玻璃纖維增強塑料浮動球閥密封性能分析*

彭 康 陳 琦 喻九陽 王景勛 夏亞忠 王眾浩 張 焊

(武漢工程大學機電工程學院，綠色化工裝備與工程技術中心 湖北武漢 430200)

球閥作為一種阻斷介質流通、調節流量的閥門，因結構緊湊、密封性能好、可靠性高、維修方便等優勢，被廣泛應用于石油化工、造紙、制藥、電力等領域[1-4]。根據閥球在閥體內有無固定約束，球閥可分為固定球閥和浮動球閥。與固定球閥相比，浮動球閥在介質壓力的作用下會產生一定的位移并與出口端閥座緊密貼合，保證球閥不發生泄漏，因此浮動球閥密封也稱為單向密封。因浮動球閥只有出口端閥座與閥球之間能夠形成密封面，造成出口端閥座同時承受介質壓力與閥球自身重力，在介質壓力較高、球閥口徑較大情況下容易造成閥球的上下滑動，影響密封效果[5-6]。這也決定了浮動球閥常用于小口徑、中低壓環境[7-8]。

為了深入研究球閥密封性能的影響因素，很多國內外學者都進行了大量的理論和試驗分析[9-10]。高揚[11]通過有限元的方式得出了浮動球閥密封比壓在密封面上的分布關系。王曉明[12]利用CAE技術對大型球閥進行了有限元靜力學分析、結構優化和疲勞分析，并通過試驗證明了有限元分析的可靠性。楊鼎瑞[13]計算了硬密封球閥的密封力、密封比壓等參數，并通過ANSYS Workbench對球閥進行了開啟和關閉狀態下的分析，得出了密封副在球閥啟閉過程中的形變量的變化關系。KIM等[14]采用有限元分析方法對低溫球閥的結構完整性和可操作性進行了評估，并通過特殊加工、熱處理等方式，優化設計出了能夠實現零泄漏的高壓低溫球閥。SONG等[15]提出了有限元分析和優化丁腈橡膠球閥密封機制的方法，得出了丁腈橡膠密封件與球面最佳的接觸面積，優化后的密封結構密封比壓更加均勻，在保證密封的同時最大限度地減少了球面的摩擦磨損。MNIF等[16]研究和分析了聚四氟乙烯球閥的密封失效形式，認為球閥密封失效是由于密封件的磨損和密封面的塑性變形導致的。PENG等[17]對比了2種金屬球閥密封泄漏率的計算模型，并通過實驗進行了驗證。FEDOROV和PAVLOV[18]研究了金屬陶瓷合金閥門的密封性能，認為必須考慮密封面的制造公差、相對粗糙度等，才能保證閥門在特定工況下有良好的密封性能。

在氯堿化工管道中，管道口徑較小，介質壓力也較小，使用金屬球閥容易被強酸、強堿等介質腐蝕，造成閥門密封失效。以玻璃纖維增強塑料(GFRP)為原料制作的球閥具有強度高、密度小、耐酸堿腐蝕等優點，已逐步取代金屬球閥應用在氯堿化工管道中。本文作者以GFRP為原料設計制造的DN50浮動球閥為研究對象，運用ANSYS Workbench分析球閥在關閉狀態下旋塞預緊力、最高工作壓力、閥座摩擦因數和密封面寬度對密封性能的影響，通過正交試驗確定了上述因素對密封性能影響的主次順序，為GFRP浮動球閥的生產制造提供理論依據。

1 球閥計算模型

1.1 球閥密封原理

建立的GFRP浮動球閥和密封件三維模型的剖面圖如圖1所示。浮動閥球在閥體內無固定約束，當閥門關閉時，進口端閥球在介質壓力作用下出現擠壓變形，進口端閥座不產生密封效果；而在出口處，依靠介質壓力和旋塞預緊力FN，閥球與閥座密封面形成密封比壓，完成流體密封。因此只需要建立出口處密封結構即可，結構尺寸如表1所示。

圖1 球閥結構

表1 球閥結構尺寸 單位:mm

1.2 材料屬性和邊界條件

GFRP材料的密度為1.82 g/cm3，彈性模量為2.71 GPa，拉伸強度為121.56 MPa，彎曲強度為70.22 MPa；密封件材料為彈性材料聚四氟乙烯(PTFE)密度為2.2 g/cm3，彈性模量為1.14 GPa。

浮動球閥密封件與閥體接觸圓面設置為固定約束，由于球閥在軸向存在一定位移，閥球內部壓力與入口處壓力一致，因此在出口端閥球內表面施加介質壓力p。為了更加方便研究密封面上應力應變的變化關系，建立周向分析路徑和徑向分析路徑，邊界條件和分析路徑如圖2所示。

圖2 球閥約束及分析路徑

1.3 密封判斷標準

為了保證閥球在完全關閉情況下有良好的密封性能，必須保證貼合面上有一條大于最小密封比壓的應力帶，評判標準為

qMF

其中：qMF為臨界密封比壓。

式中：q為計算比壓，MPa；[q]為密封材料最大許用比壓，MPa;pN為公稱壓力，MPa；bM為密封面寬度，mm。

該密封件閥座材料為聚四氟乙烯，最大許用比壓[q]=20 MPa。密封比壓直接決定密封件與閥球的貼合程度，工程上常用密封比壓作為球閥能否密封的參考標準。

2 球閥密封性能分析

2.1 低壓預緊力分析

常壓下(0.1 MPa)球閥難以單獨靠流體壓力完成密封，施加旋塞預緊力可以使閥球與兩側閥座緊密配合，產生足夠的密封比壓完成密封。如圖3(a)所示為閥座在無旋塞預緊力下密封面的受力情況。根據1.3節球閥必須密封比壓公式可知，閥座密封面上至少應存在一條大于臨界比壓qMF=2.317 7 MPa的閉合應力帶，才能使該浮動球閥具有合格的密封性能。在無預緊力條件下，密封面上最大密封比壓為0.708 86 MPa，故在不施加旋塞預緊力的情況下，該型號球閥會因為密封比壓過低而產生泄漏。因此，需要對閥座施加一定的旋塞預緊力，以保證其在常壓環境下具有合格的密封能力。

圖3 無預緊力下密封面受力以及密封比壓隨預緊力的變化

旋塞預緊力越大，閥座與閥球之間的配合越緊密，密封面上的壓力也會越大，也越有利于密封。但為了保證閥座不會因為長期受壓過大而發生疲勞失效，需要將旋塞預緊力控制在一定的范圍內。圖3(b)所示為不同旋塞預緊力下閥座密封面上的最大比壓，隨著預緊力的不斷增大，閥座密封面上最大比壓呈線性增大趨勢。圖4所示為不同預緊力下密封比壓變化關系。當預緊力達到450 N時，密封面上最大比壓雖然達到了密封所需最小臨界比壓，但密封面上沒有形成一條大于qMF的閉合應力帶；當旋塞預緊力增大到550 N時，密封面上有效密封寬度為整體寬度的34%，達到球閥密封最低標準；當預緊力增大至600 N時，有效密封面寬度上升至71%，雖然也能夠完成球閥密封，但密封面最大密封比壓達到3.1 MPa，長期使用容易造成材料疲勞失效，影響球閥密封。因此，旋塞預緊力為550 N時，最適合該球閥完成低壓密封。

圖4 不同預緊力下密封比壓變化關系

2.2 閥座承壓分析

當介質壓力大于一定數值時，進口端閥座和閥球之間的緊密配合消失，球閥密封取決于出口處閥座和閥球之間的配合。結合圖3(b)與圖5(a)中流體壓力與密封面最大密封比壓關系，當流體壓力為0.26 MPa時，閥座上最大密封比壓與旋塞預緊力為550 N時的最大密封比壓接近。可認為球閥內介質壓力高于0.26 MPa后，球閥在出口端與閥座的密封力僅由介質壓力所決定。在閥座材料的許用壓力范圍內，保證閥座能夠完成密封且能夠持續長久運行，取決于密封面上最大的密封壓力。如圖5所示，閥座上所受最大應力與流體壓力呈現高度線性關系，當介質壓力為3.2 MPa時，密封面最大密封比壓達到20.567 MPa，超出閥座材料的許用壓力，故該浮動球閥的工作壓力不應超過3.2 MPa。為保證球閥能夠長久運行，推薦工作壓力范圍為0～3 MPa。

圖5 流體壓力與閥座最大比壓的關系以及介質壓力3.2 MPa下壓力云圖

2.3 摩擦力對密封比壓的影響

密封面的摩擦因數是影響球閥密封的關鍵因素。聚四氟乙烯閥座由于加工精度的不同，其摩擦因數通常位于0.05～0.2之間。取摩擦因數μ分別為0.05、0.10、0.15、0.2，在流體壓力3 MPa下分析了閥座密封比壓分布和密封面形變，結果如圖6所示。在周向角度為0°和180°時，閥球外表面與閥座內表面部分接觸，因此容易造成該區域比上下兩側的密封比壓和形變大。當摩擦因數為0.05時，密封面上最大應力為16.2 MPa，最小應力為7.06 MPa，最大形變為0.014 mm；而摩擦因數增大至0.2時，最大應力為14.1 MPa，最小應力為5.83 MPa，最大形變為0.012 mm，相比摩擦因數為0.05時分別降低了12.9%、17.4%、14.2%。而球閥滿足密封要求的臨界密封比壓qMF僅需要5.52 MPa，摩擦因數為0.2時密封面所受應力與臨界密封比壓最為接近，間隙最小，密封效果最佳。可見，增大摩擦因數能夠明顯減小周向角度0°和180°位置附近的最大應力，使得密封面上各處形變更加均衡，可提高密封面材料的利用率。

圖6 摩擦因數對密封性能的影響

2.4 密封面寬度對密封性能的影響

圖7(a)所示為介質壓力3 MPa下不同密封面寬度的閥座密封面受力，圖7(b)所示為密封面徑向方向上密封比壓分布。不同密封面寬度的閥座，最大密封比壓位置均在閥座中徑附近；隨著密封面寬度的逐漸增大，密封面上的密封比壓呈現先減小后增大的趨勢，當密封面寬度由6.65 mm增大到8.65 mm時，密封面路徑上最大密封比壓由19.282 MPa減小至15.892 MPa，有效密封面寬度由30%降低至26%；當密封面寬度繼續增大到9.65 mm時，密封面路徑上最大密封比壓反而增大到16.658 MPa，有效密封面寬度仍保持在25%左右。在保證球閥能夠完成正常密封的情況下，應盡量減小閥座所受壓力，而密封面寬度越大，閥座與閥球在閥口附近未接觸區域也會越大，從而導致閥座與閥球之間接觸的相對面積減小，出現部分區域密封比壓較大的情況，長期使用還會導致閥座使用壽命降低。因此綜合考慮球閥的使用壽命和材料利用率，該閥座的最佳密封面寬度為8.65 mm。

圖7 不同密封面寬度下密封比壓變化關系

2.5 密封性能多因素分析

對該浮動球閥而言，當流體壓力低于0.26 MPa時，密封比壓主要與旋塞預緊力和密封件型號參數有關；當流體壓力高于0.26 MPa時，閥座不受旋塞預緊力作用，密封比壓只與密封件型號參數有關。因此設計0.1 MPa流體壓力下低壓預緊力、密封件摩擦因數、密封面寬度三因素四水平L16(43)正交表，如表2所示，以最大密封比壓作為參考指標，分析各個因素對密封性能的交互影響。

表2 L16(43)正交試驗方案

對表2中仿真分析結果進行極差分析，其中Ki(i=1～4)表示同一因素下不同水平號參考指標之和，ki(i=1～4)表示同一因素下不同水平號參考指標平均值，Ra為ki最大值與最小值之間的差值。可見三因素極差數值各不相同，表明各個因素對于密封比壓的影響存在主次關系。其中密封面寬度的極差最大，旋塞預緊力的極差次之，密封面摩擦因數的極差最小。因此在流體壓力低于0.26 MPa條件下，對該浮動球閥密封性能影響最大的是密封面寬度，其次是旋塞預緊力，影響最小的為密封面摩擦因數。

在流體壓力大于0.26 MPa時，作用在閥座上的旋塞預緊力為0，此時對密封性能影響最大的因素為密封面寬度，其次為密封面摩擦因數。因此該浮動球閥在低壓環境下工作時，在不改變密封件型號的條件下，可以通過簡單調整旋塞預緊力來達到合格的密封效果，在流體較大的情況下，提高密封效果應優先考慮密封面寬度，其次為密封面摩擦因數。

3 結論

(1)設計的GFRP浮動球閥在常壓下需至少施加550 N的旋塞預緊力，才能保證球閥正常密封，最高工作壓力不應超過3 MPa。

(2)對于浮動球閥而言，閥座密封面越粗糙，密封比壓越接近臨界比壓，密封面表面應力、應變就越均勻，同時能夠減小密封面上的最大密封比壓，提高最高工作壓力和材料利用率。

(3)密封面寬度對球閥密封性能影響較大，隨密封面寬度的增加，最大密封比壓呈先減小后增大的趨勢。密封面寬度較小時會導致球閥密封性能過剩，密封面寬度太大容易導致閥球與閥座接觸的相對面積減小，出現局部壓力較大情況，影響閥座使用壽命。綜合考慮球閥的使用壽命和材料利用率，該閥座的最佳密封面寬度為8.65 mm。

(4)GFRP浮動球閥整體設計參數的正交試驗結果表明，密封面寬度對浮動球閥密封性能影響最大，其次為旋塞預緊力，密封面摩擦因數影響最小。