铸石球阀阀座密封面结构的改进

        一、前言
        铸石球阀是适用于电厂、矿山、冶金和化工等行业的灰浆和干灰管路中，用于液固、气固两相介质输送系统中做启闭装置，阀门阀座密封面的结构形式，直接影响到阀门的质量和使用寿命。由于铸石球阀的阀座密封面通常采用PTFE材料，阀门开启时，因颗粒对阀座密封面的撞击，PTFE密封面很容易被擦伤，导致密封面被破坏。阀门出现严重的内部泄漏，阀体内腔产生结垢。严重时，阀门的启闭都很困难。经过走访用户，得到用户反映的情况，伯特利阀门集团有限公司通过分析改进了阀座的密封结构，解决了铸石球阀的内部泄漏问题。
        二、结构分析
        通常铸石球阀的阀座密封面采用的结构是在浮动支架套筒上加工的环形槽内压入PTFE矩形圈，然后经过精加工装配到阀体中而成。PTFE阀座具有一定的弹性，对球面密封面精加工过程中形成的微观不平度具有一定的补偿能力；PTFE阀座密封面的密封性能可靠。由于有两个O形圈的作用形成浮动阀座。浮动阀座密封面与球体密封面之间的密封副依靠压力的相互作用形成密封比压。如图1所示的阀座结构的密封性能，主要取决于设计时阀座密封面的结构形式和弹簧的压缩量以及阀座密封面与球体密封面的加工精度；在同等条件下，如果弹簧的压缩量小，密封比压就小，密封性能就差；弹簧的压缩量大，密封比压就大，密封性能就好，所以阀门的密封主要是依靠密封比压实现的。

图1 通型阀座形式

        在灰渣管道中运行阀门的启闭过程中，阀门出口端阀座密封面正对着介质，介质连续不断地对密封面进行冲蚀、磨损、擦伤和撞击，有的灰渣会嵌入PTFE矩形密封圈，使密封面变窄、密封比压升高；密封面易被挤裂，阀门密封失效。阀门进口端在开启过程中，同样受到介质连续不断地对进口端密封面进行磨损、擦伤，密封面易被挤裂，阀门密封失效。虽然浮动支架套筒阀座PTFE密封结构形式简单，密封可靠，可是PTFE很难保证在灰渣水或干灰中的应用。原因在于球阀经常90°旋转启闭，特别是阀门在关闭时，介质作用在球体上的推力，在球阀开启时，这种推力转移到介质和介质颗粒的速度上，向阀座密封面（PTFE）冲撞、磨损和擦伤，阀座密封面（PTFE）很快失效。阀座（最先开启的部位）磨损特别严重，时间一长介质入口端的阀座密封面同样泄漏，结果在阀体内腔产生内部泄漏，阀体腔内部形成了介质流，由于介质的流动又产生了涡流，所以在阀体和球体上形成结垢（如图2所示），时间一长阀门密封也就失效。

图2 涡流产生结垢

        铸石球阀应用于干灰（气、固相）系统管道中，因为干灰是具有一定黏性的粉体，还具有渗透性。铸石球阀应用于气固相粉体的输送管道中，阀座密封面采用的是硬密封，如图3所示阀座结构的阀门开启过程中，硬密封面能将球体密封面上的干灰和固体颗粒剥离球体密封面，因此硬密封阀座具有清洁球体密封面的功能。

图3 普通硬密封阀座形式

        由于密封面在加工过程中，产生尺寸公差和形位公差，形成密封面的微观不平度，硬密封面对微观不平度不能进行有效的补偿。阀门球体密封面和阀座密封面又受到介质的作用力，推动干灰从密封面的一侧，向密封面的另一侧渗透；由于长期的渗透，阀座密封面和阀体密封面遭受磨损，在阀座密封面和阀体密封面，特别是在阀体密封面，形成沿密封面宽度（球体通径）由浅变深由宽变窄的风沟（如图4所示），有的能将阀体穿透，造成阀体外漏。

图4 阀体长期渗透形成的风沟  

   
        三、改进措施    
        根据现场实际情况分析判断以及多年来对球阀积累的经验，对密封面进行了改进。
        改进阀座密封面为硬密封加软密封组合而成的混合密封，如图5所示。改进后的阀座密封面，硬密封能清洁密封面，将颗粒和杂质从球体密封面上清除；软密封能将球体的微观不平度填平，杜绝干灰的渗透。软密封阀座采用充气式U形环的软密封阀座，环的两侧用两个侧环定位于浮动支架套筒的斜U形槽内。U形软密封阀座是由氟橡胶密封材料制成。阀门在启闭过程中，U形软密封阀座密封面缩入槽环内，并且密封面的位置也不是正面面对介质，密封面露出的面积很小，所以，介质对密封面的冲击、磨损也很小，有效地防止了阀座的内部泄漏，极大地延长了阀门的使用寿命，提高了阀门的可靠性。

图5 组合密封阀座

        四、阀座密封圈
        改进后的U形软密封阀座圈，控制软密封阀座前部凸起部分的几何形状，密封面可以作成几种形式，如图6所示。用调节阀座密封面的几何形状，来控制密封面的密封比压和采用膨胀阀座防止阀座密封面的磨损。
        如图6a所示的阀座密封面，在腔体压力p的作用下，A点与球体密封面接触，接触瞬间密封比压很大，随着压力的增加，A点发生了弹性变形，随着弹性变形的增加，密封面以A点为圆心转动，这时密封面变大了。由弹性变形填充球面的微观不平度密封性能较好，密封面与介质的接触面积小，密封面的磨损也小。
        如图6b所示的阀座密封面，在腔体压力p的作用下，阀门开启时，B点与球面接触，因为B点的顶点是圆面，所以接触瞬间，B点产生弹性变形，由弹性变形填充球面的微观不平度密封性能较好。阀门开启时与介质的接触面积较大，阀座密封面磨损较大。
        如图6c所示的阀座密封面，在腔体压力p的作用下，C点与球体表面接触，接触瞬间密封比压很大，随着压力的增加，C点发生了弹性变形，因为此阀座密封面较厚，所以随着弹性变形的增加，密封面产生以C点为圆心转动的趋势，密封比压较大，由于结构的特殊，阀门在开启时与介质的接触面积较小，密封面磨损较小，所以密封面的密封性能较好。    

图6 软密封阀座的三种形式

        五、电气、气动和液动控制原理
        控制系统采用两位两通电磁阀加三联体和气动增压装置结构，连接方法如图7所示。

图7 电气、气动和液动控制原理图
1.电动头微动开关 2.二位电磁阀 3.三联体 4.气体压力调节阀
5.活塞 6.气控液体增压装置 7.固定球阀  

   
        （1）关闭阀门按下按钮QC，再按下按钮SC，接触器KC有信号，触点KC闭合，电动机M转动，阀门开始关闭，阀门微动开关K1、K2闭合，二位电磁阀有信号；二位电磁阀处于P位排气，气控液体增压装置上腔气体压力趋于0；下腔由于弹簧的作用液体趋于负压；球阀U形软阀座缩回到矩形槽中。U形软密封阀座密封面脱离与球体密封面的接触，实现阀门启闭过程中，U形软密封阀座密封面与球体密封面的零接触。球体开始转动关闭阀门直至转到0°，电动机停止转动，阀门关闭；微动开关K2断开，二位电磁阀无信号；在二位电磁阀弹簧的作用下，二位电磁阀N导通，压力气体进入气控液体增压装置的上腔。由于压力的作用，活塞向下移动压缩液体，导致下腔液体的压力增加；在液体压力的作用下，与球体密封面作用形成密封比压而密封。    
        （2）开启阀门按下按钮S0接触器K0有信号，触点K0闭合，电动机M反转，阀门开始开启，阀门微动开关K1、K2闭合二位电磁阀有信号，电磁阀处于P位排气。气控液体增压装置上腔气体压力趋于0，下腔由于弹簧的作用液体趋于负压，U形软密封阀座缩回到矩形槽中，U形软密封阀座密封面脱离与球体密封面的接触；实现阀门启闭过程中，U形软密封阀座密封面与球体密封面的零接触。球体转动开始开启阀门直至90°，电动机停止转动，阀门开启。微动开关K1断开，二位电磁阀无信号；在二位电磁阀弹簧的作用下，二位电磁阀N导通，压力气体进入气控液体增压装置的上腔。由于压力的作用活塞向下移动，压缩液体导致下腔液体的压力增加；在液体压力的作用下，球阀中的U形软密封阀座与球体密封面作用形成密封比压而密封。
        六、结语
        通过观察，铸石球阀组合式密封阀座在现场运行的情况及对用户进行走访，从反馈的信息来看，运行结果显示阀座密封良好，在运行一年多的时间未发生内外泄漏。该阀座密封可靠，铸石球阀结构简单合理，保障了电厂除灰系统长期稳定、安全的运行，满足用户的需要，提高了社会效益。
        参考文献
        [1]陆陪文.实用阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2002