0概述

目前铸石耐磨耐腐蚀球阀安装在电站锅炉水除灰管道系统上，作为启闭装置专用调节阀。该产品在使用过程中还存在一些问题，如阀座密封与球芯接触面积大，致使驱运力矩增大，阀门开关不够灵活，上下阀杆设计过大，使用的原材料利用率过低，阀座结构不合理及上密封处有渗水和漏水现象发生。为了解决这些问题，改进了耐磨耐腐蚀球阀结构形式及材料。

1 结构改进

1.1 阀体

图1 铸造阀体

图2 铆焊阀体

过去的阀体多为铸造件(见图1)，铸造过程中存在着不确定因素，如气孔、砂眼、疏松、夹渣、缩孔、裂纹等，影响阀门整体机械性能。为了向高参数及高性能方向发展，充分发挥铆焊加工能力特点，参照国内外同类产品，采用混合离散变量的最优化设计方法及韧性好的钢板材料焊接而成，见图2。与铸造件比较，钢板焊接的阀体壁厚可以减薄，且强度高、韧性好，质量比铸造的阀体可减轻约1/6。

1.2 阀座

图3 阀座密封圈

阀座密封结构是球阀密封性能的关键，直接影响球阀的使用寿命。原阀座密封圈结构(见图3(a))由于阀座密封圈角度太大，与球芯接触面积大，抱球芯抱的紧，产生的力矩相对就大。以DN400的球芯阀座为例，质量为3kg，结构改进后的阀座密封圈(见图3(b))与球芯为线接触，接触面积小，使得阀门开启灵活，且阀座密封圈质量降低了1/3左右。

1.3 球芯

原球芯直径设计过大，使用的阀体中腔过大，造成材料浪费，利用率低。原球芯(见图4(a))质量为380kg，改进后的球芯(见图4(b))质量为285kg，且改进后的球芯强度、密封位置都能得到保证。改进后，球芯充填层加大，使用得耐磨层材料玄武岩铸石粘贴更加牢固，不会发生耐磨材料的脱落现象的发生。

图4 球芯

根据文献[1]，通孔球阀内径d=DN，球体径为R=08DN，球体面距 ，改进后的球芯完全满足文献[1]的要求。D为球阀外径。

1.4 上阀杆

原DN400阀杆是由2Cr13150棒料车制而成，由于上阀杆的O型密封圈与DF复合轴承的尺寸一样，而DF复合轴承是开口的，装配起来很不方便，且维修起来也很麻烦。为此，对上阀杆做了改进，见图5。改进后在阀杆与阀体密封处车一个台阶，与DF复合轴承尺寸不一致，各部台阶处有圆角，避免了啃O型密封圈现象的发生。经过重新对阀杆强度计算，阀杆直径可以比原设计减少20%左右。

图5 上阀杆

1.5 下阀杆

原下阀杆由下轴和法兰组成，首先车好下轴和法兰止口，后进行焊接，再退火处理。按图车好各部位，装配时调整很不方便，为此对下阀杆进行如下改进，见图6。把下阀杆由部件改为两个单独的零件，这样可以省去退火处理工序，而且加工起来也很方便，且成本降低不少。

图6 下阀杆

1.6 球阀阀座

原阀座与球芯是固定不变的，现改为阀座是可调试结构(见图7)，其O型密封圈压缩量可按如下计算：固定密封时，预压缩量为025d；滑动密封时，预压缩量为015d；固定球阀密封时，预压缩量为015d。

图7 阀盖与阀体间密封

2 结构改进的主要技术参数及特点

2.1 主要技术参数

公称压力PN=25MPa；公称通径DN=400mm；适用温度t=-40~100.适用介质为渣水、矿浆、水、石油。

2.2 特点

结构简单、体积小、质量轻。流体阻力小、全通道、便于清扫。开关轻便、灵活、维修方便、阀座可调。球阀通道及球芯内衬玄武岩铸石耐磨材料起到耐磨防腐的作用。铸石材料有极高的耐磨、耐腐蚀性能。表1为铸石物理性能表，表2为铸石化学性能表。

表1 铸石物理性能

表2 铸石化学性能 %

在相同条件下，几种材料的磨损量如图8所示。

图8 几种材料的磨损量

3 设计计算

3.1 阀体壁厚

球阀剖面图如图9所示。阀体的计算厚度SB‘ 为

式中：P1为计算压力，MPa；Dn为计算内径，mm；[ ]为许用拉应力，MPa；C为裕量，包括铸造偏差工艺性腐蚀因素。

图9 球阀剖面图

当阀体实际厚度SB≥SB!时，强度合格。

3.2 密封比压

阀前密封比压qi为

阀后密封比压q0为

验算合格条件为qMN<q<[q]

式中：q为密封面上必需的比压，MPa；[q]为密封面许用比压，MPa；为球体的密封圈接触点与通道轴法向夹角，(o)；p2为设计压力，MPa；DJH、DMN、DMW、R、H和DCH如图9所示；h为阀门最外口的直径；qMN为球阀最小预警比压。

3.3 阀杆强度

阀杆力矩公式为

MF=MQG+MFT+MZC

式中：MF为阀杆力矩，N.mm；MQG为球体与阀座密封面间的摩擦力矩，N.mm；MFT为填料与阀杆阀的摩擦力矩；MZC为轴承产生的摩擦力矩，N.mm。

MQG=MQG1+MQG2

式中：MQG1为阀座对球体的预紧力产生的摩擦力矩，N.mm；MQG2为由介质工作压力产生的摩擦力矩。

式中：qm为球体最小预紧比压，MPa；fm为球体与密封面摩擦系数(取fm=0.05~0.1)；DQJ为轴径，设计给定，mm；fz为轴承摩擦系数，取0.05~0.1；p3为介质压力。

阀杆端头扭转剪切应力(见图10)τ N为

式中 为I-I断面抗转矩断面系数，mm3

对于正方形断面[1]

图10 阀杆端部

4 结束语

改进后的耐磨耐腐蚀球阀，消除了颗粒对阀门的磨粒磨损及腐蚀问题，改善了球阀密封质量，阀门开关灵活，减轻了操作人员的劳动强度，提高了劳动效率和工作质量。实际运行证明：开关运行可靠，经久耐用、使用寿命长，是目前电厂、矿山除灰、排渣系统较为理想的一种控制阀门。

 

 

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