張慧

（上海閥特流體控制閥門有限公司，上海 200000）

1 V 型球閥的優(yōu)勢(shì)

閥門產(chǎn)業(yè)通過(guò)多年的積累發(fā)展，閥門種類不斷增多，按功能閥門主要分為調(diào)節(jié)閥和切斷閥，調(diào)節(jié)閥在實(shí)際應(yīng)用中起調(diào)節(jié)作用，控制流體流量，保證整個(gè)工藝系統(tǒng)達(dá)到運(yùn)行要求。切斷閥主要起開(kāi)關(guān)作用，一般不做調(diào)節(jié)使用。但在一些石油化工、造紙、污水處理等特殊行業(yè)，工況含有纖維和顆粒等雜質(zhì)，此處對(duì)閥門調(diào)節(jié)和切斷功能要求都比較高，傳統(tǒng)單一的調(diào)節(jié)閥和切斷閥顯然不能很好滿足此類工況，而調(diào)節(jié)球閥能很好地解決此類問(wèn)題，它流道通暢，流量大，可調(diào)比大，其帶有V 型缺口的閥芯，可以很好地調(diào)節(jié)介質(zhì)。它本身結(jié)構(gòu)緊湊，流阻小，密封可靠，且維修方便，球芯與閥座在關(guān)閉狀態(tài)，不易被介質(zhì)沖刷損傷，操作和維修方便。應(yīng)用范圍廣，各行各業(yè)都可以使用，不受一些嚴(yán)苛介質(zhì)、溫度的限制，小到幾毫米，大到幾米，都可以使用。

2 V 型閥門的設(shè)計(jì)和制造

2.1 球閥的總體結(jié)構(gòu)

球閥主要分為浮動(dòng)球和固定球，按安裝主要分為頂裝式、底裝式、側(cè)裝式，面對(duì)種類繁多的球閥，并不是所有的結(jié)構(gòu)都適合V型調(diào)節(jié)球閥。此類閥門的技術(shù)指標(biāo)要求，既能實(shí)現(xiàn)介質(zhì)流量調(diào)節(jié)，又要有嚴(yán)密關(guān)斷無(wú)泄漏的功能，集調(diào)節(jié)閥和切斷閥之優(yōu)點(diǎn)。一般固定式球閥上下都有滑動(dòng)軸承，球芯以滑動(dòng)軸承為中心轉(zhuǎn)動(dòng)，針對(duì)一些有顆粒、纖維的工況，介質(zhì)容易進(jìn)到軸承與球芯之間，造成閥門開(kāi)關(guān)卡阻，嚴(yán)重導(dǎo)致閥門抱死不動(dòng)作，影響閥門的正常使用，所以固定球結(jié)構(gòu)對(duì)介質(zhì)仍有一定的限制，浮動(dòng)球結(jié)構(gòu)相比與固定球更有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，浮動(dòng)球球芯靠?jī)蓚?cè)的閥座固定，沒(méi)有滑動(dòng)軸承，不會(huì)有卡阻的問(wèn)題，更適合顆粒、纖維等嚴(yán)苛工況，一般的浮動(dòng)球閥多選用側(cè)裝式結(jié)構(gòu)。

2.2 球閥的密封結(jié)構(gòu)

球閥的密封結(jié)構(gòu)一般分為軟密封結(jié)構(gòu)和硬密封結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)選取不當(dāng)，也極易引起閥門的內(nèi)漏，影響產(chǎn)品質(zhì)量。一般根據(jù)流體的性質(zhì)、壓力、溫度設(shè)計(jì)閥座結(jié)構(gòu)，軟密封閥座是在流體的壓力下，閥座和球芯緊密貼合在一起，閥座產(chǎn)生彈性變形，實(shí)現(xiàn)球芯和閥座的密封。軟密封閥座雖然密封效果好，但閥座材質(zhì)一般為PTFE 等軟性材料，V 型調(diào)節(jié)球閥有時(shí)在小開(kāi)度小工作，介質(zhì)多數(shù)含有顆粒，極易磨損閥座，造成閥門內(nèi)漏，所以采用硬密封結(jié)構(gòu)更適合調(diào)節(jié)球閥，球芯和閥座都為金屬材質(zhì)，閥門的使用壽命更長(zhǎng)，目前硬密封閥門多采用超音速火焰涂層硬化技術(shù)，一般表面硬度可達(dá)HRC55 以上，更適用與含有雜質(zhì)顆粒的介質(zhì)，同時(shí)依靠彈簧提供密封力，密封性能更加可靠。

2.3 閥芯和閥體的密封材料

一般閥芯和閥體的外部泄漏造成的后果，比閥座的內(nèi)漏更加嚴(yán)重，不但造成用戶的資源的浪費(fèi)，還可能污染周圍環(huán)境，更嚴(yán)重的會(huì)引起安全事故，給企業(yè)造成損失。一般閥芯的密封材料主要有PTFE 和石墨，V 型調(diào)節(jié)球閥主要應(yīng)用于嚴(yán)苛工況，如采用PTFE 填料，顆粒介質(zhì)進(jìn)入閥芯和填料之間，在反復(fù)動(dòng)作后容易造成填料的外漏，而且PTFE 填料的適用范圍在200 以下，高溫工況也不適用。故石墨材料更適用顆粒工況，在密封石墨的上下設(shè)計(jì)有盤(pán)根隔離環(huán)，此隔離環(huán)采用金屬絲加石墨模壓而成，有極強(qiáng)的耐磨能力，并有一定的彈性，能將顆粒擋在填料外部，很好地保護(hù)了填料，保證了閥芯的密封性能，此盤(pán)根加石墨的組合石墨在高溫高壓嚴(yán)苛工況都得到了很好的應(yīng)用。同時(shí)在填料螺栓處可以增加碟形彈簧，在閥門反復(fù)動(dòng)作后，填料的螺栓不易松動(dòng)，提供持續(xù)的密封力，密封更加可靠。

2.4 閥桿的設(shè)計(jì)及材料選用

閥桿是球閥的重要受力元件，由閥桿帶動(dòng)球芯轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門開(kāi)關(guān)，一般在閥桿與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和球芯結(jié)合處進(jìn)行扭力的計(jì)算和驗(yàn)算，閥桿要具有足夠的強(qiáng)度和任性，一般奧氏體不銹鋼強(qiáng)度較低，如果當(dāng)作閥桿使用直徑都比較粗大，造成閥門的結(jié)構(gòu)臃腫，容易損傷。一般都采用沉淀硬化性不型鋼和馬氏體不銹鋼，大小比較適中就可以滿足結(jié)構(gòu)要求。一般閥芯不僅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，而且還要耐腐蝕和磨損，可進(jìn)行鍍鉻等表面處理來(lái)增加其抗磨性能。

2.5 球體與閥座的比壓計(jì)算

一般要保證球閥的密封，球芯與閥座的比壓是非常重要的因素，比壓過(guò)小容易造成閥門的內(nèi)漏，比壓過(guò)大導(dǎo)致閥門的摩擦力過(guò)大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)加大，閥門容易卡阻，使用壽命也隨之縮短，經(jīng)濟(jì)成本也上去了。一般必需比壓以qb表示，必需比壓的設(shè)計(jì)公式：

式中：qb——必需密封比壓，MPa；

m——與流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；

a，C——與密封面材料有關(guān)的系數(shù)，一般硬密封：a=3.5，C=1；

P——液體的工作壓力，MPa；

b——密封面寬度，mm。

2.6 閥門閥體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

球閥閥體不僅受到介質(zhì)的壓力，還受到管道和其他方面的附加力，一般V 型調(diào)節(jié)硬密封球閥多采用鍛件加工而成，可當(dāng)作薄壁圓筒來(lái)考慮，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)最小壁厚的基本公式：

以8″150 磅級(jí)為例，則：

tm（150）=0.0163d+4.70

式中：tm——最小厚度，mm；

d——閥門公稱通徑，mm。

附加考慮因素：

考慮鑄、鍛造偏差、需要增加一定的附加裕量：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取C=2.5mm。

因此確定閥體的壁厚值t：

t=tm+C

2.7 球閥用執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇

閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥桿和球芯轉(zhuǎn)動(dòng)，從而打開(kāi)和關(guān)閉閥門。球閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有手動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)3 種驅(qū)動(dòng)方式，一般執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不易過(guò)大或過(guò)小，力矩過(guò)小容易造成閥門無(wú)法開(kāi)啟動(dòng)作，力矩過(guò)大容易損傷閥桿，一般執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩是閥門扭矩的1.3～2 倍之間即可。手動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置由于是靠人手臂的力量來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)閥門，轉(zhuǎn)矩超過(guò)110N·m 時(shí)，手動(dòng)驅(qū)動(dòng)需帶有齒輪箱來(lái)增大輸出力，應(yīng)用在開(kāi)啟頻次不高扭矩比較低的閥門。一般應(yīng)用最廣泛的是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，一般動(dòng)作快，工作可靠，一般采用壓縮空氣作為氣源，但氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，選型時(shí)需注意，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)多半帶有故障彈簧，在動(dòng)作過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩是由大變小，不是一個(gè)恒定的值，所有在選型中要保證各個(gè)點(diǎn)的力矩都大于閥門力矩，才可滿足閥門的正常動(dòng)作。

2.8 V 型調(diào)節(jié)球閥的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

V 型調(diào)節(jié)球閥相對(duì)與常規(guī)球閥，最大的優(yōu)勢(shì)和區(qū)別是可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，球芯的一側(cè)開(kāi)有V 型缺口，來(lái)調(diào)節(jié)介質(zhì)流量。在石油、化工、電力等行業(yè)中，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)占比非常大，隨著產(chǎn)品應(yīng)用要求提高，應(yīng)用場(chǎng)合更加細(xì)化，V 型調(diào)節(jié)球閥相比于傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥優(yōu)勢(shì)更加明顯，將逐步成為調(diào)節(jié)閥的主流產(chǎn)品。

根據(jù)用戶對(duì)系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)需求不同，球芯缺口的設(shè)計(jì)形狀也不一樣，一般的流量調(diào)節(jié)特性分為直線型、等百分比型、拋物線型和快開(kāi)型等四種（見(jiàn)圖1），用戶應(yīng)根據(jù)自己的工藝要求，選擇合適的流量特性曲線。

圖1 調(diào)節(jié)球閥

直線特性：調(diào)節(jié)球閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度是直線特性，即單位開(kāi)度變化引起的流量變化，其比值是個(gè)常數(shù)。在閥門開(kāi)關(guān)過(guò)程中，球芯的缺口始終大小一致，從而保證流量和開(kāi)度為直線。

等百分比：調(diào)節(jié)球閥單位開(kāi)度變化引起相對(duì)流量變化與該點(diǎn)的相對(duì)流量成正比。流量調(diào)節(jié)特性是應(yīng)用最廣的一種，大約占80%以上。等百分比特性球芯，缺口的形狀為V 型。

拋物線流量特性：調(diào)節(jié)球閥單位相對(duì)開(kāi)度的變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量值的平方根成正比關(guān)系，球芯缺口為形狀與等百分比類似。

快開(kāi)特性：在小開(kāi)度時(shí)就有較大的流量，隨開(kāi)度的增大。一般球閥就為開(kāi)關(guān)球閥，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的快速開(kāi)關(guān)。

由于用戶介質(zhì)的情況千變?nèi)f化，在調(diào)節(jié)的過(guò)程也會(huì)有氣蝕和噪聲的出現(xiàn)，氣蝕伴隨著閃蒸和空化，對(duì)球芯和閥座的損傷嚴(yán)重，在短時(shí)間內(nèi)造成閥門的內(nèi)漏。為應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的工況，可在閥門前端安裝截流調(diào)節(jié)裝置，放一個(gè)有多個(gè)節(jié)流孔組成的擋板，在保證閥門流量的情況下，將閥門的流速降下來(lái)，避免氣蝕的產(chǎn)生，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

調(diào)節(jié)閥是流體工程的重要設(shè)備，V 型球閥結(jié)合了調(diào)節(jié)閥和切斷閥的優(yōu)點(diǎn)，在煤化工、多晶硅、電站高溫高壓場(chǎng)合、減溫減壓裝置、排放和泄壓系統(tǒng)、壓縮機(jī)等工況有著很好的應(yīng)用，即廣泛用于石油、煤化工、天然氣、多晶硅、紙漿及電力行業(yè)等方面。