滿足苛刻工況的硬密封球閥的設計驗證

摘要：基于具有強耐腐蝕性，耐高溫，耐強氣蝕，介質顆粒硬度高等特點的苛刻工況下的硬密封球閥，分析此類問題所遇到的技術難點及解決方案，闡述了硬密封球網密封面材料配對及特殊的機加工工藝。再采用Solidworks軟件建立閥體三維模型，導入ANSYSworkbench平臺，考慮各種載荷影響，進行靜態結構分析。根據分析結果，校核應力和應變是否滿足材料的強度要求，為閥體的結構優化設計提供理論依據。

關鍵詞：硬密封球閥 閥體 Workbench 靜態結構分析

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（b）-0011-01

普通球閥一般采用軟密封閥座，如聚四氟乙烯（PTFE）、增強型聚四氟乙烯（RPTFE）或其他高分子合成材料，使用溫度一般都不高，且介質中不允許帶顆粒或纖維成分，要影響軟使用壽命。在苛刻工況中根本無法使用。

1.技術難點和解決方案

（1）密封面硬度高：閥門啟閉中介質里高硬度顆粒會鑲嵌在球體表面和閥座密封面上，從而破壞密封面，影響整體密封性能。（2）密封比壓高：采用金屬材料為密封面，所需密封比壓比軟密封要高很多，在設計上保證適當的密封比壓，需要很高零件的形位公差和表面光潔度。（3）噴焊層結合強度高：帶顆粒的介質在管線中流動速度很快，因此球體密封面必須有較高的硬度和強度，同時還要求噴焊的密封材料和基體材料有較高的結合強度，防止噴焊層脫落。（4）自潔功能：某些介質有較強吸附性，易粘在密封面上。啟閉過程中破壞密封副，影響密封性能，大大縮短閥門使用壽命。（5）加工難硬密封球閥密封表面均采用超硬材料或表面硬化處理，較難切削加工，精度不好保證。針對上述分析結果，在普通球閥的基礎上作出結構設計和加工工藝上的改進（具體設計計算限于篇幅不述）

（1）密封副材料配對：球體表面噴焊鎳基WC與閥座密封面堆焊STL合金，這種配對保證球體表面噴焊層硬度和厚度，能滿足高溫、高壓以及頻繁開啟的應用場合。由于采用了不同的材料配對，及鎳基合金本身具有高的耐磨性和較好的高溫性能，以及閥座密封面堆焊STL合金層較厚，抗咬性好。適用于輸送腐蝕性強、溫度高及帶顆粒的漿料、粉末等惡劣工況的介質。同時還解決了由于頻繁開啟而造成密封面之間的磨損。（2）雙向密封：提高閥門密封性能，為在線搶修提供保證。也保證了介質逆向流動時的密封性能，防止介質倒流。（3）閥座碟形彈簧補償結構：密封面采用金屬材料所需密封比壓比軟密封要高得多，從結構設計上保證提供適當密封比壓顯得尤為重要。所以采用“彈簧+閥座”的組合閥座結構，通過高負載碟形彈簧提供初始預緊密封比壓。采用碟形彈簧串聯的組合設計方式解決金屬材料高溫時的線性膨脹影響，即滿足了碟形彈簧所提供的初始預緊力，同時又解決了由于熱膨脹所造成過大摩擦力矩的情形。既能滿足低壓情況下的密封性能，又具有較高的密封剪切力，使閥座與球體始終緊貼在一起，具有“自潔”功能。另外，在閥座的前、后都增加了“刮削刀刃”的設計，在啟閉過程中閥座刀刃對球面吸附物起到刮削作用，排除因介質進入密封副之間而破壞密封面。（4）加工工藝：零件的加工精度對密封的可靠性提高是非常關鍵的，所以球體噴涂WC前后都用專用的球面車床和球面磨床加工。閥座堆焊后，采用數控機床加工。當球體和閥座達到一定精度要求時，兩者進行配對研磨。

2.基于ANSYS的球閥閥體有限元分析驗證

在傳統設計過程中，由于受計算方法限制，只能根據一些強度公式進行估算，這不能全面反應閥體所受的應力狀態，也不能幫助設計人員找到應力集中的部位。隨著計算機技術和有限元理論的發展，在設計中可以用有限元分析進行數值仿真模擬，根據仿真結果，查看最大應力值校核是否滿足材料的強度要求，能很直觀的看到應力集中的部位。（1）球閥的整體結構：球閥的整體結構是由球體，閥體，連接法蘭，啟閉傳動結構，支撐結構，密封結構等部分組成。閥體作為球閥的一個主要的組成部分，其設計是否合理，將會直接影響到整個球閥性能的優劣。

3.結語

通過建立閥體的三維模型，導入ANSYS的workbench中進行靜態結構的有限元分析，可以很好的反映出介質流經閥體時候的應力和變形分布情況，能夠對閥體的結構設計是否滿足強度要求提供校核手段。對于應力集中的密封面處，在設計中需要著重考慮其結構形狀，使其能很好地滿足應力和應變要求。在設計初期投入試制生產前，采用有限元分析方法進行校核，檢查和發現問題，及時對設計進行調整和改進。既可以縮短設計周期，又可以節約成本，因而對新產品的開發試制具有實際的指導意義。