球阀 偏心Ｃ形球球阀偏心结构优化设计的方案

摘要介绍了偏心Ｃ形球阀门的工作原理和结构特点，剖析了蝶阀偏心结构的密封功耗及影响其启闭质心的诱因，给出了立方体偏心值的理论剖析及估算过程，选用物理模型、模拟剖析并对比结果，提出了Ｃ形球止回阀偏心结构优化设计的方案。

01绪论

在高温阀的设计过程中，应防止管件胰脏中高温介质的蓄积，避免因介质的异常回暖、压力下降、阀体及滤料密封失效导致的安全车祸。为了阀腔安全泄压，一般的阀门在立方体的上游端开办泄压孔连通上游端，实现安全泄压。管件设有泄压孔后，只好双向密封。Ｃ形立方体单壳体结构可以实现单向密封及单向泄压。Ｃ形立方体单壳体结构避开了固体颗粒物料或粉料在阀腔中的蓄积，避免管件开启关掉失效。同时，Ｃ形立方体的流通半径与上游管子等径，降低了物料对立方体的冲蚀。立方体偏心值的设计优化直接影响球阀密封的牢靠性与安全性。本文通过剖析Ｃ形球止回阀立方体偏心值的影响诱因，构建物理模型，模拟不同偏心值在不同启闭角时的凸缘量、偏心转矩，为Ｃ形球止回阀设计过程中偏心值的优化设计和估算，提出了系统的解决方案。

02结构特征

Ｃ形球止回阀以其新颖的立方体形状及偏心结构，防止了压力／介质在胰脏中迸发，密封安全靠谱，被广泛适于强磨蚀介质、固粉物料或超高温领域。Ｃ形球止回阀偏心结构提供的２个矢量运动，旋转与平移，球阀在开启／关掉的过程中，球面喷嘴不会形成接触，进而防止了球面喷嘴磨擦或磨蚀。偏心立方体在旋转过程中形成的平移，使球面“楔紧”阀座。

偏心Ｃ形球止回阀喷嘴选用Ｃ形PCTFE密封圈，承压件辅以316、304等奥氏体镀锌深冷处理，球阀可适于超高温领域。管件外壳及启闭件辅以317SS、310SS耐低温材质，可适于转炉输送坯料。汽缸、球体选用TTC，壳体过流通道选用TTC或衬陶瓷等工艺，球阀可应适于砷化镓等坚固固粉物料载荷。若外壳及启闭件辅以哈氏合金、20号合金等材质，球阀可以应适于乙酸、盐酸或硝酸等强磨蚀载荷。

偏心C形球止回阀由阀门、阀座、球体、阀杆、支架和执行器组成（图1）。一般，偏心Ｃ形球止回阀具备单偏心和双偏心结构（图2）。

图１Ｃ形球止回阀

图２偏心Ｃ形球止回阀结构

03模型构建

3.1迹线多项式

图３迹线多项式座标系

以销钉中心为座标系确立喷嘴迹线多项式，以单偏心结构为例（图3）。

3.2偏心值对密封疗效的影响

本文选用DN200PN2.5MPa、DN600PN1.6MPa作为模拟对象，分别将初始参数及变量代入δ１、δ２，并在关掉角θ１、θ２±5°和θ１、θ２±3°区间进行运动轨迹及间隙/凸缘（δ１／δ２）模拟。求得式（5）、式（6）中δ１／δ２喷嘴与球面间隙（+）/凸缘量（-），估算结果见表１、表２。其中，开度为正值时，表示开启，开度为负值时球阀，表示凸缘关掉。凸缘量为正值时，表示间隙，轮缘量为负值时球阀，表示凸缘。

3.3偏心值对球阀质心的影响

偏心值形成的扭矩Me为

估算结果见表３。其他惯量，如喷嘴、球体磨擦质心，轮缘、轴套磨擦质心等与偏心值无关。

3.4密封特征剖析

经特定的模拟对象、初始参数及变量的代入并在不同关掉角区间进行运动轨迹及间隙／凸缘的估算，剖析结果可以看出偏心值对立方体与喷嘴凸缘的影响，偏心值不同，轮缘量不同，所以在采用密封材料时应考虑其偏心值。对于金属衬套，如选用STL、Ni60、TTC等喷焊或超音速涂装工艺时选择较小偏心值；反之如选用PTFE、RPTFE等非金属时则须选择较大偏心值，确保立方体形成的凸缘量可以充分抵消非金属衬套的变型量，因此应预设一个凸缘补偿视角来避免由非金属衬套塑性变型或冷流导致的密封失效。从Ｃ形球止回阀在不同偏心值时的偏心扭力估算结果可以剖析偏心值对球阀质心的影响，对于大口径管件总扭力影响较大，为减少球阀启闭质心或执行器质心，可以适当降低。

图４立方体／喷嘴不同开度（±５°）的间隙／凸缘量

图５立方体／喷嘴不同开度（±３°）的间隙／凸缘量

04结语

Ｃ形球止回阀的特殊结构，防止了压力／介质迸发在胰脏中的风险。选用不同的材料、阀座结构及密封材料，可设计为适用于LNG，液氨，液氧等超高温，低温木柴，海洋工业，煤焦化等严格载荷。Ｃ形球止回阀偏心值的设计优化直接影响密封的靠谱性与安全性。因而，偏心值的设计应综合考虑立方体／喷嘴不同开度的间隙／凸缘量及管件的启闭质心，对于不同的密封材料选择相适应的偏心值。

上期论文：大口径楔式阀门密封副结构优化设计

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