金属密封三偏心球阀结构特点及应用.pdf

石油化工设计
Petrochemical Design
2011,28(3)29~30
金属密封三偏心球阍结枃特点及应用
张尝江
(中国石化工程建设公司,北京100101)
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較苛刻的工况,目前国内
有的网门制造厂已研制成功。阑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种周门的性能对比,三偏心球阀的优点、其设计来用有限元分析,对網体的强度和刚度、
河座、密封环的接触应力和刚度、闯杆的强度和刚度进行了分析,并介绍了密封圈和座密封面的加工和
此种阀门的应用工沉
关鍵词;三偏心球阀金属密封副扭矩密封有限元分析
13种球阀的结构及其密封原理
中心有一个偏移,回转中心到阀座密封面的距离
1.1普通球阀
因位置不同而不同,出现长短半径,即Rl≥2。
普通球阀在全关、半开和全开[图1(a)、图1(b
(2)双偏心开启[(图3(a)]。当球体旋转开
和图2(a)],球和阀座密封面一直接触,存在摩擦。至一定角度时,因长短半径原因产生凸轮效应,此
ク2
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,球体通道与阚体通道直通。为保证两个
a)全关
()半关
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°,
图1普通球阀2种工作状态
1.2双偏心球[见图2(b)、图3]
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RI与密封球面相切,在切点附近就会出
现较大范圃的滑动摩擦,使球阀出现局部摩擦加
R1>R2
剧,加速磨损。由于球阀最住密封区域一般在R
(a)普通球阀全开
双偏心球阀全关
与通道中心的夹角为45°的位置。双偏心球阀在
图2普通球阀与双偏心球阀比较
试验或使用过程中经常会在这个位置出现划伤。
1.3三偏心球阀
三偏心金属密封球阙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閥两种。
(a)半关
b】全开
收稿日期:2010-02-18
图3双偏心球阀2种工作状态
作者简介:张宝江,男,1984年毕业于抚顺石油学院炼
(1)双偏心全关[图2(b)]。球体回转时,由
油化工机专业,荻エ学学士学位,高級工程师,现从
事管道材料的设计工作。联系电话:010-84877329;
于存在a和b偏心距,球体密封面相对于原几何
E-mail: zhangbj sei@ sinopec. cor
石油化工设计
第28卷
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
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统的金属硬密封球为能够释放阅腔中的介质,都
采取了复杂的自动泄压机构或采用开孔的方式。
面,这个球面的球心与双偏心球阀的球心不重合
前者增加了阀座的复杂性,后者会因为开孔而使
有个第三偏心。这个偏心改变了]与密封球面
球阀具有方向性。三偏心球采用了单树座,故
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
不足。将球面密封圈变为雊面密封圈,就可以得
果,即具有完全的双向密封功能。
到锥面密封的三偏心球阅。
3三偏心球阅的设计
2三偏心球阀的优势
3.1承压部件的强度和刚度设计
2.1与普通的软密封球阀相比
对承压部件利用有限元分析进行详细的强度
(1)可以适应于更宽的温度范围。软密封球
和刚度设计,它包括:(1)阀体的强度和刚度分析
阀受非金属密封件的耐温性影响,不能用于温度
(图5)。(2)阀座、密封环的接触应力和刚度分析
太高的情况。而金属密封则根据不同的材料可以
(图6)。(3)阀杆的强度和刚度分析(图7)。
使用于600℃甚至更高。
3.2密封器和闿座密封面的加工
(2)可以用于更高的压力范。受非金属材
三偏心球阀,无论是面密封还是球面密
科耐压能力和在高压下的稳定性限制,非金属密
密封圈的加工是关键,需要专用的工装才能进行。
封的球阅用于CL600或更低的等级。用于较高压
密封面的加工精度直接影响阚门的最终性能。
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。
(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
图5阀体的强度和刚度分析
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与普通的金羈硬密封球幗相比
图6阀座、密封环的接触应力和刚度分析
(1)固定球设计。普通球阍是浮动球密封,而
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
图7网杆的强度和刚度分析
球,通常都是在阀座后面设置预压缩弹簣,在弹
综上所述,金属密封三偏心球阀可以应用于
簧的作用下,使阀座与球体密封面接触并形成密封(1)高温T况(可到600℃);(2)低温或超低温工
比压。如果弹簧刚度偏小,那么形成的密封比压也况(-196℃);(3)高压工况(可到CL2500);(4)
比较小,密封效果差;如果弹簧刚度较大,会加大密临氢工況;(5)含固体颗粒的工况等。随着石化及
封面的磨损,同时增加开关力矩;另一方面,弹簧受媒化工的发展,此种阀门的应用会更广泛