1 概述 球閥是上世紀(jì)50年代問世的一種新型閥門，具有流體阻力小、結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠、操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)。通過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，球閥已成為一種主要閥類，在航天、船舶、石油化工、輕工食品和建筑等許多方面得到了廣泛應(yīng)用。尤其在船舶艦艇的各種系統(tǒng)管路上，各種口徑、壓力、介質(zhì)的球閥被普遍采用，成為一種不可缺少的船舶系統(tǒng)組件。
隨著我國高分子材料技術(shù)水平的不斷提高，新型耐高溫工程塑料（如增強(qiáng)聚四氟乙烯、對位聚苯等）不斷涌現(xiàn)，良好的密封性能和加工工藝性使這些材料在高溫球閥中作為非金屬密封材料也逐漸得到應(yīng)用。但是在實(shí)際使用中，我們發(fā)現(xiàn)非金屬密封座損壞現(xiàn)象頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響高溫球閥的密封性能和使用壽命。通過對受損密封座的分析研究和大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，*終密封座損壞的問題得到了解決。本文就高溫球閥密封座損壞的現(xiàn)象以及發(fā)生原因和解決方法作詳細(xì)介紹???供大家探討和研究。
2密封座損壞過程及現(xiàn)象
本文所分析的受損密封座用于浮動(dòng)球直通結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。其中密封座材料采用耐350℃的對位聚苯。
圖1 浮動(dòng)球直通球閥
對高溫球閥在進(jìn)行高溫高壓（6.0MPa飽和蒸汽）的試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)了密封座發(fā)生損壞，損壞的密封座如圖2所示。通過仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)損壞的均為介質(zhì)進(jìn)口端的密封座，且損壞的都是同一部位，而出口端的密封座完好無損。為了確定密封座損壞是發(fā)生在球閥開啟過程中還是關(guān)閉過程中，特對球閥進(jìn)行了分段試驗(yàn)。首先在球閥關(guān)閉狀態(tài)下，通入6.0MPa飽和蒸汽，預(yù)熱10分鐘后，開啟球閥，然后檢查密封座是否損壞；接著在球閥開啟狀態(tài)下，通入6.0MPa飽和蒸汽，預(yù)熱10分鐘后，關(guān)閉球閥，然后檢查密封座是否損壞，結(jié)果兩次試驗(yàn)均發(fā)生進(jìn)口端密封座損壞現(xiàn)象。由于浮動(dòng)球結(jié)構(gòu)的球閥密封原理是在介質(zhì)壓力的作用下，球體產(chǎn)生一定的位移緊壓在出口端的密封座上，從而保證出口端密封，因此進(jìn)口端密封座的損壞，并不影響球閥的密封性能，具有一定的隱蔽性。當(dāng)球閥進(jìn)行多次啟閉動(dòng)作后，進(jìn)口端密封座損壞處還會(huì)發(fā)生部分剪切脫落現(xiàn)象。
圖2 受損密封座
3 密封座損壞原因分析
基于密封座損壞部位的一致性，且開啟和關(guān)閉過程中均會(huì)發(fā)生進(jìn)口端密封座同一部位的損壞，因此對球閥的啟閉過程進(jìn)行了細(xì)致的分析。
如圖3a所示，當(dāng)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，球體在介質(zhì)壓力的作用下，產(chǎn)生一定的位移緊壓在出口端的密封座上，由出口端的密封座保證球閥的密封。而進(jìn)口端密封座因球體的后移，其底面的密封比壓減小，壓力介質(zhì)進(jìn)入到密封座底面，在介質(zhì)壓力的作用下，其密封面與球體全部接觸，此時(shí)密封座不會(huì)受到損壞；當(dāng)球閥進(jìn)行開啟操作時(shí)（見圖3b），進(jìn)口端A腔與球閥中部的B腔將形成一個(gè)流道，產(chǎn)生一個(gè)壓力差ΔP，當(dāng)流道處球體與閥座脫離接觸時(shí)，這一部分的閥座將失去支承，在介質(zhì)壓力的作用下產(chǎn)生了彎曲變形。當(dāng)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)球體時(shí)，密封座彎曲部分將被通道邊緣所壓壞而喪失其密封性能。
圖3 球閥由關(guān)閉到開啟過程中的受力分析
球閥關(guān)閉過程中的情況也大致相同。如圖4a所示，當(dāng)球閥處于開啟狀態(tài)時(shí)，由于球閥裝配預(yù)緊力的作用和非金屬密封座的熱膨脹（非金屬的膨脹系數(shù)比金屬的膨脹系數(shù)大很多），使得通道中的介質(zhì)無法進(jìn)入到球閥的B腔，因此通道與球閥中部的B腔存在一個(gè)壓力差ΔP，但此時(shí)密封座的密封面與球體全部接觸，密封座不會(huì)發(fā)生變形；當(dāng)球閥進(jìn)行關(guān)閉操作時(shí)（見圖4b），球體通道與B腔有一個(gè)壓力平衡的過程，即介質(zhì)由通道進(jìn)入B腔，當(dāng)流道處球體與閥座脫離接觸時(shí)，這一部分的閥座失去支承，在介質(zhì)壓力的作用下產(chǎn)生了彎曲變形。這種變形既可以發(fā)生在圖示的左上角，也可能發(fā)生在右下角，進(jìn)口端的密封座總是被損壞，那是因?yàn)楫?dāng)繼續(xù)關(guān)閉球閥至圖4c位置時(shí)，A腔與B腔之間，B腔與C腔之間又將產(chǎn)生一個(gè)壓力差ΔP，A腔與B腔間的壓力差ΔP使進(jìn)口端閥座的彎曲變形更加嚴(yán)重，而B腔和C腔間的壓力差將使出口端密封座的變形得到修復(fù)，當(dāng)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)球體時(shí)，進(jìn)口端密封座的彎曲變形部分將被球體通道邊緣所壓壞，而出口端密封座不會(huì)受到損傷。
圖4 球閥由開啟到關(guān)閉過程中的受力分析
4 解決方法
通過**節(jié)的故障原因分析，知道了進(jìn)口端密封座損壞都是由于A腔和B腔存在的壓力差△P引起的，因此只要減少A腔和B腔之間的壓力差，就可以避免密封座在開啟和關(guān)閉過程中發(fā)生彎曲變形而遭受損壞，對此，在不改變原浮動(dòng)球直通球閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采取了下面兩種措施：
（1）對于開啟過程中球閥密封座發(fā)生損壞的原因，采取了在密封座外圈開六條3*1mm的卸壓槽（見圖5a）。由于球閥關(guān)閉時(shí)，球體在介質(zhì)壓力的作用下，產(chǎn)生一定的位移緊壓在出口端的密封座上，進(jìn)口端密封座底面處于松弛狀態(tài)，通過卸壓槽可以迅速平衡A腔和B腔的壓力，開啟過程中，由于卸壓槽增加了介質(zhì)從A腔到B腔的流通面積，因此減少了A腔和B腔之間的壓力差?P，從而消除了密封座發(fā)生彎曲變形引起損壞的因素。
圖5 解決密封座損壞的方法
（2）對于關(guān)閉過程中球閥密封座發(fā)生損壞的原因，采取了在球體上鉆一個(gè)Φ6mm的卸壓孔（見圖5b）。該卸壓孔使球閥在開啟狀態(tài)下，A腔和B腔得到連通，從而使球閥關(guān)閉過程中所產(chǎn)生的壓力差ΔP完全消失，徹底消除了密封座發(fā)生彎曲變形的可能。
5 總結(jié)
根據(jù)上述方法，對高溫球閥的密封座和球體進(jìn)行了改進(jìn)，并對改進(jìn)后的球閥進(jìn)行了高溫高壓試驗(yàn)（6.0MPa飽和蒸汽）。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，原進(jìn)口端密封座損壞的現(xiàn)象再也沒有發(fā)生過，這也證明了原先對密封座損壞原因的分析是正確的，采取的措施是有效的。
*后介紹四種通過固定球閥密封座來解決密封座彎曲變形損壞的方法，圖6為四種固定密封座的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖6 防止密封座損壞的固定密封座方法