关于“金属密封三偏心球阀结构特点及应用”的论文分享

摘要:

金属密封三偏心球阀是一种新产品，应用于高温高压及工艺介质要求较苛刻的工况，目前国内有的阀门制造厂已研制成功。阐述了该类阀门的结构特点、密封原理(包括普通球阀、双偏心球阀及三偏心球阀)，以及 3 种阀门的性能对比，三偏心球阀的优点、其设计采用有限元分析，对阀体的强度和刚度、阀座、密封环的接触应力和刚度、阀杆的强度和刚度进行了分析，并介绍了密封圈和阀座密封面的加工和此种阀门的应用工况。

1.3 种球阀的结构及其密封原理

1.1普通球阀

普通球阀在全关、半开和全开［图1(a)、图1(b)和图2(a)］，球和阀座密封面一直接触，存在摩擦。

图1 普通球阀2种工作状态

1.2双偏心球阀[见图2(b)、图3]

图2 普通球阀与双偏心球阀比较

图3 双偏心球阀2种工作状态

(1)双偏心全关［图2(b)］。球体回转时，由于存在a和b偏心距，球体密封面相对于原几何中心有一个偏移，回转中心到阀座密封面的距离因位置不同而不同，出现长短半径，即 R1≥R2。

(2)双偏心开启［(图 3(a)］。当球体旋转开至一定角度时，因长短半径原因产生凸轮效应，此时球体与阀座开始脱离，球体与阀座无摩擦转动。

(3)双偏心全开［(图 3(b)］。当球体旋转开至 90 时，球体与阀座完全脱离，球体与阀座无任何摩擦，球体通道与阀体通道直通。为保证两个通道中心重合，要求两个偏心相等即 a = b。此时旋转中心到球心连线与通道中心的夹角恰好 45°，由此产生了双偏心球阀的一个特殊问题。由于双偏心球阀的两个偏心考虑结构的需要必须相等，当长半径 R1 通过球心并恰好落在密封球面区域内，此时 R1 与密封球面相切，在切点附近就会出现较大范围的滑动摩擦，使球阀出现局部摩擦加剧，加速磨损。由于球阀最佳密封区域一般在 R1与通道中心的夹角为 45°的位置。双偏心球阀在试验或使用过程中经常会在这个位置出现划伤。全球阀门网famens.com

1.3三偏心球阀

三偏心金属密封球阀是在双偏心金属密封球阀的基础上增加了一个偏心。其结构三维模型见图 4。有球面密封和锥面密封三偏心球阀两种。

图4 密封结构三维模型

球面密封的三偏心球阀的密封环是一个球面，这个球面的球心与双偏心球阀的球心不重合有个第三偏心。这个偏心改变了 R1 与密封球面的几何关系，致使 R1 即使通过双偏心球心也不会与密封球面相切，这就克服了双偏心球阀的先天不足。将球面密封圈变为锥面密封圈，就可以得到锥面密封的三偏心球阀。

2.三偏心球阀的优势

2.1与普通的软密封球阀相比

(1)可以适应于更宽的温度范围。软密封球阀受非金属密封件的耐温性影响，不能用于温度太高的情况。而金属密封则根据不同的材料可以使用于 600 ℃甚至更高。

(2)可以用于更高的压力范围。受非金属材料耐压能力和在高压下的稳定性限制，非金属密封的球阀用于 CL600 或更低的等级。用于较高压力等级时，非金属密封件容易失稳而导致阀门失效。而金属硬密封球阀可用于 CL2500 级。全球阀门网famens.com

(3)可获得更长使用寿命。非金属材料与金属材料相比，容易老化。故在使用一段时间后，因非金属材料的性能下降而导致阀门密封性能也下降。另一方面，非金属材料易受损伤。当流体中含有固体颗粒时，非金属密封件很容易被划伤，从而导致密封失效或密封性能下降。

2.2与普通的金属硬密封球阀相比

(1)固定球设计。普通球阀是浮动球密封，而三偏心球阀全部是固定球设计，而且密封比压通过自身的扭矩建立，故在如何情况下都是可靠的。

(2)扭矩密封设计。传统的金属硬密封固定球球阀，通常都是在阀座后面设置预压缩弹簧，在弹簧的作用下，使阀座与球体密封面接触并形成密封比压。如果弹簧刚度偏小，那么形成的密封比压也比较小，密封效果差;如果弹簧刚度较大，会加大密封面的磨损，同时增加开关力矩;另一方面，弹簧受介质温度的影响，其刚度往往会随时间而改变，因此密封效果也会随时间而改变。而三偏心球阀靠扭矩密封，可形成较大的密封比压，而且也不会较大的磨损，同时也不受温度和交变载荷的影响。

(3)单阀座双向密封性能。在低温工况下，传统的金属硬密封球为能够释放阀腔中的介质，都采取了复杂的自动泄压机构或采用开孔的方式。前者增加了阀座的复杂性，后者会因为开孔而使球阀具有方向性。三偏心球阀采用了单阀座，故不存在阀腔压力释放的问题。而三偏心结构，使得阀座密封无论在哪个方向都具有良好的密封效果，即具有完全的双向密封功能。

3.三偏心球阀的设计

3.1 承压部件的强度和刚度设计对承压部件利用有限元分析进行详细的强度和刚度设计，它包括:(1)阀体的强度和刚度分析(图 5)。(2)阀座、密封环的接触应力和刚度分析(图 6)。(3)阀杆的强度和刚度分析(图 7)。

3.2 密封圈和阀座密封面的加工三偏心球阀，无论是锥面密封还是球面密封，密封圈的加工是关键，需要专用的工装才能进行。密封面的加工精度直接影响阀门的最终性能。全球阀门网famens.com

综上所述，金属密封三偏心球阀可以应用于:(1)高温工况(可到 600 ℃);(2)低温或超低温工况(-196℃);(3)高压工况(可到 CL2500);(4)临氢工况;(5)含固体颗粒的工况等。随着石化及煤化工的发展，此种阀门的应用会更广泛。

作者简介：

中国石化工程建设公司 张宝江，男，

1984年毕业于抚顺石油学院炼油化工机械专业

获工学学士学位，高级工程师，

现从事管道材料的设计工作。