金属密封耐磨损球阀的研究与设计

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Research and Design of M etal Hard Seated.W ear Resistance Ball ValveZHANG Jian-wei(WAL-Tech Industrial Valve(CHINA)CO，LTD，Suzhou 201208，China)Abstract：Researches and designs characteristic of metal hard seated-wear resistance ball valve in solidgrain working condition.Analyzes the design dificulties and solutions for metal hard seated-wear re-sistance ball valve，Enumerates design and calculation of floating type metal hard seated wear-resistantball valve。

Key words：metal stealed；ball valve；solid particle；wear resistance1 概述随着科学技术的发展以及现代工业的需求，金属密封球阀在输送特殊介质的工况中(如纸浆、水煤浆和硅粉等含有固体颗粒的混合液)得到越来越广泛的应用。根据工况要求，研制了金属密封耐磨损球阀。

2 结构特点金属密封耐磨损球阀采用弹性具有自动补偿功能的阀座结构，防止阀门在含有颗灵质的工况中或高温情况下出现卡塞现象，提高了阀门使用寿命。

球体和阀座具有良好的剪切和白洁功能，适合对颗灵质和纤维介质的控制。阀杆采用侧装式，能确保填料处可靠密封以及阀杆防吹出。阀门采用双向密封结构，即提高了阀门的密封性能，也保证了介质逆向流动时的密封性能，为防止介质倒流提供了必要的保障。球体和阀座密封面喷涂耐高温高压、耐腐蚀和耐磨损的硬质合金。

3 技术处理(1)金属密封球阀的密封比压较高，在结构设计中考虑密封比压所需要的弹簧预紧力，采用下游作者简介：张建伟(1980-)，男，从事球阀设计工作。

(2)考虑温度对金属材料的线性膨胀影响，采用高负载碟形弹簧。既提供了阀门密封比压所需要的初始预紧力，也避免了因温度原因引起球体与阀座卡阻现象，确保阀门启闭灵活。由于固体颗灵质进入碟簧行程区会引起碟簧卡阻失效，增设了碟簧保护结构，确保阀门在低压情况下的密封性能。

(3)由于输送的介质中所含的固体颗粒硬度较高，要求球体与阀座表面具有较高的硬度。否则，阀门启闭的过程中会有固体颗粒镶嵌在球体表面上，影响阀门的整体密封性能。因此球体表面与阀座表面喷涂碳化钨钴、镍基合金或碳化铬等材料。使密封表面硬度达到56～64HRC。不同的喷涂材料，可以获得不同的硬度。

(4)阀座设计成具有 自洁功能的刮刀结构，在阀门启闭过程中，能对球体表面吸附物进行刮削，防止固体颗柳入阀门密封面，增加了阀门使用寿命。

(5)球体和阀座采用数控机床加工，专用球面磨床磨削，以及专用研磨机配对研磨。

2013年第3期 阀 门 -- --4 设计计算以浮动式 DN50-PN6.3金属密封球阀为例(图1，表 1)，进行密封比压、总摩擦扭矩、碟形弹簧负载的计算。

- - - - - a L -。 - u u - 。。 。 -。 。 。- 。 。。 - lI图 1 浮动式金属密封耐磨损球阀表 1 性能参数性能 参数设计压力法兰标准试验标准结构设计温度规格设计标准结构标准主体材料4.1 密封比压硬质合金密封面的必需密封比压 吼为cPqb mI J式中 m--与流体性质有关的系数。和 c--与密封材料有关的系数P--流体的工作压力，MPa6--密封面在投影宽度，mm计算得出qb14.15MPa。

设计密封比压 q为g (2)式中 Q--密封力(密封面处介质力 Q 与碟形弹簧初始预紧力 F的合力)，ND：--阀座外径，mmD --阀座内径，mm计算得出 q53.29MPa。

查表得材料许用比压[q]80MPa。因为q

4.2 总摩擦扭矩浮动球金属密封球阀扭矩 为MM M (3)式中 --球体与阀座密封面问的摩擦扭矩，N ·mmM M 1 m2- - 球体与左阀座密封面问的摩擦转矩 ，N·mm Q 尺- - 球体与右阀座密封面问的摩擦转矩 ，N·mm Q --球体与右阀座密封面间的摩擦转矩 ，N·mmF--实际弹簧加载预紧力，N厂M--球面与密封面的摩擦系数R--球体半径，mm- - 球体与密封圈接触点与通道轴法向夹角，(。)，- - 阀杆与填料间的摩擦扭矩，N·mmM 1.2 dFhTP- - 摩擦系数d --阀杆直径，mm- - 填料总深度，mm- - 阀杆台肩与止推垫间的摩擦扭矩，N ·mmM 壶 t(DTdF) PD --阀杆凸肩直径，mm将数值代人，可算得 。

4.3 碟形弹簧根据设计要求，选择无支承面碟形弹簧(图2)。

为保证最小必需比压 qmi.MPa，预紧作用力 Q 和碟形弹簧负荷 F为Q1 1 7rqi (D2 -Dl )F 专 - - ]E V ( 《 - 6- 阀 门 2013年第3期： 旦 z 1-/x2 K D KI 而 K 鱼77" l nC c：- c ：丽 而南 争- ]图 2 碟形弹簧因为选择了无支承面碟簧，因此K4：1，总高 Hn 3.2mm，可压总高 h0：2.2ram，外径 D72rnm，内径 d57.8ram，厚度 t1mm，减瘪度 t 1nqm，变形量，：1mm，弹性模量 E214 000N/mm ，白松比/x：0.3，可求得F1629N。则F>Q ，碟簧的结构设计可以保证球阀的初始密封。

4.4 参数分析(1)根据计算数据可得 g

(2)根据 ASME B16.34选炔全的阀门壁厚，并对中法兰和螺栓螺母强度验算。

(3)根据计算获得的总摩擦扭矩对阀杆强度校核，并根据总摩擦扭矩选择合理的执行机构。

5 结语阀门通过强度性能试验、密封性能试验、抗磨损性能试验以及实际工况使用证明，金属密封耐磨损球阀适用于含有大量固体颗粒的高温高压介质工况，如聚丙烯项目中反应釜下料管道中含有大量聚丙烯颗粒工况，有机硅项 目中含有高硬度硅粉颗粒工况等。