强制密封球阀的设计与优化
俞婧
浙江永盛科技股份有限公司 浙江省杭州市 311400
摘要：强制密封球阀是一种上装式结构，提升杆式阀杆的管线球阀。它具有独特的阀杆机械楔紧式特性，通过阀杆提供的强制机械力来实现球阀紧密密封，而且可以达到零泄漏的高密封性能。不仅如此，其开关过程中阀球与阀座间无摩擦的特性也很好地解决了阀门密封副长期接触磨损的问题。阀门的使用寿命得到了极大的延长。是一种集闸阀、截止阀、旋塞阀以及球阀优点于一体的高性能管线球阀产品。
关键词：强制密封球阀；设计；优化
引言
强制密封球阀是一种利用凸轮机构原理实现阀门无摩擦启闭的新型管线球阀，它通过阀杆强制机械力来建立可靠的密封，其是一种设计理念先进、密封结构新颖的高性能球阀。
1启闭原理
强制密封球阀主要零部件有阀体、阀盖、阀球、阀杆、销轴、支撑座、导向销、阀杆轴承和手轮等。上阀盖中部安装有2个对称的导向销，与之配合的阀杆中部有2个对称90°旋转的导向槽，阀杆中部导向槽与固定在上阀盖中部的导向销配合。阀杆下端有前后两个斜楔面，斜面角度一般为10~15°。下部斜楔面与阀球销轴接触配合。阀杆顶部为梯形螺纹设计，与之配合的为驱动螺母。通过手轮或执行机构的转动带动驱动螺母旋转，从而通过驱动螺母与阀杆之间的螺纹传动副使阀杆完成上升或下降的位移，最终通过阀杆斜楔面与阀球销轴之间的配合实现阀球的转动和启闭。当阀门在开启过程中，阀球先脱离阀座接触面，管线内的介质流体沿着阀球与阀座间四周通道均匀而迅速地通过阀体内腔，从而降低了常规球阀存在的局部高速流体对阀座产生的局部冲刷问题，直至阀球旋转90°至全开位置。阀门关闭时，阀球依靠阀杆斜面的机械楔紧力作用力将阀球紧紧地压在阀座圆弧面上，从而产生密封比压，保证了球阀严密切断的密封效果。
2阀门特点
2.1启闭无摩擦
球阀在启闭过程中，阀球和阀座的相对转动无接触摩擦，使球阀密封副的寿命极大地提高。
2.2上装式结构
球阀由整体式阀体和上装式阀盖组成，当安装在管线上的阀门需要在线检修时，只需进行管线系统降压，便可打开上装式阀盖，直接完成在线维护工作，极大地减少了维护时间，降低了生产成本，提高了运行效率。
2.3单阀座设计
球阀设计有单个阀座固定在阀体腔一侧，由于阀门中腔与另一侧阀体腔连通，因而可以有效避免常规固定球阀频繁启闭后出现的中腔截留介质压力升高的问题。并且单阀座依然可以满足双向密封要求。
2.4低操作扭矩
由于阀门启闭过程中密封副无接触摩擦扭矩，因此阀门的手轮或执行机构只需提供较小的操作扭矩即可完成阀门的启闭。
2.5强制密封结构
球阀依靠阀杆提供的强制机械楔紧力，将阀球楔压到阀座密封面上，使阀门在各种压力变化的情况下都能有出色的密封性能。
2.6密封面自清洗功能
当阀球脱离阀座伊始，管线中的流体介质由于上下游压力差的作用使介质沿着阀球密封面与阀座密封面四周的间隙360°无死角的均匀通过，使密封面上原本可能存在的聚积物冲离各自密封面，达到了密封面自清洁的目的。
2.7密封面硬化工艺
阀球和阀座密封面有镍基或钴基硬质合金硬化工艺，并通过相互的配对研磨形成高光配合密封面。即便阀门处于最严苛的含有固体颗粒工况中，依然可以保证可靠的密封性能。
2.8高流通能力
阀门全通径结构都具有较大的Cv值，能够提供较高的系统输出效率，并降低了系统压力损失。
3强制密封球阀的优化设计
3.1阀杆
国外强制密封球阀一般采用分段式阀杆设计，由上阀杆和下阀杆两部分独立零件组成。上阀杆通常为17-4PH材质，下阀杆通常为420不锈钢材质，通过上阀杆下端的螺纹端与下阀杆顶部的螺纹槽连接，再由圆柱销来定位、固定，组成整体阀杆部件由于上下阀杆间需要承受阀门启闭过程中传递的扭转力矩及上、下移动推力。长时间的剪切应力造成圆柱销在较短的时间内就容易出现断裂失效的情况，进而导致上下阀杆间的螺纹副保持相对转动，极端情况下，下阀杆甚至与上阀杆间出现脱落，此时，阀球已无法完成启闭动作，阀门完全失效。这样的情况在中石油和中石化的进口强制密封球阀中频繁出现。如果介质工况含有氢或硫化氢的混合物，其失效时间可能更快。虽然这样的分段式设计可以极大地降低制造商的生产成本，但是阀门失效问题也给使用者带来了极大的安全隐患。基于上述问题的严重性，我们将优化设计的阀杆取消了上下2部分的分段，将阀杆设计成整体式结构，彻底避免了进口阀门产品中存在的失效隐患。虽然在大口径或较大口径强制密封球阀生产中，较长的阀杆对机械加工带来了不小的难度，但随着我国机械行业加工设备及人员能力的普遍提高，此问题也已经得到了很好地解决。对阀门制造厂而言，即便生产成本有略微的提高，与能源管线安全的保障相比，这些成本上的付出都是值得的。
3.2阀球
由于强制密封球阀特殊的工作原理，阀门启闭无摩擦的特性是由阀球轻微偏移滚动来实现的，虽然阀门设计中，阀球中心高与阀座中心高一致，但实际加工过程中，合理的公差是不可避免的。在实际生产装配过程中，阀球中心与阀座中心高总会存在些许的高度差，因此，阀球圆弧密封面与阀座圆弧密封面无法达到理想状态下的完全垂直贴合。此时，就会造成当阀门关闭时，阀球出现“仰头”或“低头”的情况。由于阀球与阀座间为刚性接触。因此，这样的接触状态会导致阀球与阀座密封面间上、下端密封比压的不均衡问题的产生，往往造成在装配前，配对预研磨密封性能合格的阀球与阀座组合在装配进阀体内后，阀门密封试验过程中出现了泄漏。结合上述的实际情况的发生，我们对阀球的密封面背侧上、下两部分增加设计了弹性补偿槽。通过这样的设计，使阀门在实际装配过程中，当阀球出现“仰头”或“低头”情况时，阀球密封面可以通过开设的弹性补偿槽后阀球材料自身的弹性变形达到自适应的与阀座密封面贴合的目的，形成阀球与阀座密封面上、下端均匀的密封比压。最终补偿了阀球与阀座中心高的偏差问题。使这种情况下出现的阀门泄漏问题得到了根治。
结语
强制密封球阀整体设计按照美国API6D规范要求执行。它以独特的结构设计，配合有效的运动方式控制着阀球与阀座接触面的分离、旋转与压紧，实现了常规球阀无法实现的开关无摩擦、操作扭矩低、使用寿命长等优良的性能特点。该阀的设计关键在于传动副和密封副部分的结构设计与计算，以及阀杆、销轴和导向销等各受力零件的选材与热处理工艺。并且先进的制造工艺和出色的加工精度也是保证其优异性能的重要因素。再通过手轮、蜗轮、电动和气动等多种执行机构的配套，使用户有了极大的选择空间，满足不同的应用需求。强制密封球阀具有良好的市场前景。
参考文献：
[1]杨源泉.阀门设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1992.
[2]美国石油协会.管线及管道阀门规范：API6D—2014［S］.华盛顿：美国石油协会，2014.
[3]美国机械工程师协会.法兰、螺纹和焊连接阀门：ASMEB16.34—2017［S］.纽约：美国机械工程师协会，2017.
[4]张晓忠，陈佑军，金滔.基于计算机数据采集的低温阀门性能测试装置[J].阀门，2010（1）：184-189.
[5]贾琦月.液化天然气用阀门的国产化研发要点[J].化工设备与管道，2019，56（4）：59-62.
[6]黄宇，宋坤，陈海平.液化天然气低温阀门国产现状及工程化应用分析[J].石油化工设备，2015，44（2）：89-94.