合層，其結(jié)合強度約400MPa，硬度大于HRC58～68，抗沖擊性能較好、耐磨、耐腐蝕，但工件變形量較大。噴焊使用的Ni60A、Dr6325、鎳基WC等硬質(zhì)合金，已廣泛使用在石油、化工等行業(yè)。

球芯超音速噴涂工藝（圖11）： 超音速噴涂技術(shù)是目前國際最先進(jìn)的噴涂術(shù)，它是利用電能或燃燒能為源，將需要噴涂的材料加熱到熔化或者半熔化狀態(tài)，然后高速噴射到經(jīng)過處理的基體表面形成具有一定特性的涂層技術(shù)。其具有較高的結(jié)合強度、硬度、及耐高溫性能 等特點。

3 結(jié)論

由于硬密封球閥的材料成本高、技術(shù)含量高、工藝難度大、質(zhì)量風(fēng)險大、投資高、主體材料和密封材料的選用以及對球體圓度、光潔度、密封面吻合度和球軸同心度的要求都很高，因而閥門的價位為同類軟密封球閥的6～10倍，進(jìn)口的閥門又為國產(chǎn)的3～5倍。特殊的硬密封球閥大多應(yīng)用在一些高溫、高壓且含有大量固體顆粒、纖維等惡劣工況中，閥門在正常使用一段時間后容易損壞，而國外產(chǎn)品的維修時間較長，不能滿足國內(nèi)企業(yè)的要求。這樣為許多高端閥門國產(chǎn)化及以國代進(jìn)，提供了良好的機會。為此國內(nèi)大型閥門企業(yè)投入了大量分析軟件如：ANSYS Fluent（CFD流體分析）、ANSYS Mechanical（結(jié)構(gòu)分析）、Hyperworks（優(yōu)化）、MSC.Actran（噪聲）、MSC.Fatigue（疲勞）為實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的重大突破奠定了堅實基礎(chǔ)。