作 者：李羿 单位：石油化工学院

指 导 教 师：李勤 教授单位：化工装备学院

金属密封耐磨球阀振动机理研究

1.1 金属密封耐磨球阀工作机理研究

1.1.1 工作原理

金属密封耐磨球阀的阀杆和阀球在一条中心线上，阀杆带动阀球转动，实现阀门启闭，从而达到密封效果。球阀的密封结构是指阀球和阀座之间的密封面，只有当阀球和阀座的密封面紧密贴合在一起，并且保证介质无法进入密封面之间时，才能完成管路系统的切断功能。目前，阀门密封主要是由阀球和阀座两个光滑密封面紧紧贴合来实现，从而防止介质外漏。影响阀门密封性能的因素很多，所有这些因素不可能都通过理论计算得到精确值。所以阀门相关技术人员主要依靠装置上阀门的规格书和工况要求来确定阀门的密封结构和密封尺寸，从而计算其扭矩等重要参数，并进行强度校核，保证该阀门安全可靠。

金属密封耐磨球阀密封的基础：实现金属密封耐磨球阀的密封立足于宏观接触面内有一个闭环的微观吻合环，封闭环上产生的压力大于介质压力从而保持密封。当接触面上密封比压减小后封闭环上的压力也将减小，但由于组成密封的阀球和阀球两个密封面相互贴合，在宏观上形成了近似理想的平面，从而实现密封。

1.1.2 金属密封耐磨球阀结构与应用

金属密封耐磨球阀结构主要包括阀体、阀盖、阀球、阀座、阀杆碟簧等密封件组成，根据工况要求设计防火、防静电设计等等。

目前，金属密封耐磨球阀以其特有的优势，广泛应用于煤化工、石油化工、硅化工等装置。在高温、高压、开关迅速、含固体颗粒介质的工况下，金属密封耐磨球阀是首选的阀门种类。但金属密封耐磨球阀普遍存在使用寿命低、抱死、内漏等问题。所以要满足严苛工况的使用要求，需要在表面硬化处理、结构设计、零部件选材和加工进度等方面进行优化。作为一种用来实现耐磨损的管路系统截断及流量控制的部件，金属密封耐磨球阀广泛应用于煤化工、石油化工等大型成套设备。

1.1.3 金属密封耐磨球阀物理性质特点

金属密封耐磨球阀相比于其它阀门，具有如下优点：

（1）具有较低的流体阻力；

（2）结构简单、体积小、重量轻；

（3）能够满足高温、高压工况，且密封性能良好；第2章 金属密封耐磨球阀振动机理研究沈阳工业大学硕士学位论文10

（4）能实现阀门快速启闭，容易实现自动化控制和远距离控制；

（5）能够双向密封，密封可靠；

（6）具有自动泄压功能；

（7）密封件可设计成具有防火功能；

（8）具有防静电功能；

（9）阀球可设计成V形或U形开口，从而具有流量调节功能；

（10）阀体采用三段式，左右对称，能较好的承受管道应力；

1.1.4 设计和生产应注意的问题

煤化工应用的耐磨球阀不仅要求其能够耐磨损，耐冲蚀，而且还要充分考虑其密封可靠性。从表面喷涂选择、合理的结构设计、阀门尺寸的计算、阀门零部件的加工精度、到阀门的压力试验，每个环节均要严格按照阀门标准进行设计，以下问题需要注意：

（1）设计的结构需要防止介质进入碟簧等密封结构里面，防止物料粘结导致阀门抱死。

（2）对阀球、阀座、阀杆等重要零部件材料进行定期检查。

（3）合理选择表面喷涂工艺，防止在高温下零部件膨胀卡死。

（4）煤化工多相流工况下特别是在有黏性的工况下，应考虑介质流动阻力对阀门操作扭矩的影响，保证其安全系数。

（5）因金属陶瓷涂层的多孔性，介质中存在腐蚀性物质对涂层密封面产生的腐蚀裂纹，应采用封孔技术。

1.2 金属密封耐磨球阀振动特性对使用性能影响分析

本课题对金属密封耐磨球阀振动机理进行研究，即阀门在开关时受到流体冲击产生高频振动。通过利用流体网格理论，对阀门内部流体动态过程进行分析，建立数学模型，得到动态特性对阀门使用性能的影响。

1.2.1 流体网格理论

流体网络理论是通过流体力学和网格理论相结合发展演变的一门应用科学。它主要用来分析在管路系统中流体流动状态，和压力、流速等由于扰动引起的各种流体瞬变现象。对于流体管路系统的传输和瞬变问题，该理论将它们作为一个流体网络问题进行处理，建立数学模型，利用比较成熟的网络理论对其进行分析计算，可以比较准确地得到在工程上具有实用价值的结论。流体网格理论已广泛应用于煤化工压力装置、机械液压装置、仪器仪表工业流体参数动态测试等领域。

（1）流体网络理论特点。主要特点如下：

1）因为轴向速度远大于径向速度，所以可以忽略横向速度分量，流动参数是沿横截面的平均值，其中流动参数是轴向位置x和时间t的函数，可以将其看成是一元不定常的流动；

2）流体传输与瞬变在管路系统中通常以网格形式表现，管路系统包括分布参数的主管路和集中参数的流体元件；

3）扰动压力可以以波的形式存在，它可以是按一定规律变化的规则波或者是一种不规则的波。

除以上特点，管内部流动还受许多因素影响，例如如流体惯性、可压缩不可压缩性、黏度、热传递性、管路端部阻抗和管路的几何形状和尺寸等等，影响因素十分复杂。

（2）流体网络比拟关系

为了能够利用电器网络理论研究流体网络问题，需要在两者之间建立一个比拟关系，通常利用流阻、流容和流感来比拟电路中的电阻、电容和电感。另外可以把压力差比作电压，流量比作电流，从而建立起流体网络的一套分析方法。在电路系统中的基本的定律，即克希霍夫定律（节点定律），可以对应比拟于流体系统中的质量守恒定律（连续性方程）。对不可压缩的流体，如液体或运动速度不高的气体，其密度是不变的或可看作近似不变的。这时体积流量Qv和质量流量Qm都可以来比拟电流；对于可压缩的流体流动，由于密度不再是常数，体积流量Qv和质量流量Qm不再保持比例关系，体积流量已不再守恒。因而这时用体积流量Qv来比拟电流是不合适的。但质量流量却永远守恒，它包含了可压缩流动的情况，因而是普遍适用的。这时应该用质量流量来比拟电流才合适。

（3）流体网络分析方法

对于流体系统，根据系统频率的不同可以将管路系统分为集中参数网络系统和分布参数网络系统。当系统频率变化较低时，由λ=u/f可知波长λ足够大，可以看作波幅仅仅是时间的函数，和空间位置无关。这时系统具有集中参数性质，可将系统离散成若干个集中参数加以研究。但是当脉动频率较高时，波幅既是时间函数也是位置函数，这样系统只能按照分布参数的方法进行研究。

1.2.2 金属密封耐磨球阀固有频率计算

介质在阀门内进行非定常瞬变流动，可以看作一元流动，因此在分析阀门的固有频率时，可以将阀门内部结构看作是由若干个异径管连接而成的水力管路系统，从而利用流体网格理论和瞬变流理论对其进行分析。对于非定常瞬变流体系统，金属密封耐磨球阀的频率较高，波幅既是时间函数也是位置函数，所以将它看作分布参数网络系统进行研究比较合适。分布参数网络系统中的主要参数有流阻、流容和流感，分别用 R，C 和 L 表示。

根据分布参数理论，假定x处流量和压力分别为P（x）和Q(x)，则在x+△x处，分别有：

同理有，经过整理，可得：

（2.1）

另外对于并联支路可以得到：

（2.2）

其中，Z和Y分别是拉式域(s)和频域(jω)中单位长度的串联阻抗和并联导纳。式（2.1）和（2.2）称为流体管路基本传输方程，是流体管路瞬变特性方程，适用于理想流体和黏性流体，其解为：

（2.3）

其中，A₁和A₂为积分常数；是单位长度的传播常数，有；另外，特性阻抗CZ定义为无限长管路的输入阻抗，即：

（2.4）

将式（2.4）和初始条件x=0时，P=1，Q=Q₁代入式（2.3），利用双曲关系变换，可得：

（2.5）

上式为用始端压力和流量表示的管路系统x处压力和流量的表达式。矩阵法是分布参数理论的一种研究方法。它是利用管路压力和流量的传递关系推导出流体在管路系统中的总传递矩阵，并利用总传递矩阵将系统中各个截面上的压力和流量构成的状态向量联系起来。当x=l时，可以得到管路压力和流量的传递方程为：

（2.6）

其中，P_o、Qo分别是管路出口压力和流量；P_i、Q_i分别是管路入口的压力和流量；l为管长；Z_C为管路特性阻抗。