陳鐵軍 郭金霞

(1：凱泰閥門(集團(tuán))有限公司 上海 200444；2：遼寧工程職業(yè)學(xué)院 遼寧鐵嶺 112008)

1 前言

半球閥是近些年來被越來越多使用的一種閥門，它在冶金、化工、水利等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。半球閥與普通的球閥一樣都是靠90°旋轉(zhuǎn)閥體中的閥球(即閥瓣)，來實現(xiàn)啟閉的。但半球閥的閥球不是完整的球形而是呈“C”形的半球，這就是其名稱的由來。半球閥全開時，閥瓣處于閥腔側(cè)面，流阻小，流體對其沖刷較小，閥腔過度圓滑，不易沉積雜質(zhì)，因此在煉鐵行業(yè)中的含顆粒兩相流介質(zhì)管道上應(yīng)用較多。

根據(jù)閥瓣旋轉(zhuǎn)軸心是否與閥瓣球面中心重合，半球閥分為中心型半球閥和偏心型半球閥。由于閥瓣旋轉(zhuǎn)軸位置的不同，使它們的閥座結(jié)構(gòu)、閥瓣運(yùn)動軌跡、密封原理、設(shè)計計算方法、適用場合就有了較大的區(qū)別。本文就這兩種典型的半球閥的設(shè)計和在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用做一簡介。

2 中心型半球閥

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

閥門主要由閥體、閥座、閥座壓圈、彈簧、閥瓣、閥軸、執(zhí)行器等組成。

執(zhí)行器帶動上閥軸做90°旋轉(zhuǎn)，閥瓣同步旋轉(zhuǎn)，順時針關(guān)閉閥門，逆時針開啟閥門，如圖1。該閥門的閥瓣球心與上下閥軸同心。閥座為活塞式，其端面圓周方向上均布多只彈簧，推動閥座始終靠緊閥瓣，形成金屬—金屬的硬密封副。當(dāng)介質(zhì)從進(jìn)口側(cè)進(jìn)入，作用于閥座端面，進(jìn)一步將閥座推向閥瓣，介質(zhì)壓力越大，活塞產(chǎn)生的推力越大，越有利于密封。若介質(zhì)從另一側(cè)進(jìn)入，會將活塞推離閥瓣，不能形成密封副，因此該閥門是單向密封閥門。

2.2 設(shè)計要點

2.2.1 材料選擇

由于顆粒介質(zhì)對密封面的沖刷和磨損較嚴(yán)重，因此密封副材料的選擇是該閥門的設(shè)計重點之一?，F(xiàn)在常用的密封副材料組合是硬質(zhì)合金—碳化鎢。即在閥座上堆焊硬質(zhì)合金密封面，例如STL6、STL12等。在閥瓣的整個半球面上噴焊WC、Ni60等硬化層。閥瓣密封面與閥座密封面的硬度差在HRC10～15之間。

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了更好地清除球體表面的結(jié)垢，閥座密封面的邊緣要特意加工成棱角，起到“刮刀”的作用。閥座的活塞處要設(shè)置防塵圈，以防灰塵進(jìn)入活塞內(nèi)部，使活塞失去活動空間。同時也要在閥軸靠近閥腔側(cè)設(shè)置密封圈，防止介質(zhì)顆粒進(jìn)入軸承與閥軸的縫隙之中，以減小軸承和閥軸的磨損。

圖1 中心型半球閥

2.2.3 設(shè)計計算

中心型半球閥除了閥瓣為半球形外，其他結(jié)構(gòu)與普通硬密封固定球閥基本一致。因此殼體強(qiáng)度、密封力、啟閉扭矩等計算可參考硬密封固定球閥的計算公式。本文僅將扭矩計算公式給出。

閥門總扭矩M(N·mm)公式[1]：

M=Mm+Mt+Mu+Mc

式中Mm—閥瓣與閥座密封副間的摩擦扭矩(N·mm)；

Mt—閥軸與填料間的摩擦扭矩 (N·mm)；

Mu—閥軸臺肩與止推軸承間的摩擦扭矩(N·mm)；

Mc—閥軸與軸承間的摩擦扭矩(N·mm)。

應(yīng)該注意的是，由于半球閥為單閥座，因此在使用該轉(zhuǎn)矩計算公式的時候，應(yīng)只輸入一個閥座的預(yù)緊力。

2.3 產(chǎn)品特點及在煉鐵系統(tǒng)中的應(yīng)用

該閥門的閥座帶有推力彈簧，推動閥座始終靠緊半球體，因此閥門在啟閉過程中閥座對閥瓣有“擦拭”作用和“刮刀”作用，容易清除板結(jié)或結(jié)晶在球體表面的物料，保證密封的嚴(yán)密性。同時，推力彈簧讓閥座密封面具有了磨損補(bǔ)償功能。由于是半球形閥瓣和單閥座，閥體與閥瓣之間不會存留和板結(jié)固體物料，不會產(chǎn)生普通硬密封球閥閥球被板結(jié)的物料抱死的情況，而且開關(guān)扭矩要比后者小很多，重量與成本都要低。因此中心型半球閥在灰、渣等粉狀介質(zhì)工況中使用效果好，應(yīng)用越來越多，比如在高爐煤氣除塵灰倉的底部當(dāng)卸灰閥使用。而與插板閥等其他卸灰閥門相比，中心型半球閥又具有密封性好、開關(guān)迅速、壽命長的優(yōu)點。它還可作為充氣料倉的密閉閥使用等。但在選用時應(yīng)注意該閥為單向密封，有雙向密封要求時不能使用。

3 偏心型半球閥

3.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

偏心半球閥主要由閥體、閥瓣、閥軸、壓圈、閥座、執(zhí)行器等組成。

偏心半球閥與中心型半球閥的外形和結(jié)構(gòu)相似，90°回轉(zhuǎn)行程，閥瓣均為半球形。不同之處在于：①偏心半球閥的閥瓣球體中心與回轉(zhuǎn)中心(即閥軸軸線)被設(shè)計成不同心。有一個如圖3所示的偏心距e。 由于閥瓣回轉(zhuǎn)軸相對閥座偏心，因此在關(guān)閉過程中閥瓣密封面的運(yùn)動軌跡類似凸輪，隨著閥門開度減小，閥球也越來越靠近閥座，到最后階段才接觸，并越關(guān)越緊，是一個“楔緊”過程。因此該閥門是一種強(qiáng)制密封閥門，可以實現(xiàn)雙向密封。②閥座不同于中心型半球閥的活塞式，偏心型半球閥的閥座軸向不能串動，但徑向有一定的活動量。

3.2 設(shè)計要點

3.2.1 材料選擇

偏心半球閥的密封副材料的選擇和配對可以與中心型半球閥一致。但因為偏心半球閥的密封副之間的摩擦較小，在工況允許的情況下，密封副可以選擇硬度稍低的材料。比如密封面可采用手工堆焊13Cr或等離子焊粉堆焊成型。常用牌號：焊條D577、D507等，焊粉Fe1、Fe2等。閥瓣密封面硬度應(yīng)大于閥座密封面硬度HRC5-10，加工后厚度應(yīng)保證在2～3mm。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計時閥座外圓與閥體之間要有一定的徑向活動量(1-3mm)。這個間隙可以讓閥門在裝配時閥座與閥瓣自動“對正”，達(dá)到與配對研磨加工時同樣的嚴(yán)密性。

由于偏心半球閥的閥瓣閥座只是在關(guān)閉的最后階段才接觸形成密封副，閥瓣的密封面只用到半球的一個環(huán)帶，所以一般只將這一部分堆焊合金或進(jìn)行硬化處理。有的廠家也因此將閥瓣由半球形改為碟形。這樣可減輕閥瓣重量和簡化加工，但如果這種閥瓣用于卸灰系統(tǒng)，則不利于開閥。

圖2 偏心型半球閥

鑒于側(cè)裝式結(jié)構(gòu)限制，閥座處會有縮徑，這會加劇含顆粒流體對閥門的沖刷，所以要盡可能地加大最小流通直徑，一般應(yīng)不小于80%DN值。

下閥軸與底蓋可以設(shè)計為整體式，將轉(zhuǎn)動部位設(shè)計在閥軸與閥瓣耳孔之間。這樣在減小閥軸尺寸的同時可以保證必要的強(qiáng)度和剛度。

偏心距e的取值。e值過大偏心扭矩增大，過小“凸輪”效應(yīng)差，不利于反向密封，也加重密封副磨損。一般取閥瓣半球SR值的6%-8%。

3.2.3 開啟扭矩的計算

1)閥桿填料摩擦扭矩Mt(N·mm)[2][3]

Mt=0.6π·d2·h·ft·Pg

式中d—閥桿直徑(mm)；

h—填料總厚度(mm)；

ft—填料與閥桿的摩擦系數(shù)；

Pg—最大工作壓力(MPa)。

2)偏心扭矩Mp(N·mm)[4]

Mp=π·Pg·(φ/2)2·e

式中φ—密封副中性圓直徑(mm)；

e—閥軸偏心距(mm)。

3)密封副摩擦扭矩Mm(N·mm)

Mm= [Pg·(φ/2)2·π·cosθ]·fm·Rp

式中θ—密封面法線與軸線的夾角(°)；

fm—密封副摩擦系數(shù)；

Rp—密封副摩擦力臂平均值(mm)。

式中t—閥軸軸線距密封副中性面的距離(mm)。

4)閥軸臺肩與止推軸承間的摩擦扭矩Mu(N·mm)[5]

式中ft—閥軸臺肩與止推軸承的摩擦系數(shù)；

Dt—止推軸承大徑(mm)；

dt—止推軸承小徑(mm)。

這里給出半球閥正向密封時總扭矩Mz(N·m)的簡易公式：

Mz=Mt+Mp+Mm+Mu

3.3 產(chǎn)品特點及在煉鐵系統(tǒng)中的應(yīng)用

偏心半球閥關(guān)閉過程中閥瓣是逐漸靠近閥座的，存在“凸輪楔緊”效應(yīng)，所以如果密封面出現(xiàn)輕微磨損，可以將閥瓣再關(guān)一點，可重新建立密封。該閥門密封副只在啟閉的瞬間有接觸摩擦，所以密封面的磨損是較小的。但這一特性在易產(chǎn)生板結(jié)、粘附的含顆粒兩項流中，閥門在關(guān)閉瞬間反而容易將雜質(zhì)夾在密封面之間，造成滲漏或密封面損傷。而在水渣介質(zhì)中情況就沒那么嚴(yán)重，而且偏心半球閥啟閉扭矩相對較小、可強(qiáng)制密封，因此在沖渣水管路上比中心型的更合適。

不同的沖渣工藝或在管路的不同位置，介質(zhì)的含渣濃度和流速都不同。用在濃度和流速較高位置的閥門可以對閥瓣、閥座、閥體內(nèi)壁等過流面進(jìn)行硬化處理，比如噴涂硬質(zhì)合金層、加陶瓷涂層等以增強(qiáng)其耐磨耐沖蝕性能，延長閥門使用壽命。

半球閥的結(jié)構(gòu)決定了它不適合作為調(diào)節(jié)閥使用，特別在含顆粒的兩相流介質(zhì)中。閥門半開狀態(tài)下，不但對閥瓣沖擊大，同時閥瓣使流體偏向，顆粒對閥體和閥座的沖蝕更為嚴(yán)重，極大地縮短了閥門使用壽命。因此用戶應(yīng)通過選用專門的調(diào)節(jié)閥或變頻泵等其他方式來調(diào)節(jié)流量。

圖3 偏心型半球閥

4 結(jié)語

半球閥在選材時應(yīng)突出其密封面的耐磨性，也要重視合金材料堆焊或噴焊后的應(yīng)力消除。選擇執(zhí)行器扭矩時要在扭矩計算值的基礎(chǔ)上賦予較大的安全系數(shù)以確保閥門在含顆粒介質(zhì)工況下的順利啟閉。

總體來講，中心型半球閥的材料成本和制造成本比偏向型半球閥要略高一些。對于這兩種半球閥，我們只要根據(jù)其各自的不同特點，揚(yáng)長避短，結(jié)合工況進(jìn)行選型和使用，就能更好地發(fā)揮其優(yōu)勢，有效延長閥門使用壽命和煉鐵管路系統(tǒng)的維護(hù)周期。

在煉鐵系統(tǒng)中，中心型半球閥適合于固-氣兩項流介質(zhì)，偏心型半球閥更適合于固-液兩項流介質(zhì)。

在這類介質(zhì)中相較普通的球閥、閘閥，半球閥很大程度上消除了或成本高、或故障率高、或壽命短等給用戶帶來的困擾，使用效果比較令人滿意。相信隨著新型耐磨材料的出現(xiàn)以及更先進(jìn)的流體分析軟件在設(shè)計過程中應(yīng)用，半球閥的耐磨性能將會有更大的提高。