球閥是近幾來發展最快的閥門品種之一。特別是在美、德、日等工業發達國家,球閥在向大口徑、高密封性、長壽命、優良的調節性能以及一閥多功能方向發展,其可靠性及其他性能指標均達到較高水平,并已取代部分閘閥、截止閥、節流閥。
目前大口徑球閥技術水平最高的是美國,該國的EscherWyss公司產品最大公稱通徑已達3050mm,設計壓力達4.8MPa。雖然我國生產球閥的廠家很多,但是通徑達20”以上的球閥生產廠家卻很少,而且密封件性能都不太理想。四川自貢的大口徑球閥技術與美國共同研發,還未形成自己的知識產權,國內在海底輸油管線工程上用的大口徑閥門還依賴進口。因此,筆者就強密封、小力矩、高安全大口徑球閥的開發問題進行了探討。
1 國內外研究現狀及趨勢
在以環保、電子等高科技領域發展及世界可持續發展為主的大背景下,為球閥行業帶來了技術的飛速變革和發展。在設計中,利用計算機技術來進行產品的開發(如CAD)有效提高了設計本身的速度;在生產制造中,以數控技術CAM為代表的制造技術業已深入球閥生產;在開發中,把有限元法作為控制閥的靜態分析和動態分析的重要手段。國內外在結構動態領域的研究十分活躍,特別是美國、西歐等一些工業發達國家,十分重視關于結構動態問題的研究,并將其列為結構設計領域的重點發展方向之一。在我國,有限元分析方法已普遍應用于球閥閥體的結構分析,研究方向也由單純靜力分析向參數化建模、結構優化和動態特性等擴展,而且將有限元分析計算與試驗研究相結合,呈現多樣化的局面。在大口徑球閥方面,主要沿著以下幾個方面發展,一是密封面材料,耐高溫、耐磨、耐腐蝕的低摩擦系數的金屬或非金屬密封材料將會不斷被研制出來;二是新型結構球閥將會不斷涌現,其目的主要在于提高壽命、密封可靠性和改善加工工藝;三是長輸管線用球閥會在遙控、自控、工作可靠性、壽命諸方面得到提高。
目前,美國的EscherWyss公司為田納西州的一個泵站所提供的4臺球閥,用作透平機出口的切斷閥,其球閥最大公稱通徑已達3050mm,設計壓力為4.8MPa。在我國,徑達20"以上的球閥生產廠家不多,而且在密封件性能方面都不太理想。西川自貢高壓閥門有限公司所產的40"-6002b球閥雖達到大口徑要求,但其生產是和美國GE新比隆公司合作,沒有自己的自主知識產權。目前,國內在大型工程上用的大口徑球閥還依賴進口。因此,在我國,急需設計出強密封、小力矩、高安全的大口徑球閥。
2 強密封及小力矩和高安全大口徑球閥設計
2.1 工作原理
以球體作為關閉件的閥門,稱為球閥。球閥主要由閥體、閥座、球體、閥桿、手柄(或其他驅動裝置)組成。球閥的主要功能是切斷或接通管道中的流體通道,即球閥通常為閉路閥。因此,球閥的作用原理是:借助手柄或其他驅動裝置在閥桿上端施加一定的轉矩并傳遞給球體,使它旋轉90°(特殊球閥結構例外),球體的通孔則與閥體通道中心線重合或垂直,球閥便完成了全開或全關的動作。
2.2 關鍵技術
2.2.1 大口徑球閥強密封實現
1)采用抗腐蝕、高性能、耐磨的高性能變形合金(X750),其變形量會隨載荷的變化而變化,是一種動態自緊密封裝置。初始密封利用裝配時的過盈量和擠壓量實現。當有介質載荷作用于C形彈簧圈和金屬彈簧密封套時,它會發生形變,使密封接觸面應力和密封能力增大,從而實現高壓密封。
2)應用高性能變形合金材料、設計整體式波形彈簧裝置來實現閥座與球閥的預緊,實現閥門的低壓密封,當閥腔內介質壓力升高時,介質會推動閥座向前運動,使閥座與球體緊密貼合,形成高壓密封。碟形彈簧的張緊力隨閥腔內介質載荷的變化而波動,處于浮動密封狀態。
3)參照API6D管道閥門標準及NACE規范,關鍵零件選用不銹鋼材料;閥桿處C形金屬密封結構選用優質高溫變形合金(X750);對各部件采取相應的熱處理及表面處理,保證零件既有良好的綜合機械性能,又能滿足惡劣工況的要求。
2.2.2 大口徑球閥小開關力矩實現
1)選用耐磨、抗老化、摩擦系數小的高分子材料,軸承表面進行電鍍PTFE處理,閥座與球體間的密封材料為PTFE,閥桿填料處為金屬密封,并對其表面進行電鍍處理,這些都降低了閥門的開關力矩,使得閥門開關靈活、操作方便。
2)設計省力驅動裝置,使閥門開關靈活輕便。
3)閥體、球體結構強度和變形經solidedge三維有限元計算優化,球體采用空心結構分段沖壓成型,減輕了結構重量。
4)采用固定式安裝,球體的全部重量由尾桿承擔,減少閥門啟閉扭矩。
2.2.3 大口徑球閥高安全實現
1)選用石墨材料作為耐火圈,選用高溫變形合金(X750)作彈簧,在高溫下保持良好的彈性,滿足閥門耐火的要求。
2)設計彈性閥座的高分子材料密封件,當球閥處于正常工作狀態時,其與球體接觸并保持密封,此時,球體與彈性閥座上的浮動支座保持1~2mm的間隙。一旦高分子材料密封件被燒毀或軟化,則彈性閥座的浮動支座在流體壓力作用下被推向球體,使預先加工好的金屬支座密封面與球體接觸,起到臨時的部分密封作用,待災情解除后再予修復或更換。
3)設計防靜電裝置,該裝置使球體與閥體等金屬件導通,消除零件間的電位差,從而避免電火花現象,消除安全隱患。
4)防范腔內異常壓力升高引起爆炸的風險:閥桿采用內裝式,消除了閥桿在流體壓力作用下因填料壓蓋松開而飛出的事故隱患;閥門設計自動泄壓裝置,通過調節泄壓螺釘,使閥門內腔壓力始終保持在調定壓力范圍內。
2.3指標對比