球阀 浮动球阀阀杆跟球体连接处因间隙配合导致硬化层剥落

针对普通浮动阀门凸缘跟立方体连结处因间隙配合造成挠度分布不均匀，且容易造成硬化层脱落等劣势，设计了球杆一体化固定式联轴器。主要在球杆跟立方体的连结工艺上作了详尽剖析和改进，使衬套与立方体铆接在一起，于是在轮缘和立方体连结件上喷焊Ni60。在蠕变、安全功耗和适应环境方面也进行了相应的剖析，发觉球杆一体化阀门比普通浮动阀门继电器时所用的转速小;并且衬套跟立方体冲压成一个整体，避免了凸缘冲破体外的或许;另外，此种设计开启精度高、寿命长。这种优越性优化了管件的控制和安全功耗，解决了蝶阀容易密封失效瓶颈，因而带动了蝶阀行业的逐步的发展，为管件行业提供了一个挺好的研制方向。

球阀是流体管道的控制装置，其基本功能是拨通或截断管道介质的流通，改变介质的流动方向，调节介质的压力和流量，保护管道设备的正常运行。随着现代工业的不断发展，球阀需求量不断下降。一幢现代高楼还要大量的球阀，一个现代化的石油焦化装置就须要上万只各种各样的球阀。阀门是20世纪50年代问世的一种新型球阀，具备外观规格小、质量较轻、密封性好、流体阻力小、开关快速便捷、便于气控和电控、使用寿命长、安全靠谱性高、维修便于等特点而遭到广泛的欢迎，真空技术网()觉得因而在各行各业的管线上被广泛辅以。这些单位和机构开始研究高品质的阀门，无论从阀门、球体、阀杆、球座、密封器件、驱动装置等，都得到了巨大程度的发展。随着阀门的广泛使用，对其设计提出了更高的要求，本文就立方体与导轮一体化方面进行合理的设计与剖析，使阀门的部分功耗得到了优化，使之能愈发安全，稳定的工作。

1、存在问题

目前普遍使用的阀门大都是立方体与导轮是两个独立的零件，如图1所示。通过连结处的间隙配合，使之达到开启闭合的疗效，那样的连结方式，使用时间久了都会摇动不精确，带给巨大的害处。诸如在煤制油、油改煤以及煤汽化等煤焦化系统处于介质(沙土)高强度、高压力及高盐度的载荷下，球阀应具备耐热、耐磨蚀及迅速截断等功能。管件启闭经常且速率快(30min动作一次，5～10s/次)，在这些状况下球阀的晃动应当精确，否则会对密封性、使用寿命、流量和流速有严重的影响。对图1所示的阀门来说，轮缘与立方体接触部位挠度过大，很容易造成硬化层的脱落，因而使摇动精度减少。诸如，原本是轴套旋转90°而中止，因为硬化层的断裂，结果立方体有或许旋转了88°，那样会带给一定的阻力，会使管件的寿命大大降低，但是硬化层的断裂会造成密封失效。

图1一种常用阀门结构示意图

当启闭球阀时，轮缘与立方体的作用部位都会产生比压，因为衬套与立方体之间的连结是间隙配合，致使在接触面上的比压分布只是不均匀的(图2)，越紧靠衬套的边沿部份挤压挠度δzy越大，那样引起边沿部份因蠕变过大而提早使表面层断裂。相比之下，后边部份所遭到的挠度会相应提高。

图2衬套胸部比压分布

因为存在挠度分布不均匀现象，会对球阀的使用寿命引起一定的影响。

在特定的环境中，轮缘有冲破体外的或许。衬套冲破体外，致使衬套的摇动不能带动立方体的晃动，那样就不能使阀门进行正常的工作，严重时会导致重大车祸。对于上述这种状况，把圆球与导轮弄成一个整体，使衬套立方体一体化，都会避开这些因间隙配合造成的种种失效，同时也不会使阀杆冲破体外。

2、优化设计

凸缘立方体一体化，弄成固定式硬密封阀门，那样可以优化普通球阀的一些功耗，使之才能愈发高效、安全地进行工作。下边以4"-600Lb对分硬密封阀门为例(图3)，进行剖析。

图34"-600Lb对分硬密封阀门

2.1、球杆一体的详细加工方式

对于螺孔，材料应符合GB/T1220的规定，采用17-4PH铸铁，它是马氏体沉淀硬化型铝制，其功耗特性是便于通过变动热处理工艺调整硬度级别，使得该材料衰减功耗好，抗磨蚀疲劳及抗水滴功耗强，适于制做像衬套那样的轴类零件。壳体要进行退火处理，使合金中各类相充分溶化，加强退火体，并增加硬度及抗蚀功耗球阀，去除挠度与软化，从而继续加工或成形，经热处理后强度要达到40~42HRC。

对于立方体，材料应符合的规定，采用F304铸铁，它是一种通用性的碳钢材料，防锈功耗比200系列的铝制材料要强。耐低温方面也比较好，304铸铁具备优良的不锈耐磨蚀功耗和较差的抗晶间磨蚀功耗。对氧化性酸，在试验中得出：含量≤65%的沸腾气温以下的硫酸中，304铸铁具备很强的抗磨蚀性，对碱碱液及大部份有机酸和无机酸亦具备良好的耐磨蚀能力。立方体与导轮一样，也要进行壳体的退火处理，缓解钢和合金的塑性和硬度，为沉淀硬化处理作好打算。

圆球与导轮连结部位的规格Φ48与导轮凸缘配合0.15~0.20mm，详细加工方式为：将立方体加热到400℃，保温20min，于是将轴套准确地插入立方体，使之冷却后进行弧焊，立方体与导轮的冲压部位如图4所示，并及时淬火清除蠕变。那样，轮缘与立方体就被铆接成了一个整体，于是喷焊Ni60，Ni60的物理成份和主要功耗见表1。

表1Ni60自刻蚀金的物理成份和主要功耗

图4立方体与轴套冲压部位示意图

Ni60粉喷焊层强度在60HRC左右，与退火、渗氮、渗硼、镀铬和那些点焊合金等表面硬化处理后的强度相当，并具备优良的耐热性、耐蚀性和抗低温氧化的综合功耗，已被广泛适于冶金、机械、矿山、石油、化工、轻工、汽车等领域易损部件的修补和保护，能几倍甚至几十倍地增加使用寿命，取得了明显的经济效益和社会效益。同样，在立方体与轴套上喷焊Ni60是对其表面进行加强，使之具备较高的熔点和优良的耐热性等综合功耗。

Ni60喷焊工艺步骤如图5所示，其中表面处理与预热尤为重要。喷焊层与晶粒的结合硬度，除取决于自刻蚀金粉末功耗和喷焊工艺操作外，还与被喷坯料表面处理是否符合要求有直接关系。对于预修补坯料的表面疲劳层、渗碳层、氧化层、镀铬层、锈斑、油污等需先去除。处理方式(手工)：用角向砂轮或电动磨头清除至显出晶粒金属本来光泽为宜。对喷焊坯料进行预热，是为了蒸发坯料表面的水分，并使镀层有一定的预膨胀，减少粉末喷敷沉积率，同时有助于焊层重熔时与晶粒的结合。预热气温取决于坯料大小及碳化物的抗氧化功耗，通常较小或碳化物易氧化的坯料选用150~200℃预热。

图5Ni60喷焊工艺步骤

2.2、重要参数的估算

球杆一体化固定式硬密封阀门的一些重要参数的估算方式如下。

2.2.1、阀体壁厚S'B

(1)

式中：S'B为估算长度，mm;p为估算压力，MPa;Dn为估算直径，mm;[σL]为许用拉蠕变，MPa;C为磨蚀余量球阀，mm。

当铸件实际长度SB≥S'B时，硬度合格。

2.2.2、密封比压q

q=DMJ(PS-PN)/(4bM)(2)

式中：DMJ为密封面平均半径，mm;PS为整定压力(设计选取约1.1PN)，MPa;PN为公称压力，MPa;bM为密封面间距，mm;qMF为密封面上应当的比压，MPa;[q]为密封面许用比压，MPa。

密封比压必须满足qMF

2.2.3、阀杆的总扭力MF

MF=MQC+MFT+MZC(3)

MQC=MQC1+MQC2(4)

MFT=0.5QTΦ杆(5)

MZC=0.(6)

式中：MQC1为喷嘴对球预紧力形成的磨擦扭矩，N·mm;MQC2为介质工作压力形成的磨擦转矩，N·mm;QT为滤料与导轮的磨擦力，N;Φ杆为轴套半径，mm;DJH为喷嘴套筒直径，mm;fz为磨擦质数;DQJ为轴颈半径，mm。

2.2.4、断面扭挠度

Ⅰ断面扭蠕变(方头)：

因为衬套颈部与阀门接触，承受巨大的扭蠕变，为满足功耗的要求，必须估算断面扭蠕变，使之大于许用扭蠕变。断面位置如图6所示。

τN1=MF/W1(7)

Ⅱ断面扭蠕变(衬套)：

衬套与导轮背部的部位半径忽然变小，最容易发生扭曲、变形，因而形成扭转切蠕变。因此要估算衬套与脑部的扭蠕变，同样使之要大于许用扭蠕变。断面位置如图6所示。

图6衬套背部断面位置

τN2=MF/W2(8)

式中：W1、W2为抗折断面系数。

3、优化剖析

3.1、连接处挠度剖析

图1所示浮动阀门，由于是间隙配合，因此在接触面上的比压分布是不均匀的。挤压挠度δzy应大于材料的许用挤压挠度值[δzy]，为满足要求，只好加强衬套与立方体接触部位的规格。但加强衬套与立方体接触部位的规格将减小立方体的硬度，并且会使衬套与立方体接触部位挠度过大，很容易造成硬化层的局部脱落，并逐渐扩充到了整个球的表面，造成密封失效。

对于球杆一体化固定阀门来说就防止了很多问题，它与普通的阀门相比较有以下特点。

(1)阀前流体压力在立方体上形成的斥力全部传递给联轴器，清除了因为进口压力促使圆球与密封座产生的很大密封负荷而导致过大的扭力，不会使圆球向汽缸联通旨在使汽缸不会承受过大的压力，因此固定阀门的扭矩小，汽缸变型小，密封功耗稳定，使用寿命长，适用于高压、大口径场合。

(2)又由于立方体与导轮弧焊为一个整体，立方体与驱动装置开启的视角大小完全一致，使开启、闭合愈发精确无误，防止了像普通浮动阀门这样，立方体跟衬套随着使用时间的延长，其间隙配合带给的摇动不精确，并且出现“假转”现象的好处。

3.2、安全功耗

对普通的阀门，非常对于旧式上装式凸缘的阀门，用它来输送液化气时，当阀门处于关掉状态时，积存在喷嘴之间的阀门胰脏内的液化气会因吸收外界糖分而大量汽化，导致胰脏内压力异常下降。这些异常降压现象或许会使衬套冲破体外，如图7所示。导致严重的车祸，造成人员死伤。而立方体一体化球阀，由于立方体跟衬套冲压成一个整体，就从根本上防止了这些衬套冲破体外的或许性，那样就保证了工作环境的安全性和管件的靠谱性。

图7异常降压使上装式导轮冲破胰脏外的情形

3.3、适应环境

煤制油(用煤液化法治油)是重点发展的一项新技术，国家已批准在内蒙建设一套年产500万吨煤直接液化项目。煤直接液化装置工艺条件非常严苛，对球阀提出的要求十分高。此种球杆一体化硬密封阀门耐热，且抗冲击能力强，使得才能在介质气温420~500℃、工作压力17~30MPa的载荷下工作。满足了这些煤焦化项目的要求，因而促使了煤制油工艺发展。

球杆一体化固定式联轴器的某些优越性优化了蝶阀的控制和安全功耗，解决了蝶阀容易密封失效的瓶颈。因而带动了蝶阀行业的逐步的发展，为球阀行业提供了一个挺好的研制方向。

4、结束语

为适应我国国民经济的迅速发展，适应各行各业不同介质和管道提出的新要求，在阀体行业广大科技人员的努力下，联轴器结构不断地被改进，并且此种设计还有一定的不足之处。诸如，加工工艺复杂、成本高、对加工设备的功耗要求相对较高等，因此其设计有待逐步研究及优化。我们应努力开发科技浓度高、满足安装工程参数还要、安全性好、可靠性高、耐恶劣环境能力强、易于管线清扫、启闭快速的阀门。只有这些高功耗的产品才具备宽广的市场和重要的经济价值。

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