高壓大口徑V形球閥的設(shè)計及應(yīng)用

苗同立，王超

(無錫市亞迪流體控制技術(shù)有限公司,江蘇 無錫 214161)

關(guān)鍵字： 大口徑；高壓；高溫；切斷；低泄漏；V形球閥

在大口徑管線的工況下，一般使用大口徑的球形控制閥進行調(diào)節(jié)，但是大口徑球形控制閥的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，設(shè)計制造成本非常高，為了降低投資成本，很多用戶和設(shè)計院都會選擇V形球閥作為大口徑控制閥的首選。但是V形球閥在口徑較大時，尤其是口徑大于DN300時，泄漏等級不高，最多只能達到IV級泄漏，且調(diào)節(jié)壓差能力不高，大幅限制了V形球閥的使用范圍。因此，設(shè)計和制造出能夠滿足高壓、高溫、高壓差、低泄漏的V形球閥迫在眉睫。

無錫市亞迪流體控制技術(shù)有限公司從2015年開始針對該苛刻工況下應(yīng)用的V形球閥進行了基礎(chǔ)理論研究，通過分析V形球閥在大口徑應(yīng)用場合下的存在的問題，得出適合高壓大口徑管線的合理結(jié)構(gòu)，改進后的V形球閥先后在四川維尼龍廠、鎮(zhèn)海煉化廠、開山集團等現(xiàn)場得到成功應(yīng)用，并通過實踐檢驗。改進后的V形球閥解決了當(dāng)前主流結(jié)構(gòu)V形球閥存在的各種使用問題，性能優(yōu)越，完全取代了原通常使用的球形控制閥，滿足了高壓、大口徑、低泄漏、高溫、流量特性可調(diào)等功能需求，從而降低了大口徑工況下控制閥的使用成本，提高了裝置的整體競爭力。

1 當(dāng)前V形球閥結(jié)構(gòu)分析

目前常用的V形球閥結(jié)構(gòu)有軟密封結(jié)構(gòu)和硬密封結(jié)構(gòu)兩種形式，如圖1所示。

1)結(jié)構(gòu)簡介。在大口徑管線的工況中，常溫時采用圖1a)的軟密封結(jié)構(gòu)，高溫時采用圖1b)的硬密封結(jié)構(gòu)。軟密封結(jié)構(gòu)是通過O形圈提供的預(yù)緊力和介質(zhì)壓力作用在活塞面A上共同產(chǎn)生密封比壓，硬密封是通過彈簧提供預(yù)緊力和介質(zhì)壓力作用在活塞面A上共同產(chǎn)生密封比壓。流向為從左向右，即從壓圈側(cè)流入。

2)結(jié)構(gòu)缺點。V形球閥結(jié)構(gòu)存在以下幾方面的缺陷：

圖1 V形球閥結(jié)構(gòu)示意

a)高壓工況。V形球閥的軸與軸承之間存在間隙和剛度的問題，容易導(dǎo)致高壓介質(zhì)推開閥球，使其遠離閥座。V形球閥閥座底端面與閥體的端面存在閥座限位間隙(O形球閥無需間隙設(shè)計)，因此可能會導(dǎo)致閥球被高壓介質(zhì)推開后無法與閥座密封的情況發(fā)生，因此管線口徑一旦大于DN300或壓力較高時，很難保證V級及以上等級的泄漏標(biāo)準(zhǔn)，但如果增大閥座閥體間隙，則會增加閥座動作時的浮動量，使用壽命會變短。

b)常溫工況。常溫結(jié)構(gòu)的V形球閥的O形圈提供預(yù)緊比壓力，但是由于高壓介質(zhì)推開閥球，使其遠離閥座，閥座在O形圈的作用下向閥球的方向運行，則O形圈回彈導(dǎo)致壓縮量降低，從而導(dǎo)致O形圈對閥座的預(yù)緊比壓降低，可能會導(dǎo)致低壓密封測試時無法密封的問題，嚴(yán)重時無預(yù)緊力的情況導(dǎo)致高壓時也無法密封。

c)高溫工況。高溫結(jié)構(gòu)的V形球閥的O形圈換成石墨密封環(huán)，也存在同樣的問題。閥座在介質(zhì)力的作用下向閥球的方向運行，導(dǎo)致石墨密封環(huán)的右端面與閥座有間隙產(chǎn)生，也會產(chǎn)生泄漏的風(fēng)險。

d)卡澀問題。高溫結(jié)構(gòu)的V形球閥在開關(guān)過程中，隨著閥門的打開，閥球與閥座接觸面積的減少，閥座會有部分浮動現(xiàn)象，此時閥座浮動時，不僅壓縮石墨密封環(huán)，而且還要克服密封環(huán)與閥體之間的摩擦力。一般情況下閥體為高溫鉻鉬鋼或碳鋼，閥座為不銹鋼，在溫度高的情況下，很容易出現(xiàn)摩擦阻力變大導(dǎo)致閥座浮動困難的情況發(fā)生，造成摩擦扭矩變大動作卡澀甚至卡死。

e)V形球閥的流量特性為固有流量特性，不能滿足現(xiàn)場對高精度流量調(diào)節(jié)的需求。

f)介質(zhì)為高壓差時無法滿足調(diào)節(jié)的目的。由于高壓差作用在閥球和閥座上，因此需要很大的調(diào)節(jié)不平衡扭矩，這一方面需要更大的執(zhí)行機構(gòu)，另一方面也無法降低介質(zhì)的流速和噪音，不能滿足現(xiàn)場的使用要求，因此降低了閥內(nèi)件的使用壽命。

通過對圖1的閥結(jié)構(gòu)分析可以得出，當(dāng)前的V形球閥結(jié)構(gòu)無法滿足大口徑管線高壓工況下低泄漏、高壓差調(diào)節(jié)、耐高溫、流量特性可調(diào)的基本特性，對于純金屬密封的高溫場合下，泄漏等級也只能達到Ⅳ級，無法滿足現(xiàn)場工況的實際需要。因此必須對現(xiàn)有的V形球閥結(jié)構(gòu)進行改造，克服現(xiàn)存的缺點，以滿足現(xiàn)場使用的目的，從而在大口徑高壓場合替代球形閥，降低成本。

2 改進后的V形球閥結(jié)構(gòu)分析

改進后的V形球閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進后的V形球閥結(jié)構(gòu)示意

1)結(jié)構(gòu)簡介。改進后的V形球閥最主要是流向和密封結(jié)構(gòu)的改變： 常溫結(jié)構(gòu)為圖2a)的軟密封結(jié)構(gòu)，高溫結(jié)構(gòu)為圖2b)的硬密封結(jié)構(gòu)；流向從之前的壓圈側(cè)流入的方式改為從閥桿側(cè)流入的方式。

2)結(jié)構(gòu)優(yōu)點。改進后的V形球閥結(jié)構(gòu)有以下幾方面優(yōu)點：

a)更加適合大口徑高壓控制閥的切斷。由于流向的改變，在大口徑高壓介質(zhì)的推動作用下，閥球向著閥座密封面的方向移動，此時介質(zhì)壓力不會推開閥球和閥座產(chǎn)生間隙，反而增強了密封的容易度。

b)常溫工況。常溫結(jié)構(gòu)的V形球閥中，O形圈僅起到徑向密封作用，通過彈簧提供預(yù)緊比壓，介質(zhì)壓力從右側(cè)進入閥座支撐環(huán)的背面，作用在活塞面A上產(chǎn)生密封比壓，活塞面可以根據(jù)實際壓力進行有針對性的設(shè)計。

c)高溫工況。高溫結(jié)構(gòu)的V形球閥中，石墨密封環(huán)僅起到徑向密封作用，石墨密封環(huán)的壓緊是通過彈簧和介質(zhì)的壓力實現(xiàn)的。介質(zhì)進入閥座背面后，一方面向右側(cè)推動閥座產(chǎn)生密封效果，另一方面向左側(cè)壓緊石墨密封環(huán)產(chǎn)生石墨密封環(huán)的徑向密封效果，這樣介質(zhì)壓力分別起到壓緊閥座和壓緊密封環(huán)的目的，而且互相不干涉。

d)克服卡澀問題。高溫時，閥座的左右浮動僅僅克服閥座和密封環(huán)之間的摩擦力即可，而且和閥體隔開，閥內(nèi)件為不銹鋼設(shè)計，不會產(chǎn)生碳鋼或鉻鉬鋼的生銹卡澀問題，更不會由于閥座閥體熱膨脹不一致導(dǎo)致的運動卡澀問題，更加適合在高溫高壓苛刻工況下使用。

e)為了滿足高壓差的調(diào)節(jié)以及降低噪音、減少調(diào)節(jié)扭矩的目的，設(shè)計成孔板壓圈的型式如圖3所示。該設(shè)計型式可更好地滿足高壓差調(diào)節(jié)的目的，而且孔板可以根據(jù)實際壓差的大小設(shè)計成單層孔板或多層孔板的型式。由于流向是從密封面流向孔板的，因此對于大壓差的氣體來說，流速高的區(qū)域全部集中在孔板處，從而保護了閥球和閥座的密封面，延長了內(nèi)件的使用壽命?？装宥嗫椎牟贾梅绞娇梢匀我庠O(shè)計，以得到理想的流量曲線，使流量曲線可調(diào)達到滿足實際工況的目的，擴大了流量調(diào)節(jié)范圍和可調(diào)比。

f)對于壓差不高的調(diào)節(jié)使用場合，也可以設(shè)計成可調(diào)曲線壓圈，如圖4所示。該種型式的流量曲線可以任意設(shè)計，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的V形球閥的流量曲線基本上是固定不變的。

圖3 高壓差孔板壓圈設(shè)計示意

圖4 可調(diào)曲線壓圈示意

3 其他改進措施

除以上密封結(jié)構(gòu)外，V形球閥結(jié)構(gòu)上還做了其他相應(yīng)的改進，如： 閥桿與閥球采用鍵槽連接、底蓋采用碟簧支撐球體且補償高溫?zé)崤蛎洝⑻盍咸巹討B(tài)密封設(shè)計等，以滿足高溫下的熱膨脹要求。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對傳統(tǒng)的V形球閥結(jié)構(gòu)進行改進，針對大口徑高壓調(diào)節(jié)工況應(yīng)用的V形球閥，產(chǎn)品性能已經(jīng)完全滿足了實際需求，完全可以替代價格昂貴的球形套筒控制閥，已經(jīng)多次成功應(yīng)用在實際現(xiàn)場中，受到了客戶的好評。