超大口徑偏心半球閥密封系統解決方案

蔡毅 吳孔燕 丁巍 劉智 周星彪

【摘要】供水管網是現代社會必需的基礎設備，超大口徑閥門是我國南水北調工程、城市供水管網的關鍵設備。此前國內超大口徑閥門設計生產經驗不足，閥門工作中出現了泥沙進入彈簧腔導致閥座失效、洪水倒灌導致閥門反向泄漏、閥門關鍵部件閥芯不耐用等一系列問題。我司研發的固液相分離技術、液壓傳動強制密封技術、多重密封技術、抗氣蝕、耐沖刷等核心技術能有效解決問題，滿足客戶需求。偏心球閥具有密封可靠、檢修安全、使用壽命長、智能控制等特點，其價格僅為同類進口產品的一半左右，能替代同類進口產品，打破了此類產品長期被國外壟斷的局面。

【關鍵詞】超大口徑閥門；偏心半球閥；固液相分離；安全檢修；抗氣蝕和沖刷

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.035

Solution for Sealing System of Oversized Eccentric Hemispherical Valve

CAI Yi1*， WU Kongyan2， DING Wei3， LIU Zhi1， ZHOU Xingbiao1

（1. Special Technology Valve Group Co.， Ltd.， Wenzhou 325103， China； 2. Jiangmen Xinhui Special Sealing Technology Co.， Ltd.， Jiangmen 529080， China； 3. Kaifeng Ruifa High and Medium Pressure Valve Co.， Ltd.， Kaifeng 271000， China）

Abstract： The water supply pipe network is the necessary basic equipment in modern society， and the super large diameter valve is the key equipment of the South–North Water Transfer Project and urban water supply pipe network. Previously， there was insufficient experience in the design and production of large diameter valves in China. During valve operation， there were a series of problems such as sediment entering the spring chamber leading to valve seat failure， flood backflow leading to valve reverse leakage， and the valve core， a key component of the valve， being not durable. Our companys core technologies such as solid-liquid phase separation technology， hydraulic transmission forced sealing technology， multiple sealing technology， anti cavitation， and erosion resistance can effectively solve problems and meet customer needs. Eccentric ball valves have the characteristics of reliable sealing， safe maintenance， long service life， and intelligent control. Their price is only about half of that of similar imported products， which can replace similar imported products and break the long-term monopoly of such products by foreign countries.

Key words： ultra large diameter valve； eccentric hemispherical valve； solid liquid phase separation； safety maintenance； resistance to cavitation and erosion

供水管網是現代社會必需的基礎設備，對保障人民生活安定和城市建設發展起著至關重要的作用，被形象地稱作城市的“水動脈”。閥門是管路系統的關鍵部件，用于開閉管路、控制流向、調節和控制輸送介質的參數（溫度、壓力和流量），具有截止、調節、導流、防止逆流、分流或溢流泄壓等功能[1]。

我國供水管網規模化建設的開展對大口徑球閥提出了迫切需求。以南水北調工程為代表的國家工程的建設，以及淮河治理新三項工程，太湖、洞庭湖、鄱陽湖的綜合治理工程，黃河寧蒙河段、長江中下游河勢控制等大江大河重點河段治理，以上工程的建設均需要大量的閥門流體裝備配套，所需閥門口徑達到DN2000。此外，我國各大城市自來水廠供水量以及污水處理廠污水處理規模正在逐步加大，管網口徑不斷增加，對各類大口徑、超大口徑給排水閥門需求迫切。同時，納入水利基本建設管理的各類防洪、排澇、灌溉、水力發電、水土保持、水資源保護等工程的建設對各類大口徑、超大口徑給排水閥的需求十分旺盛[2]。

1客戶使用問題匯總

供水管網系統具有規模大、結構復雜、安全性要求苛刻等共性特點。我公司長期為國家多項水利工程提供流體裝備，在多次的技術交流及閥門應用現場勘察中發現均存在以下共性問題：1）泥沙進入彈簧腔，導致彈簧失效，進而引起閥座卡滯；2）洪水倒灌導致閥門反向泄漏；3）下游檢修，閥門安全性待提高；4）閥座密封不嚴、不耐磨、壽命短；5）泥沙沖刷球口，閥芯表面沖蝕嚴重；6）氣蝕導致閥芯表面合金起皮脫落嚴重。

2針對性技術攻關

技術團隊對國內外最新技術和設計理念進行了反復研究，結合用戶使用問題針對性優化和創新，提供了一種新型超大口徑偏心半球閥密封系統，系統集成了固液相分離技術、單閥座雙向密封技術、液壓動力強制密封技術、軟硬結合三重密封閥座設計、抗沖刷和氣蝕組件設計、自帶液壓系統設計等關鍵技術，研制成功的球閥具有適用范圍廣、密封可靠、檢修安全、使用壽命長等特點。

2.1固液相分離技術

石墨盤根由細小的石墨顆粒組成，水流動過程中會不斷帶走石墨顆粒，一段時間后石墨顆粒損失較多，泥沙會穿透石墨進入閥座內腔卡死閥座。面對難題科研團隊創新性地開發了外圓密封+端面非密封組合技術。閥座外圓安裝橡膠O型圈阻止沙粒進入閥座腔，閥座端面均布多個螺紋通孔，孔內安裝內六角螺釘。由于普通螺紋沒有密封性，水可以從螺釘和螺紋孔之間的間隙自由進出而沙粒被阻止通過。組合采用最常規的元件和工藝實現了固液相分離功能，成功解決了泥沙淤積卡死閥座的問題。

固液相分離示意圖如圖1所示：O型圈25、27、30組成3個封閉空間阻止了泥沙進入，閥座支撐圈19頭部設計有螺紋通孔，通孔內安裝螺釘23。由于普通螺紋沒有密封性，閥座支撐圈19和傳力環26之間的壓縮空氣可從螺紋間隙順利排出，同理閥門工作時河水可以從螺紋間隙滲入。由于螺釘的存在，泥沙無法穿過螺紋進入閥座內腔，從而實現了固液相分離。傳力環26和推力環28之間的空氣由小孔導向至閥體1外部，小孔在必要時可作為閥座檢漏使用。推力環28后方和閥體1之間的空氣通過緊定螺釘29排出。

2.2單閥座雙向密封技術

介質推力單閥座實現雙向密封。常規偏心半球閥由于采用強制密封，為了避免反向介質推力過大致使閥桿撓度超過范圍，密封比壓降低導致閥門產生泄漏，一般都采用正向單向密封。技術團隊為滿足國家重點項目要求，即使產品遭受洪水倒灌，也必須提供安全可靠的密封保障，水閥產品引入了燃氣閥門技術采用了單只閥座實現雙向密封的設計[3]。介質正常流向，閥門正常關閉狀態，液態水進入閥座內腔，閥座頭部兩端壓力平衡后，由于受力面積S2>S1，合力方向趨近于球體閥門密封有效。當遇到突發情況，洪水倒灌時介質水從內六角緊定螺釘處進入閥座內腔，內外壓力平衡后，由于壓力S4> S3，合力方向依舊趨近于球體，閥門密封依舊有效。合理的受力分配完美地實現了單只閥座具備雙向密封功能，徹底解決了洪水倒灌導致閥門反向泄漏的問題。

2.3液壓動力強制密封技術

大口徑閥門作為管路系統中的核心設備要求使用壽命不少于30年，檢修周期不超過5年。隨著企業生產安全意識的不斷提高，對設備檢修的安全保障要求也越來越高。傳力環26和推力環28之間設計有環形腔體，腔通過小孔與閥外液壓系統相連。當下游需要檢修或者需要緊急密封時，打開電磁閥后液壓油即可進入環形腔體，逐步對液壓油加壓，傳力環26將推動閥座趨近閥芯，繼續加壓至預定值，可實現閥座與閥芯強制密封。技術團隊在本結構中保留了原有機械偏心的自鎖功能[4]，同時增加了液壓傳動強制密封，強化了密封效果；為管道施工檢修提供更加有力的安全保障。

2.4軟硬結合三重密封閥座設計

大口徑偏心半球閥一般采用PTFE作為密封面，閥門關閉中依靠閥芯對PTFE的擠壓實現密封。密封面長期擠壓容易材料疲勞導致密封性降低[5]，水中沙粒會在閥芯的擠壓下嵌入PTFE表面閥門泄漏。技術團隊采用差異化功能設計，將密封面設計為三重密封。第一重為金屬密封，主要起到隔離泥沙的作用。第二重密封為高性能工程塑料密封，工程塑料既可以起到密封作用，還具有限位功能防止金屬閥座與閥芯過度擠壓。第三重密封為主密封，密封材料選用防爆橡膠三角圈，三角圈具有很好的安裝工藝性，橡膠有很好韌性和回彈性能。

方案通過金屬密封、工程塑料密封、橡膠圈密封的組合配置，實現了隔離泥沙、防刮耐磨、抗沖刷抗爆破等多重目標，成功解決了泥沙沖刷下閥座密封面不耐用的問題，閥座使用壽命從5年更換升級為30年免維護。

2.5抗沖刷和氣蝕組件設計

球閥啟閉為90°旋轉開關，啟閉瞬間閥芯在時鐘3點和9點位置承受著極大壓差。流水由于巨大的壓力變化產生氣泡，氣泡逐漸變大并失壓爆破，對閥芯金屬密封面產生氣蝕。沙粒也在水流的帶動下高速沖刷相同位置的閥芯表面。氣蝕和沙粒的共同使用閥芯3點和9點逐漸成蜂窩狀導致閥門泄漏量不斷增大[6]。為了解決這一難題，攻關小組采用以柔克剛的思路對閥芯的局部進行了重新設計。如圖2所示，閥芯3點和9點方向開設有燕尾槽，燕尾槽與通道貫穿。燕尾槽內安裝有抗沖刷和抗氣蝕組件，組件四周為金屬結構并與閥芯安裝后氬弧焊連接。組件四周金屬薄壁上設有多個矩陣排列的小孔，小孔內設有縱橫交錯的纏繞不銹鋼絲。以不休銹鋼絲為骨架，在其間填充滿二次硫化的橡膠填充物，橡膠表面與球面圓弧過渡。

方案通過金屬和橡膠的組合，組件金屬結構提供了足夠的強度，橡膠結構提供足夠的韌性，滿足了耐沖刷和抗氣蝕需求，達到了結構穩固、耐沖刷、抗氣蝕、模塊化生產等多重目標，經solidworks有限元模擬分析表明閥芯壽命可提升至原來4.3倍以上。

3產品應用情況

改進后的超大口徑偏心半球閥作為閥門產業邁向高端的代表性產品，具有高技術含量、高附加值等顯著特點。以 DN2000超大口徑偏心半球閥為例，經核算本產品平均成本價為157.75萬元/臺，出廠平均售價為219萬元/臺，利潤32.85萬元/臺，稅金達到35萬元/臺，與同口徑壓力級進口閥門56.82萬美元/臺相比，僅相當于進口價格56.68%，為國家節省了大量外匯。

2019年至2022年，公司共生產大口徑球閥40余臺，累計銷售收入8400余萬元，項目產品“超大口徑偏心半球閥”自研發成功投產以來，分別中標2017年的延安黃河引水工程、2019年的引漢濟渭工程三河口水利樞紐供水系統、2020年的山西小浪底引黃工程地下泵站核心設備。產品實現了智能控制、技術含量高、性能優異，解決了國家重大工程急需，2021年獲頒浙江省首臺套產品證書。

4結束語

閥門作為整個輸送管路系統的“咽喉”，閥門的產品性能直接關系到供水系統的先進性、安全性和可靠性。超大口徑偏心半球閥的研制成功促進了我國閥門制造水平的進一步發展，提高了國產化水平，是閥門產業升級換代的突破口。項目具有結構新穎、取材方便、堅固耐用、性價比高的特點，可滿足國內龐大的市場需求，具有廣闊的市場前景。

【參考文獻】

[1]李維緯.西山水庫引水兼泄水系統的金屬結構研究[J].黑龍江水利科技，2020，48（7）：87-88，236.

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[3]吳軍.DBB與DIB型固定球閥的密封結構與方向性分析[J].化工設備與管道，2016，53（5）：77-82.

[4]張鴿.雙偏心半球閥密封結構的改進[J].科技信息，2012（24）：424.

[5]姚懷宇，蔣誠航，金志江，等.閥門失效的研究進展[J].流體機械，2021，49（10）：74-83，90.

[6]李少爭，余曉明，孔明，等.偏心半球閥流場的可視化仿真分析[J].閥門，2015（4）：15-17.

【作者簡介】

通訊作者：蔡毅，男，1985年出生，工程師，研究方向為閥門設計，郵箱：caiyilianyi@163.com。

吳孔燕，女，1986年出生，工程師，研究方向為密封系統。

（編輯：李鈺雙）