金属密封三偏心球阀的结构及其密封原理

摘要:

金属密封三偏心阀门是一种新产品，应适于低温高压及工艺介质要求较严苛的载荷，现在国外有的阀体制造厂已研发成功。探讨了该类管件的结构特征、密封原理(包括普通球阀、双偏心联轴器及三偏心阀门)，以及3种管件的功耗对比，三偏心阀门的特点、其设计选用有限元剖析，对壳体的硬度和挠度、阀座、密封环的接触挠度和挠度、阀杆的硬度和挠度进行了剖析，并介绍了密封圈和垫圈密封面的加工和此种管件的应用载荷。

1.3种联轴器的结构及其密封原理

1.1普通球阀

普通球阀在全关、半开和全开［图1(a)、图1(b)和图2(a)］，球和垫圈密封面经常接触，存在磨擦。

图1普通球阀2种工作状态

1.2双偏心阀门[见图2(b)、图3]

图2普通球阀与双偏心阀门比较

图3双偏心阀门2种工作状态

(1)双偏心全关［图2(b)］。立方体回转时球阀，因为存在a和b偏心距，立方体密封面相对于原几何中心有一个偏斜，回转中心到喷嘴密封面的距离因位置不同而不同，出现粗细直径，即R1≥R2。

(2)双偏心开启［(图3(a)］。当圆球旋转开至一定视角时，因粗细直径成因形成曲轴效应，此刻立方体与喷嘴开始脱离，圆球与垫圈无磨擦晃动。

(3)双偏心全开［(图3(b)］。当圆球旋转开至90时，圆球与汽缸完全脱离，圆球与垫圈无任何磨擦，立方体通道与阀门通道直通。为保证两个通道中心重合，要求两个偏心相等即a=b。此刻旋转中心到球心连线与通道中心的倾角刚好45°，由此形成了双偏心阀门的一个特殊问题。因为双偏心阀门的两个偏心考虑结构的还要应当相等，当长直径R1通过球心并刚好落在密封球面区域内，此刻R1与密封球面相切，在切点附近都会出现较大范围的滑动磨擦，使阀门出现局部磨擦激化，加快锈蚀。因为阀门最佳密封区域通常在R1与通道中心的倾角为45°的位置。双偏心阀门在实验或使用过程中常常会在这个位置出现刀伤。全球管件网

1.3三偏心阀门

三偏心金属密封阀门是在双偏心金属密封阀门的基础上提高了一个偏心。其结构三维模型见图4。有球面密封和径向密封三偏心阀门两种。

图4密封结构三维模型

球面密封的三偏心阀门的密封环是一个球面，这个球面的球心与双偏心阀门的球心不重合有个第三偏心。这个偏心改变了R1与密封球面的几何关系，使得R1虽然通过双偏心球心也不会与密封球面相切，这就摆脱了双偏心阀门的先天不足。将球面密封圈变为径向密封圈，就可以得到径向密封的三偏心阀门。

2.三偏心阀门的优势

2.1与普通的软密封阀门相比

(1)可以适应于更宽的气温范围。软密封阀门受非金属密封件的耐温性影响，不能适于湿度太高的状况。而金属密封则依照不同的材料可以使用于600℃甚至更高。

(2)可以适于更高的压力范围。受非金属材料耐压能力和在高压下的稳定性限制，非金属密封的阀门适于CL600或更低的等级。适于较高压力等级时，非金属密封件容易失稳而造成球阀失效。而金属硬密封阀门可适于级。全球球阀网

(3)可荣获更长使用寿命。非金属材料与金属材料相比，容易老化。故在使用一段时间后，因非金属材料的功耗升高而造成球阀密封功耗也增长。另一方面，非金属材料易受外伤。当流体中富含固体颗粒时，非金属密封件很容易被咬伤，进而造成密封失效或密封功耗升高。

2.2与普通的金属硬密封阀门相比

(1)固定球设计。普通球阀是浮动球密封球阀，而三偏心阀门全部是固定球设计，并且密封比压通过自身的转速确立，故在怎么状况下都是靠谱的。

(2)转速密封设计。传统的金属硬密封固定球止回阀，一般都是在汽缸旁边设置预压缩弹簧，在弹簧的作用下，使喷嘴与立方体密封面接触并产生密封比压。假如弹簧挠度偏小，这么产生的密封比压也比较小，密封疗效差;假如弹簧挠度较大，会加强密封面的磨蚀，同时提高继电器扭力;另一方面，弹簧受介质湿度的影响，其挠度常常会随时间而改变，所以密封疗效也会随时间而改变。而三偏心阀门靠转速密封，可产生较大的密封比压，并且也不会较大的锈蚀，同时也不受气温和交变工况的影响。

(3)单壳体单向密封功耗。在高温载荷下，传统的金属硬密封球为才能释放阀腔中的介质，都采取了复杂的手动泄压机构或选用开孔的形式。后者降低了喷嘴的复杂性，前者会由于开孔而使阀门具备方向性。三偏心联轴器选用了单壳体，故不存在阀腔压力释放的问题。而三偏心结构，并且垫圈密封无论在那个方向都具备良好的密封疗效，即具备完全的单向密封功能。

3.三偏心阀门的设计

3.1承压部件的硬度和挠度设计对承压部件运用有限元剖析进行详尽的硬度和挠度设计，它包括:(1)阀门的硬度和挠度剖析(图5)。(2)喷嘴、密封环的接触挠度和挠度剖析(图6)。(3)衬套的硬度和挠度剖析(图7)。

3.2密封圈和垫圈密封面的加工三偏心阀门，无论是径向密封还是球面密封，密封圈的加工是关键，须要专用的工装才会进行。密封面的加工精度直接影响球阀的最终功耗。全球球阀网

综上所述，金属密封三偏心阀门可以应适于:(1)低温载荷(可到600℃);(2)高温或超高温载荷(-196℃);(3)高压载荷(可到);(4)临氢载荷;(5)含固体颗粒的载荷等。随着石化及煤焦化的发展，此种球阀的应用会更广泛。

作者简介：

美国石化安装工程建设公司张宝江，男，

1984年结业于大连石油大学焦化焦化机械专业

获工学学士学位，初级安装工程师，

现从事管线材料的设计工作。

阀门厂家专业针对各类减压阀、球阀、防腐阀门

当前文章标签：偏心球阀,高温球阀,高温阀门,阀门球体