技术改造
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一种耐磨球阀技术方案的分析介绍
吴玉良 刘 智 张智博 胡世强 曹甲亮 叶凯强
（特技阀门集团有限公司，浙江 温州 325105） 1.引言
随着经济的快速发展，工业装置不断向高参数、大型化方向发展，工业过程装置现场工况条件也随之变得越来越复杂，在很多情况下，阀门应用的工况条件甚至同时具有高温、高压、含有大量硬固体颗粒情况（比如：连续重整装置、延迟焦化装置、多晶硅装置、催化剂脱硫吸附装置、煤气化装置、冶金矿浆输送管道等），传统阀门的密封性能已经逐渐无法适应，金属硬密封耐磨球阀是目前一种普遍认同的阀门类型，正因为如此，近年来金属硬密封耐磨球阀得到非常迅速的发展，其应用领域与范围也随之变得更加广泛。
过去由于工艺的限制，国内在硬密封球阀的密封面耐磨这道关卡上一直无法突破，无法生产这类阀门，长期依靠进口，这几年随着工艺和装备的不断发展和完善，金属硬密封耐磨球阀的国产化也变得切实可行。我公司在设计、开发金属硬密封耐磨球阀之前，曾历经数年维修大量进口品牌金属硬密封耐磨球阀(MOGAS 、VTI、NELES、KTM、PERRIN、BURGMANNARGUS、VELAN、HARTMAN、KINDER）等；在维修进口耐磨球阀的过程中吸收并掌握了很多国外耐磨球阀关键的技术优点，很多时候，我们还结合国内实际情况，借用现有条件，对其不足之处进行了结构改进，积累了丰富的设计制造经验，为我公司自己开发全新硬密封耐磨球阀大小了坚实基础。 2.关键核心技术改进点
2.1卸灰槽：应用在固体颗粒、黑水渣水或浆料系统中的普通阀门大多采用螺旋弹簧，也有少数阀门采用蝶形弹簧。对于大多数阀门使用螺旋弹簧，虽有防尘圈能阻挡大颗粒介质，然而一些细小颗粒，随着阀门的使用还是会慢慢进入弹簧部位，一旦进入弹簧内部则无法自动清洁。直至填满弹簧中腔造成弹簧无法压缩而导致弹簧失效。
采用的碟簧结构在对比常规弹簧有以下优势：碟簧的结构简单，进入到碟簧位置的物料相对弹簧较易排出，所以在以上工况应用中较螺旋弹簧要好些，但物料同样会进入碟簧部位，在碟簧与阀体或阀盖之间形成的三角区域内形成堆积，随着压力的变化，阀座组件会产生少量的位移，这时由于阀座移动，
碟簧变形产生的空隙就会被固体或浆料介质填满，使碟簧无法复位，失去其固有的弹性补偿功能而处于卡死状态，从而造成球与座之间的摩擦力只增不减，越来越大，最终导致阀门开始出现卡涩现象，直至执行器无法驱动阀门，进而阀门故障。
此设计针对性的应用在固体或浆料系统，阀座采用碟簧预紧的结构。普通阀门应用在该系统时物料进入弹簧部位，很快会造成弹簧卡死，进而引起阀座卡死，最终导致阀门扭矩逐渐增大，造成阀门卡涩甚至卡死现场出现。而卸灰槽的应用很好的解决了这一难题，物料虽然会进入碟簧，但会通过卸灰槽（图1所示卸灰槽结构）排除碟簧后面的灰或浆料，不会造成碟簧卡死，良好的保证了阀座的灵活性，从而使该处扭矩很好的控制在设计范围内，保证了系统的正常运行。
图1：卸灰槽结构示意图miad530
2.2阀杆挡灰圈：固体、黑水渣水或浆料系统中使用的阀门会随着阀门的使用出现卡涩或卡死现象，是因为执行机构频繁的开关使用而导致材料疲劳引起的吗？而事实上，造成阀门卡涩或卡死的原因有多种，而将发生此类故障的阀门进行解体后发现，其中原因之一便是阀杆的卡涩或卡死。
应用在该系统中的阀门，在阀门开关过程中（阀杆反复扭转），物料会在系统压力的作用下很容易进
入阀杆与阀杆轴套之间的间隙，但由于阀杆处的轴套有定位阀杆及无油轴承的作用，所以阀杆与轴套配合的间隙较小，而管道中的颗粒性介质一旦进入间隙后就不易出来，粉尘会随着阀门的使用逐渐塞满间隙，因此阀杆与轴套之间的摩擦扭矩就会越来越大，导致阀门开关过程中开始出现卡涩或卡死现象，直至执行器无法转动阀杆甚至扭断阀杆，使阀门故障。
针对上述问题，此设计（见图2所示）针对性的应用在固体、浆料和含有颗粒介质系统。普通阀门应用在该系统时物料会进入阀杆与阀杆轴套之间挤压阀杆，造成阀杆干涉，阀门扭矩急剧增大，直至阀门卡死。为了解决这一问题，阀杆挡灰圈的设计很好的解决了这一难题，密封圈很好地阻挡了颗粒介质进入阀杆与轴套间，良好地保证了阀杆的灵活性，很大程度延长了阀门的使用寿命，保证了系统的长周期正常运行。
2.3阀座密封环：阀门在生产中无外乎起到切断和调节的作用。无论是哪一类阀门，在性能指标中，阀门的密封性能是至关重要的一项，阀门结构在好，使用材料在优秀，若阀门密封不住，那一切都是空谈。
磁性刀架球阀的密封除了球座之间的密封外，阀座密封环处的密封也很重要的。普通球阀几乎都因此处的泄漏而达不到较高的密封性能等级要求。密封环成了很多厂家的一道难越的门槛。为了使阀门达到密封，要求密封环处尺寸严格控制在公差之内，而对此，密封环生产厂家有以下几个难题：一是由于密封环
的特殊形状而难以保证它的尺寸公差要求；第二，加工成型的密封环若偏软则在实际使用中就会散掉，偏硬则会在预紧力的作用下难以变形导致密封环性能不佳。
针对上述情形，按下图3所示进行设计（俩密封环斜度间存在2度之差），一方面解决了因过度要求软，生产厂家难以控制密封环尺寸公差的问题，另一方面特殊的结构设计比普通密封环结构在同等密封比压作用下更易变形，从而保证了更优的密封性能
《装备维修技术》2021年第8期
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要求，还相应的降低了预紧力，进而一定程度的降低了整台阀门的开关扭矩。
2.4阀杆双轴承设计：优秀的阀门除了外观和设计理念上的需要突出外，阀门在实际应用上也该有优秀的表现。通过分析影响整台阀门的开关扭矩的因素来看，阀杆防吹出设计处的台阶处也是对阀门扭矩影响偏大的一块。
永磁马达通常情况下，普通球阀在阀杆防吹出处只放置了一片止推轴承，此种结构在低压工况中要求使用时影响较小，但面对高温高压工况，一片轴承结构设计极易造成此结构处硬质合金的粘结，进而导致阀门扭矩增大甚至阀杆卡死，更严重者将造成阀杆的断裂。
mrp游戏而采用双轴承设计（见图4所示）的结构区别于普通阀门设计的优点在于：一方面增加了转动点，因此使阀杆很难发生粘接而影响阀门转矩；另一方面双轴承采用特殊的摩擦副配对，使双轴承能够更加灵活转动，大大降低了该处的摩擦力矩，从而降低
了整台阀门的开关扭矩。
图
3：阀座密封环结构示意图
图4：阀杆双轴承结构示意图
2.5体盖密封结构：阀门除了要求阀门无内漏外，更重要的是不能有外漏，有些工况下系统是严格要求无外漏的，如果出现外漏，系统中的有害物质或有毒气体就会危害到人体和环境。在阀门的性能指标中，阀门的密封性能是至关重要的一项，而其中的外漏是更严格的一项硬指标。
sim卡托从整台阀门来讲，阀体与阀盖连接处的密封至关重要。普通阀门一般用复合垫或缠绕垫实现密封，而对于高温高压的工况，复合垫回弹性不好，在高温和常温的反复加热和冷却下，易热胀冷缩，无法及时补充间隙造成外漏。而常采用的缠绕垫一方面变形密封的预紧力较大，另一方面压缩量不好控制，极易压溃，另
外在结构设计中，复合垫与缠绕垫的应用会使阀门外形尺寸相对较大，增加了阀门的成本。
针对上述情况，中法兰处密封可采用双重三角密封垫的设计（图5所示），能够很好的解决了这一问题，三角垫一方面易于压缩，另一方面高温高压下密封垫的膨胀及介质的作用会增强该处的密封性能；双重密封垫更杜绝了阀门的外漏，并且三角密封垫的设计使阀门的结构更紧凑，降低了阀门的成本。
2.6阀杆双轴套定向设计：普通常规阀门一般阀杆处仅仅设置一处轴套来对阀杆进行径向定位，这对小
口径不经常操作的阀门有一定的适用性，而阀杆单轴套径向定位设计对于气动高频快速切断球阀来说则不理想，而煤化工上恰恰是气动快速切断阀，因此针对粉煤加压气化系统的具体工况要求，做出如下设计，阀杆第一处径向轴套采用硬面喷焊技术，这样即使有介质因阀杆转动而带入轴套内径处，也可以有效地保证其不被磨损。阀杆第二处径向轴套采用非金属材质，一般为”PTFE+柔性石墨”或PEEK 等材质，这样一方面可以减少阀杆的摩擦力矩，另一方面又可以限制阀杆的偏转（如图6所示）。
图5：体盖密封结构示意图
图6：双轴套定向结构示意图
3.结论
阀门的结构经过上述改进后，我公司建立工况模拟实验，产品开关灵活，扭矩较之前同类阀门相比，得到明显降低，经过寿命测试，其实际使用寿命提高了3倍以上，充分证明改进方案是成功的，值得肯定的。
参考文献：
[1]刘先冬.顾寄南.高温高压球阀主密封结构自补偿设计研究[J].机电工程，2018
[2]李海涛.金属硬密封球阀表面处理工艺对比及寿命测试[D].兰州理工大学，2016
[3]王强.高温阀门设计思路及技术要点的分析[J].南方农机，2015
作者简介：
刘智（1988-）男，工程师，从事阀门新产品研发工作。
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