煤化工用硬密封固定球阀结构设计的改进
戴文柏，高斌文，王邦捷
(圣博莱阀门有限公司，上海201506)

摘要:介绍了煤化工用硬密封固定球阀部分结构的优化改进设计，涉及阀座与阀体静密封结构、阀杆与球体连接结构、球体枢轴固定结构及上、下轴承结构，通过上述改进，提高了阀门的性能和使用寿命。

关键词:煤化工;硬密封球阀;阀座;阀杆;枢轴

煤炭作为中国的主要化石能源之一，其所衍生的产业结构门类齐全、种类繁多。一直以来，煤化工行业对中国国民经济的持续发展、战略需要作出了巨大贡献。

煤化工行业经过多年发展，产能产值己达到一定规模，传统煤化工不再扩大规模，新型煤化工的产业格局己基本成型。目前，由于国际原油价格持续走低、国内节能减排环保意识增加、经济增速放缓，我国煤化工行业正处于供大于求、产能过剩的低迷期。在这种大背景下，对煤化工装置可靠运行提出了更高的要求，需要在原有规模的基础上有更多的技术升级和新技术、新产品的发明创新来提升煤炭的高质高效利用，提高整体煤化工产业的经济效益和产品竞争力，避免没有技术含量的重复建设。

针对煤化工装置中不可或缺的设备—球阀，也应对其有更高的技术要求和自主开发能力。可以通过借鉴国外先进技术，对其深化、优化，进行技术创新，开发新产品，降低阀门设计制造成本，严格控制阀门质量，提高产品附加值，逐步替代进口，实现阀门国产化。
    本文对煤化工用硬密封固定球阀的部分结构进行了优化改进。

1 结构分析及改进

1.1 阀座密封结构

球阀硬密封副结构形式见图1。双阀座结构，具有双阻断DBB功能，自泄压及自清洁设计，阀座与球体配对研磨，带状密封以实现零泄漏，可选多种表面涂层，弹簧设计动态补偿、压差平衡、根除防抱死失效功能。阀座设有防渣结构，能有效防止煤粉(渣)从阀腔和流道进入阀座密封腔。

1-阀体;2-凹压环;3一防尘石墨圈;4一凸压环;5一碟形 弹簧;6一压环;7一石墨环;8-阀座;9一球体

相对于普通球阀组合式阀座结构，本阀座结构设计结合煤化工特殊工况，对其进行针对性优化设计。采用整体式阀座，将石墨环、压环、碟形弹簧、凸压环、防尘石墨圈、凹压环藏于阀座内部，其优点在于:保证了阀座原有功能的同时，减少了介质通过静密封面时的泄漏，避免颗粒介质对其他零件的冲蚀，简化了弹簧腔的防尘结构，同时整体密封结构也更加稳定。

阀座通道采用流线型设计，使流体阻力更小，消除结构死角，减少介质淤积结垢，特别适合混杂着硬质颗粒的两相流体介质。

阀座预紧力使用碟形弹簧提供，无论温度和压力如何变化，它始终给阀座一个推力，既能保证阀门在低压工况下的密封性能，又能修补密封面的磨损，保证阀座的泄漏等级达到要求，弹簧腔碟簧数量可根据阀门工况灵活设计:

①可单独使用;

②可采用对合形式叠加，弹簧预紧力不变，但能提供更大的弹簧变形量，去弥补加工误差和长时间高温高压使用后造成的密封面磨损，保证球体和密封面始终高度吻合;

③采用叠合形式叠加，弹簧变形量不变，能提供更大的弹簧预紧力，弥补弹簧长时间使用后预紧力不足的缺点，弹簧腔组合结构见图2。

图2 弹簧月空组合结构

     在阀座上设置有材料为柔性石墨的成型石墨环。石墨环结构属于静密封，与阀体接触面积大，在高压环境中摩擦、磨损问题比较突出。通过对石墨环进行分析，对其受阀座和碟簧压紧的情况进行力学分析，运用弹性力学方面的有关理论，建立石墨环受力分布和变形分布的计算模型，得出接触面圆锥形的轴向压力和径向压力分布比较合理、其均匀性随着圆锥角度的增加而增加的结论。

所以在石墨环上设计有两个不同角度的圆锥面角度I和角度II，这样设计可满足石墨环轴向和径向压力分布的递增，越靠近密封点处比压越大，而与之配合的阀座处角度存在1°一2°的差值，也增强了石墨环径向密封自动补偿功能，阀座石墨环结构见图3。

1一碟形弹簧;2-阀体;3一压环;4一石墨环;5 -阀座

圆锥形结构也使石墨环所需的最大压紧力变小，减轻了石墨环的磨损，延长了工作寿命，同时因为圆锥形结构特点，更容易安装和更换。

 为了防止固体颗粒进入阀座背密封区域影响阀门的密封性能，除了阀座采用刮刀结构设计，在开启或者关闭过程中对球体密封面进行刮擦作用外，还采用了防颗粒阀座设计，阀座后面采用凹、凸压环结构双层防尘石墨圈密封，在弹簧预紧力下防止颗粒介质进入弹簧腔后结垢堵塞，造成弹簧失效。防尘石墨圈与凹压环接合处设计成带一定角度的锥面，可实现自密封功能，在增加了密封接触面积的同时，也受碟簧推力形成斜向挤压力，压力越大，自密封作用越好，阀座防尘结构见图4。

1-凹压环;2一防尘石墨圈;3一凸压环