金屬硬密封固定球閥技術(shù)參數(shù)

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    1、概述
    COSMOSWORKS是*整合在SOLIDWORKS中的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng),它提供壓力、頻率、約束、熱量和優(yōu)化分析等,為設(shè)計(jì)人員在SOLIDWORKS的環(huán)境下,提供了比較完整的分析手段。本文以固定球閥的閥座為重點(diǎn)研究對象,因?yàn)樵陂y座的工程設(shè)計(jì)過程中,閥座密封面上總作用力及密封比壓的計(jì)算在實(shí)際設(shè)計(jì)中使用的是經(jīng)驗(yàn)或修正公式,利用現(xiàn)有手段,這兩種參數(shù)不易準(zhǔn)確測出。通過應(yīng)用COSMOSWORKS有限元分析軟件計(jì)算模擬工況下固定球閥的密封比壓,并與理論的計(jì)算公式進(jìn)行對比,為閥門的設(shè)計(jì)提供了相對準(zhǔn)確的參考。
    2、實(shí)體建模
    上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。以DN239mm,PN25MPa的固定球閥設(shè)計(jì)為例。在SOLIDWORKS中首先對固定球閥的各個(gè)零部件進(jìn)行實(shí)體建模,并對各零部件進(jìn)行組裝(圖1)。對裝配體進(jìn)行干涉檢查,得到各零件之間無干涉的裝配體。在火力發(fā)電廠、石油化工系統(tǒng)、煤化工領(lǐng)域的高粘性流體、帶粉塵及固體顆粒狀的混合流體、強(qiáng)腐蝕的流體等介質(zhì)中，固定球閥需要選用金屬硬密封的球閥，所以選用合適的金屬硬密封球閥閥球和閥座的硬化工藝是十分重要的。

常用的硬化工藝主要有以下幾種：

（1）球體表面堆焊硬質(zhì)合金，
硬度可達(dá)30HRC以上，球體表面堆焊硬質(zhì)合金工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，且大面積堆焊易使零件產(chǎn)生變形，目前對球體表面硬化的工藝使用較少。

（2）球體表面鍍硬鉻，
硬度可達(dá)40～55HRC，厚度0.07～0.10mm，鍍鉻層硬度高、耐磨、耐蝕并能保持表面光亮，工藝相對簡單，成本較低。但硬鉻鍍層的硬度在溫度升高時(shí)會(huì)因其內(nèi)應(yīng)力的釋放而迅速降低，其工作溫度不能高于427℃。另外鍍鉻層結(jié)合力低，鍍層易發(fā)生脫落。

（3）球體表面采用等離子氮化，
表面硬度可達(dá)50～55HRC，氮化層厚度0.20～0.40mm，等離子氮化處理硬化工藝由于耐腐蝕性較差，不能在化工強(qiáng)腐蝕等領(lǐng)域使用。

（4）球體表面超音速噴涂（HVOF）工藝，
硬度高可達(dá)60～70HRC，集合強(qiáng)度高，厚度0.3～0.4mm，超音速噴涂是球體表面硬化主要工藝手段。在火力發(fā)電廠、石油化工系統(tǒng)、煤化工領(lǐng)域的高粘性流體；帶粉塵及固體顆粒狀的混合流體、強(qiáng)腐蝕的流體介質(zhì)中大部分使用該硬化工藝。 超音速噴涂工藝是氧燃料燃燒產(chǎn)生高速氣流加速粉末粒子撞擊工件表面，形成致密表面涂層的一種工藝方法。在撞擊過程中，由于粒子的速度較快（500～750m/s）且粒子溫度較低（-3000℃），因此撞擊工件表面后，可以獲得高結(jié)合強(qiáng)度、低空隙率、低氧化物含量的涂層。
        HVOF的特點(diǎn)是合金粉末粒子速度超過音速，甚至是音速的2～3倍，氣流速度是音速的4倍。 HVOF是一種新的加工工藝，噴涂厚度0.3～0.4mm，涂層與工件之間是機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高（77MPa），涂層孔隙率低（＜1%）。該工藝對工件加熱溫度低（＜93℃），工件不變形，可進(jìn)行冷噴涂。噴涂時(shí)，粉末粒子速度高（1370m/s），無熱影響區(qū)，工件的成分和組織無變化，涂層硬度高，可進(jìn)行機(jī)加工。

（5）、噴焊是一種金屬材料表面熱噴涂處理工藝。
它是通過熱源將粉末（金屬粉末、合金粉末、陶瓷粉末均可）加熱到熔融或達(dá)到高塑性狀態(tài)后，依靠氣流將其噴射，沉積到預(yù)先處理過的工件表面上，形成一層與工件表面（基材）結(jié)合牢固的涂（焊）層。 噴焊和堆焊硬化工藝中硬質(zhì)合金與基體均具有熔融過程，硬質(zhì)合金與基體集合處有熱融區(qū)，為*達(dá)到噴焊或堆焊硬質(zhì)合金層性能，避免加工后焊接熱融區(qū)為金屬接觸面，建議噴焊或堆焊硬質(zhì)合金厚度需要大于3mm以上。

圖1球閥實(shí)體建模
 
    3、有限元分析
    3.1、密封機(jī)理
    固定球閥采用進(jìn)口密封(圖2),此時(shí)球閥壓差(P-P1)>0(P、P1為閥前和中腔的流體壓力)。當(dāng)壓差大到一定程度,即在密封副表面造成一定的壓緊比壓時(shí),此比壓將引起閥座彈塑性變形,填塞密封面上的微觀不平度以阻止流體從密封副間通過。當(dāng)壓差較小或閥座采用金屬材料制作時(shí),依靠壓差不能達(dá)到*密封,此時(shí)必須另加一個(gè)密封外力,以加大壓緊比壓。根據(jù)工作壓力計(jì)算密封所需的必需比壓qb的經(jīng)驗(yàn)公式為qb=1.2PN=30MPa。為保證球閥密封可靠,在球體和閥座的接觸表面上應(yīng)有足夠的比壓,但不得超過密封副材料的許用比壓[q]。理論密封比壓q1為
 
圖2球閥密封原理
   q1=Q/S
    式中Q———球閥密封力,N

 
    P———公稱壓力,MPa
    S———閥座密封面的面積(S=7634),mm2
    d2———閥座支撐圈外徑(d2=290),mm
    D2———閥座的外徑(D2=270),mm
    D1———閥座的內(nèi)徑(D1=256),mm
    代入各值,得出q1的值為40.17MPa。
    3.2、有限元計(jì)算
    由于密封比壓的計(jì)算過程僅與球體、閥座和閥座支承圈等零部件有關(guān),所以對其有限元分析模型做了簡化(圖3),這樣不僅節(jié)約了計(jì)算機(jī)資源,而且提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過模擬現(xiàn)實(shí)工況,需計(jì)算得出閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力值Qs。

 
    式中Q1———預(yù)緊力在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上的壓力,MPa
    Q2———公稱壓力在閥座支撐圈與左右體相接觸的面上的壓力,MPa
    S1———閥座支撐圈與左右閥體接觸面的面積(S1=21189.26,可在SOLIDWORKS中直接測得),mm2
    d1———閥座支撐圈的內(nèi)徑(d1=239),mm
    代入各值,得Qs的值為23.01MPa。
    根據(jù)現(xiàn)實(shí)工況,在COSMOSWORKS中建立一個(gè)靜力學(xué)分析算例,并確定約束載荷條件(①固定球體與上閥桿和底蓋相接觸面。②限定閥座和閥座支撐圈只能在軸向上運(yùn)動(dòng)。③將Qs施加在閥座支撐圈與左右閥體相接觸的面上,進(jìn)行網(wǎng)格化。④確定球體和閥座支撐圈的材料為35號(hào)鋼,閥座的材料為奧氏體不銹鋼,密封面間無滑動(dòng)(奧氏體不銹鋼的許用比壓[q]值為150MPa),點(diǎn)擊運(yùn)行,計(jì)算結(jié)果如圖3c所示。

(a)分析模型(b)模型網(wǎng)格化(c)模型計(jì)算結(jié)
圖3有限元分析 
    3.3、提取結(jié)果
    在閥座密封面上等距獲取25個(gè)點(diǎn)(圖4),然后沿X方向依次探測這25個(gè)點(diǎn)的壓力值,再將探測數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中進(jìn)行分析(圖5),得到密封比壓在閥座密封面上呈拋物線分布,其大值處于閥座的內(nèi)徑處,為62.1MPa,小值處于閥座中部,其值為40.16MPa。結(jié)合閥門密封設(shè)計(jì)參數(shù)必須比壓qb(30MPa)和閥座材料的許用比壓[q](150MPa)。密封比壓的值處于qb和[q]之間,滿足了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

圖4在閥座上取點(diǎn)
 

依照上圖，我們可以了解到：

1.閥門采用固定球閥，新穎浮動(dòng)閥座結(jié)構(gòu)形式，密封可靠。 
2.特種材質(zhì)密封，耐高溫，耐磨損，壽命長。
3.上閥軸沒有防脫機(jī)構(gòu)，可以在有介質(zhì)壓力的情況下調(diào)整填料。 
4.閥座的優(yōu)良結(jié)構(gòu)，在閥座支撐面內(nèi)側(cè)加工一道特制耐磨封圈，當(dāng)封圈嚴(yán)重時(shí)磨損時(shí)， 密封福與球體間形成暫時(shí)的金屬對金屬密封圈，閥門填料墊片均采用耐高溫石墨填料。保證閥門在高溫發(fā)生時(shí)無泄漏。

 圖5密封比壓在閥座密封面上沿X方向的壓力分布
    4、結(jié)語
    由于在密封過程中,閥座與球體密封面相對固定,不能運(yùn)動(dòng),故在受到預(yù)緊力和流體壓力后,密封環(huán)的內(nèi)徑軸向相對于中部變形裕量小,受到的擠壓力較大。密封環(huán)的徑向相對于中部變形裕量大,受到的擠壓力也相對較小。另外,雖然球體與閥座接觸,但由于毛細(xì)現(xiàn)象而有流體介質(zhì)存在,當(dāng)球體沿流向有相對運(yùn)動(dòng)時(shí),球體與閥座更加緊密接觸,從密封面邊緣到中部的流體介質(zhì)越來越少,所以密封面邊緣處在介質(zhì)與球體的雙重作用下,受力略大于密封面中部。因此,在密封面上密封比壓呈拋物線分布。在邊緣環(huán)面,由于受預(yù)緊力、介質(zhì)施加力和金屬球體綜合作用,故產(chǎn)生有波動(dòng)的變化曲線,尤其在密封面外徑處影響更大。由于毛細(xì)現(xiàn)象的影響,取密封面中部的密封比壓作為整個(gè)固定球閥的密封比壓是合理的。根據(jù)圖5取得密封面中部的壓力值為40.16MPa,而理論計(jì)算的密封比壓值為40.17MPa。兩者之間的差值為0.01MPa,誤差<3%。可見用有限元計(jì)算得出的固定球閥的密封比壓的值是可信的。而且可以*反映出密封比壓在整個(gè)閥座上的分布情況,從而對整個(gè)閥門的設(shè)計(jì)提供了可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。本文相關(guān)的論文有：中國閥門產(chǎn)值遞增