張強，周煒，趙瑩，楊娟

雙偏心柔性密封球閥及其在化工中的應(yīng)用

張強，周煒，趙瑩，楊娟

（北京航天動力研究所，北京 100076）

介紹了雙偏心柔性密封球閥的工作原理和結(jié)構(gòu)特點,闡述了該閥的諸多性能優(yōu)勢，如流通能力強、啟閉速度快、扭矩式密封、欠縫自補償、摩擦阻力小、閥門壽命長等。通過選擇不同密封材料，適用于低中高溫及含有固體顆粒等較為苛刻的介質(zhì)工況。當(dāng)前，雙偏心柔性密封球閥已在化工過程中一些新裝置建設(shè)和老裝置改造中取代了一部分閘閥而得到應(yīng)用，效果良好。

關(guān)雙偏心；柔性密封；球閥；化工；應(yīng)用

化工過程中大量使用著各種類型的閥門,其中球閥最為普遍?；ぜ夹g(shù)的不斷發(fā)展使得對球閥特別是高溫、高壓惡劣工況球閥的需求量越來越大,要求閥門具備較強的耐磨、耐高溫、耐腐蝕等性能。傳統(tǒng)球閥在應(yīng)用中存在著諸如磨損嚴(yán)重,操作力矩大,密封面結(jié)垢、溫度變化導(dǎo)致密封不良、壽命短等問題。而雙偏心柔性密封球閥的出現(xiàn)很好地解決了上述問題，采用雙偏心結(jié)構(gòu)和柔性密封結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟閉，大幅消除啟閉過程中球面與閥座密封面的摩擦刮蹭，同時能夠有效地補償溫度變化帶來的變形影響，從而獲得良好的密封效果[1]。本文主要就雙偏心柔性密封球閥的原理、特點及應(yīng)用作一介紹。

1 工作原理

雙偏心柔性密封球閥主要由閥體、閥桿、球體、柔性密封閥座以及執(zhí)行機構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)簡圖參見圖1。而柔性密封閥座又由對接法蘭、彈簧、波紋管、密封基體和密封材料組成，結(jié)構(gòu)簡圖參見圖2。閥門由手動或氣動執(zhí)行機構(gòu)控制打開和關(guān)閉。當(dāng)閥門關(guān)閉時，閥座彈簧的預(yù)緊力使球閥保持在常閉位置，此時在波紋管彈性力、閥座并聯(lián)彈簧力和入口介質(zhì)力的聯(lián)合作用下閥座和球體之間實現(xiàn)密封。當(dāng)閥門需要打開時，由執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動球體轉(zhuǎn)動，由于轉(zhuǎn)動軸和球體幾何軸線存在兩個方向上的偏心，即流道軸向和與流道軸線垂直的球體徑向，因此在一定的初始轉(zhuǎn)動角度內(nèi)（10°），球體能夠迅速脫離閥座，隨著轉(zhuǎn)動角度增大，球體轉(zhuǎn)動和閥座之間無接觸摩擦，可極大地減輕球體和閥座密封面的磨損，球體轉(zhuǎn)角90°（全開）限位是通過執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)，整個閥門的開啟過程見圖3。

當(dāng)閥門再需要關(guān)閉時，球體向關(guān)閉位置轉(zhuǎn)動，開始轉(zhuǎn)過的大部分角度內(nèi)球體和閥座之間均無接觸摩擦，轉(zhuǎn)動的最后角度內(nèi)（80°～90°），球體迅速楔入閥座，直至楔緊，轉(zhuǎn)動結(jié)束后，閥座壓實球體實現(xiàn)關(guān)閉密封。

圖1 雙偏心柔性密封球閥結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 柔性密封閥座結(jié)構(gòu)簡圖

2 結(jié)構(gòu)特點

2.1 雙偏心結(jié)構(gòu)

閥門的球體與閥桿采用雙偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計, 即閥桿轉(zhuǎn)動中心與球體的幾何中心存在徑向偏心量E和軸向偏心量e，具體形式如圖3所示。

圖3 閥門開啟過程

打開和關(guān)閉過程中，球體與閥座能夠在很小的角度內(nèi)實現(xiàn)迅速脫離和楔合，有效地減少閥座密封面與球體密封面的摩擦，偏心結(jié)構(gòu)僅僅需克服球體與閥座在啟閉瞬間的摩擦阻力，并且閥桿只作90°回轉(zhuǎn),啟閉迅速輕便。采用這種結(jié)構(gòu)形式，密封面的磨損極小, 密封副的可靠性得到了保證, 閥門摩擦阻力矩大大降低，閥門的壽命也得到了提高。當(dāng)閥門全開時，球體藏入閥體內(nèi)腔，讓出流道空間，保證了流道的通暢性[2]。

圖4 球體三維模裝圖

在雙偏心柔性密封球閥的結(jié)構(gòu)中，在滿足一定的強度和剛度前提下，為減輕球體重量，僅保留約1/4空心球殼，轉(zhuǎn)動慣量大大減小，可減輕對其他結(jié)構(gòu)件的轉(zhuǎn)動沖擊[3]。球殼結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 柔性密封閥座

在柔性密封閥座的設(shè)計中，考慮到工作溫度的變化及裝配對中性的誤差，為了保證全工況下閥門能夠具有較好的密封性，采用波紋管彈性補償式動密封閥座，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，具體形式見圖2。

閥座的密封比壓主要是由彈簧力提供，當(dāng)球面楔入閥座時，彈簧受到擠壓發(fā)生彈性變形，變形量的大小決定了施加在密封面上的密封比壓，密封比壓的設(shè)計視閥門使用需求而定；波紋管發(fā)生彈性變形所能提供的密封比壓較小，其主要作用是實現(xiàn)動密封功能，同時有效地補償溫度變化對密封性能所造成的影響，針對較大體積的閥門而言，裝配誤差往往較大，球面和閥座的裝配對中性較差，采用波紋管結(jié)構(gòu)具有容差彈性自找正功能，促使閥座緊緊貼合在球面上，彌補裝配誤差對密封性能的影響。

值得一提的是，該柔性密封閥座的密封材料可以根據(jù)閥門輸送介質(zhì)進(jìn)行多種選擇，覆蓋面廣，基于TRIZ設(shè)計理論，閥座可方便拆卸、維修、更換。針對低溫和常溫介質(zhì)，如水、液氮、液氧、液化天然氣（LNG）等，在密封基體上可以選擇嵌入的密封材料是聚四氟乙烯，其化學(xué)性能穩(wěn)定，不溶解或溶脹于任何已知溶劑，具有極低的摩擦系數(shù)、優(yōu)異的自潤滑性、介質(zhì)相容性、阻燃性和耐老化性，在常溫至較低的溫度范圍內(nèi)能夠保持足夠的變形能力，并且具有一定的機械強度。針對中高溫、“氣-液”混合、“固-液”混合等條件苛刻的介質(zhì)，如污水、工業(yè)廢水、蒸汽、紙漿、礦漿、焦?fàn)t煤氣、水煤氣和天然氣等，密封基體堆焊Cr-Mn-Si合金，經(jīng)特殊熱處理和精加工等工藝，密封副表面硬度≥55HRC，能承受560 ℃高溫，具備較好的防腐蝕、耐磨損、耐高溫、防爆和防靜電功能，是工業(yè)管道用閥的理想選擇[4]。

3 雙偏心柔性密封球閥的優(yōu)缺點[5-6]

3.1 流通性能

球閥若采用整球作為閥芯，那么在閥門關(guān)閉后,雙向密封副與閥腔構(gòu)成的“死區(qū)”內(nèi)液體介質(zhì)容易氣化，進(jìn)而造成“死區(qū)”積氣，嚴(yán)重影響閥門的使用安全和壽命，甚至是影響管路內(nèi)介質(zhì)的輸送。而1/4球殼設(shè)計屬于單向密封,閥門前后的介質(zhì)都在管道中,無“死區(qū)”，亦不會造成氣化積氣。閥門全開后，球殼直接轉(zhuǎn)入閥殼腔內(nèi)，入口出口直通，流道無遮擋，因此介質(zhì)流經(jīng)閥門時壓力降很小,流通能力大,與其它閥門相比在同口徑的條件下該閥額定流量系數(shù)(K)比其它任何一種閥門都要大, 所以在相同流量情況下, 該閥門的通徑較其它閥門小得多。雙偏心柔性密封球閥的K值見表1。

3.2 扭矩式密封

傳統(tǒng)的固定球球閥，通常都是在閥座后面設(shè)置預(yù)壓縮彈簧等彈性元件，在彈性元件的作用下，使閥座與球體密封面接觸并形成密封比壓。

表1 雙偏心柔性密封球閥的Kv值

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，會加大密封面的磨損，同時增加開關(guān)力矩；另一方面，彈性元件受介質(zhì)溫度的影響，其剛度往往會隨時間而改變，因此密封效果也會隨時間而改變。而雙偏心柔性密封球閥依靠扭矩密封，利用凸輪效應(yīng)的楔緊原理形成較大的密封比壓，所用扭矩越大,閥座的密封性能越好；同時密封副是在同一平面內(nèi)的球形環(huán)狀密封,因此整個閥門的密封性能極好,能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13927及美國標(biāo)準(zhǔn)API598的要求。當(dāng)閥座后的彈性支撐元件因溫度或長期作業(yè)而無法提供足夠的預(yù)緊力，出現(xiàn)密封副欠縫時，可將閥門關(guān)閉角度增加一個超轉(zhuǎn)量，補償密封副欠縫,保持密封面的壓緊位置,達(dá)到密封不變的效果。

3.3 摩擦阻力小、閥門壽命長

傳統(tǒng)球閥開關(guān)過程中,球面與閥座始終貼合,開關(guān)操作力大而沉重。雙偏心柔性密封球閥只在開啟與關(guān)閉的瞬間密封面接觸產(chǎn)生啟閉的操作力，一旦轉(zhuǎn)動之后,密封面因偏心作用而脫離開無任何接觸，球面與閥座的摩擦阻力瞬間消失，操作力僅是傳動機構(gòu)的摩擦力,閥門密封副得到了很好的保護(hù)，磨損量大大減小，同時根據(jù)不同的使用工況選擇不同的密封材料，可以使閥門的使用壽命得到充分利用。

例如,在催化裂化裝置的催化劑加料管道上若安裝一臺普通金屬硬密封球閥, 使用1年即報廢,而更換一臺雙偏心柔性密封球閥(密封面堆焊合金并噴涂碳化鎢層), 使用2年多仍完好, 其壽命較前者明顯提高。

3.4 普遍存在的缺點

雙偏心柔性密封球閥的結(jié)構(gòu)尺寸與閘閥和蝶閥相比稍微大一點,重量也大一些,同時受到波紋管技術(shù)（其尺寸和承壓能力均需控制在一定范圍）和薄壁球殼制造工藝（尺寸過大不易加工）的限制，閥門口徑和介質(zhì)壓力不能過大,承壓范圍不能完全取代閘閥與蝶閥，但它仍作為一種工況覆蓋面寬的開關(guān)閥而被廣泛采用。

4 雙偏心柔性密封球閥的應(yīng)用[7-8]

雙偏心半球閥適合各類通用行業(yè)的要求用閥。密封材料選用聚四氟乙烯等非金屬材料，可廣泛用于水、液氮、液氧、液化天然氣（LNG）等介質(zhì)的工業(yè)管路上。密封材料選用硬質(zhì)合金,密封副(球體、閥座)和閥體流道經(jīng)過碳化鎢等特殊工藝處理,則具有更為良好的耐磨性,使用壽命更長。其球體與閥座瞬間脫離及瞬間壓緊特性, 使得球體與閥座有擠切作用能除去密封面上的結(jié)垢與粘連物,能保證密封嚴(yán)緊可靠，特別適合介質(zhì)中含有固體顆粒的苛刻工況,可廣泛用于石油化工、電力、冶金等行業(yè)的各種工藝管道上。例如在煉油廠延遲焦化裝置上就有以下一些應(yīng)用:

①應(yīng)用在分餾塔頂空氣冷卻器的出入口和氣壓機入口管道上；

②用作塔底緊急切斷閥當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時快速切斷與火源的聯(lián)系；

③用在焦化分餾塔底循環(huán)油過濾器前后的管道上。若在此處采用閘閥, 循環(huán)油內(nèi)的焦粉將進(jìn)入閥體楔形密封槽內(nèi)而使閥門很難關(guān)嚴(yán), 在過濾器切換、檢修時容易產(chǎn)生火災(zāi)。

在中國石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司有機硅車間,輸送硅粉的管道上采用了這種閥門取代進(jìn)口產(chǎn)品,收到了良好的效果,其壽命比進(jìn)口的球閥高出許多倍。在該公司的催化裂化裝置的催化劑加裝料管上安裝了一個雙偏心柔性密封球閥（金屬密封材料）,其使用壽命高出閘閥許多倍。此外該球閥在管系振動的場合使用,比用其它任何種類的閥都要好, 可靠性較高。

4 結(jié)束語

雙偏心柔性密封球閥采用球體/閥桿雙偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了快速啟閉，大幅消除啟閉過程中球面與閥座的摩擦刮蹭，采用扭矩式偏心壓緊密封保證了閥門具有良好的密封性能，同時利用波紋管柔性密封閥座能夠補償溫度變化和裝配誤差對密封性能的影響，實現(xiàn)了閥門長期可靠工作。該閥門適用于氣、液、氣-固、液-固等多相介質(zhì)流，已經(jīng)在石油、化工、冶金、電力等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，是一種新型、密封可靠、使用壽命長的耐用球閥。隨著化工技術(shù)的不斷發(fā)展，雙偏心柔性密封球閥的設(shè)計和使用也將會不斷進(jìn)步。

［1］王春，張清慈．彈性金屬硬密封偏心半球閥的設(shè)計[J]. 閥門，2012（2）：10-11.

［2］藺榮春，蘇金源．耐用雙偏心球閥[J]. 閥門，2004（6）：21-22．

［3］郭鳳忠．雙偏心半球閥[J]. 閥門，2010 (2)：42-43．

［4］劉艷玲.偏心旋轉(zhuǎn)式概念閥的設(shè)計[J]. 閥門，2008（6）：6-10.

［5］楊淑平，王喜庭．BQ型雙偏心半球閥設(shè)計[J]. 閥門，2004 (4)：21-23．

［6］張寶江．金屬密封三偏心球閥結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)計，2011，28 (3)：29-30．

［7］謝豫東，趙紫光．雙偏心式半球閥在燃?xì)夤艿郎系膽?yīng)用[J]. 煤氣與熱力，2000，20 (5)：398-399．

［8］方長生．偏心金屬硬密封球閥及其在煉油裝置中的應(yīng)用[J].煉油技術(shù)與工程，2004，34（9）：42-44．

Double-eccentric Soft Seal Ball Valve and Its Application in Chemical Engineering

,,,

（Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China）

Operating principle and structural features of double-eccentric soft seal ball valve were introduced. Lots of performance advantages were also presented, such as big flow-capacity, quick opening or closing, torque seal, gap compensation, small frictional resistance, long-life and so on. Different seal materials could be chosen to adapt to low/middle/high temperature medium with solid phase particles. Currently, double-eccentric soft seal ball valve had been applied instead of gate valve in new device construction and old device modification during chemical process, which achieved good results.

double-eccentric; soft seal; ball valve; chemical engineering; application

TQ 051

A

1004-0935（2017）10-1018-04

2017-07-25

張強（1986-），男，工程師，碩士，遼寧省盤錦市人，2012年畢業(yè)于北京化工大學(xué)流體機械及工程專業(yè)，研究方向：通用流體機械。