普通球閥在全關(guān)、半開(kāi)和全開(kāi)[圖1(a)、圖1(b)和圖2(a)],球和閥座密封面一直接觸,存在摩擦。
1.2 雙偏心球閥[見(jiàn)圖2(b)、圖3]
圖3 雙偏心球閥2種工作狀態(tài)
(1)雙偏心全關(guān)[圖2(b)]。球體回轉(zhuǎn)時(shí),由于存在a和b偏心距,球體密封面相對(duì)于原幾何中心有一個(gè)偏移,回轉(zhuǎn)中心到閥座密封面的距離因位置不同而不同,出現(xiàn)長(zhǎng)短半徑,即R1≥R2。
(2)雙偏心開(kāi)啟[(圖3(a)]。當(dāng)球體旋轉(zhuǎn)開(kāi)至一定角度時(shí),因長(zhǎng)短半徑原因產(chǎn)生凸輪效應(yīng),此時(shí)球體與閥座開(kāi)始脫離,球體與閥座無(wú)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)。
(3)雙偏心全開(kāi)[(圖3(b)]。當(dāng)球體旋轉(zhuǎn)開(kāi)至90時(shí),球體與閥座*脫離,球體與閥座無(wú)任何摩擦,球體通道與閥體通道直通。為保證兩個(gè)通道中心重合,要求兩個(gè)偏心相等即a=b。此時(shí)旋轉(zhuǎn)中心到球心連線與通道中心的夾角恰好45°,由此產(chǎn)生了雙偏心球閥的一個(gè)特殊問(wèn)題。由于雙偏心球閥的兩個(gè)偏心考慮結(jié)構(gòu)的需要必須相等,當(dāng)長(zhǎng)半徑R1通過(guò)球心并恰好落在密封球面區(qū)域內(nèi),此時(shí)R1與密封球面相切,在切點(diǎn)附近就會(huì)出現(xiàn)較大范圍的滑動(dòng)摩擦,使球閥出現(xiàn)局部摩擦加劇,加速磨損。由于球閥*密封區(qū)域一般在R1與通道中心的夾角為45°的位置。雙偏心球閥在試驗(yàn)或使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)在這個(gè)位置出現(xiàn)劃傷。
1.3 三偏心球閥
三偏心金屬密封球閥是在雙偏心金屬密封球閥的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)偏心。其結(jié)構(gòu)三維模型見(jiàn)圖4。有球面密封和錐面密封三偏心球閥兩種。
圖4 密封結(jié)構(gòu)三維模型
球面密封的三偏心球閥的密封環(huán)是一個(gè)球面,這個(gè)球面的球心與雙偏心球閥的球心不重合有個(gè)第三偏心。這個(gè)偏心改變了R1與密封球面的幾何關(guān)系,致使R1即使通過(guò)雙偏心球心也不會(huì)與密封球面相切,這就克服了雙偏心球閥的先天不足。將球面密封圈變?yōu)殄F面密封圈,就可以得到錐面密封的三偏心球閥。
2 三偏心球閥的優(yōu)勢(shì)
2.1 與普通的軟密封球閥相比
(1)可以適應(yīng)于更寬的溫度范圍。軟密封球閥受非金屬密封件的耐溫性影響,不能用于溫度太高的情況。而金屬密封則根據(jù)不同的材料可以使用于600℃甚至更高。
(2)可以用于更高的壓力范圍。受非金屬材料耐壓能力和在高壓下的穩(wěn)定性限制,非金屬密封的球閥用于CL600或更低的等級(jí)。用于較高壓力等級(jí)時(shí),非金屬密封件容易失穩(wěn)而導(dǎo)致閥門(mén)失效。而金屬硬密封球閥可用于CL2500級(jí)。
(3)可獲得更長(zhǎng)使用壽命。非金屬材料與金屬材料相比,容易老化。故在使用一段時(shí)間后,因非金屬材料的性能下降而導(dǎo)致閥門(mén)密封性能也下降。另一方面,非金屬材料易受損傷。當(dāng)流體中含有固體顆粒時(shí),非金屬密封件很容易被劃傷,從而導(dǎo)致密封失效或密封性能下降。
2.2 與普通的金屬硬密封球閥相比
(1)固定球設(shè)計(jì)。普通球閥是浮動(dòng)球密封,而三偏心球閥全部是固定球設(shè)計(jì),而且密封比壓通過(guò)自身的扭矩建立,故在如何情況下都是可靠的。
(2)扭矩密封設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的金屬硬密封固定球球閥,通常都是在閥座后面設(shè)置預(yù)壓縮彈簧,在彈簧的作用下,使閥座與球體密封面接觸并形成密封比壓。如果彈簧剛度偏小,那么形成的密封比壓也比較小,密封效果差;如果彈簧剛度較大,會(huì)加大密封面的磨損,同時(shí)增加開(kāi)關(guān)力矩;另一方面,彈簧受介質(zhì)溫度的影響,其剛度往往會(huì)隨時(shí)間而改變,因此密封效果也會(huì)隨時(shí)間而改變。而三偏心球閥靠扭矩密封,可形成較大的密封比壓,而且也不會(huì)較大的磨損,同時(shí)也不受溫度和交變載荷的影響。
(3)單閥座雙向密封性能。在低溫工況下,傳統(tǒng)的金屬硬密封球?yàn)槟軌蜥尫砰y腔中的介質(zhì),都采取了復(fù)雜的自動(dòng)泄壓機(jī)構(gòu)或采用開(kāi)孔的方式。前者增加了閥座的復(fù)雜性,后者會(huì)因?yàn)殚_(kāi)孔而使球閥具有方向性。三偏心球閥采用了單閥座,故不存在閥腔壓力釋放的問(wèn)題。而三偏心結(jié)構(gòu),使得閥座密封無(wú)論在哪個(gè)方向都具有良好的密封效果,即具有*的雙向密封功能。
3 三偏心球閥的設(shè)計(jì)
3.1 承壓部件的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)
對(duì)承壓部件利用有限元分析進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì),它包括:(1)閥體的強(qiáng)度和剛度分析(圖5)。(2)閥座、密封環(huán)的接觸應(yīng)力和剛度分析(圖6)。(3)閥桿的強(qiáng)度和剛度分析(圖7)。
3.2 密封圈和閥座密封面的加工
三偏心球閥,無(wú)論是錐面密封還是球面密封,密封圈的加工是關(guān)鍵,需要的工裝才能進(jìn)行。密封面的加工精度直接影響閥門(mén)的zui終性能。
綜上所述,金屬密封三偏心球閥可以應(yīng)用于:(1)高溫工況(可到600℃);(2)低溫或超低溫工況(-196℃);(3)高壓工況(可到CL2500);(4)臨氫工況;(5)含固體顆粒的工況等。隨著石化及煤化工的發(fā)展,此種閥門(mén)的應(yīng)用會(huì)更廣泛。