金属硬密封球阀的开发与应用

1.研究和开发金■硬密封球棚的目的
约占阀门总量8O 以上的用为控制管道介质通断的闸阀、截止阀、球阀、蠊阀、旋塞阀、隔膜阀和柱塞阀等7种阀门中，球阁具有流体阻力小 流向不受限制、启闭迅速和高度低等综合性能较好的优点．但是，由于现有球阀的阀座一般都采用橡胶、尼龙和聚四氟乙烯等高分子合成材料制造，使用温度低于200"C，这就限制了球阀的使用范围，球阀的用量约占阀门总量的3 。而在很多中、高温介质的管道上多采用闸阀和截止阀。虽然闸阀也有结构长度短、流体阻力小，流向不受限制和启闭省力，及截止阀有密封性能好的优点。但是，闸阀有高度高、启闭时间长、闸板容易受介质冲蚀、阀腔中的死角处易结渣和易产生永锤现象，及截止阀有流体阻力大、操作扭矩大、结构长度长和流向受限制等缺点。采用金属硬密封结构来提高球阀的综合性能——使用温度和使用寿命，是化工、石油、电力，冶金、城市集中供热和长输管线等系统的需要，是阀门制造业研究的重要课题。金属硬密封球阀是“八五”期间国家级阀门新产品开发项
目之一，编号为90Z305001。
2．具有代表性的几种金属硬密封球髑蠡言构采用金属硬密封结构是球阀实现高参数的有效方法。在硬密封球阀结构中，金属球体与金属阀座必须贴合得很紧，产生一定的密封比压才能实现密封。而金属球体与金属阀座必须在无摩擦或少摩擦的条件下旋转球体，球阀的操作扭矩才能减小，使用寿命才能延长。因此，金属密封副之同压紧才能密封，松开后出现间隙才能开启}压紧后不能开启，开启时不能压紧。这给金属硬密封球阀的设计和制造带来很大的困难。为了解决这个问题，国内外先后出现了金属弹性阀座密封结构，金属浮动阀座密封结构，凸轮摆动球体单向密封结构，组合球撑开式密封结构等球阀。由于旋转球体时，弹性阀座和浮动阀座与球体之间并束形成间隙，所以摩擦还很大。加之弹性材料在高温时失效，浮动阀座与阀体之间的动配合难密封，弹性槽易结渣，易卡死浮动阀座 这2种结构球阀还存在密封面泄蒲率大，操作扭矩大，寿命低和参数不高等缺陷。凸轮摆动球体结构为单向密封，流向受到限制，加之密封与制造都很困难，所以推广的速度不快。组台球式密封结构球阀是近十几年来研究、开发的蕾i结构，它不但具有普通球阀流体阻力小、流向不受限制、启闭迅速和高度低等优点，而且还具有闸阀启闭省力和截止阀密封可靠的优点。
3．组合球式金属硬密封璩阀结构的工作原理
组合球式金属硬密封球阀从1 983年开始研究，先后有3种形式，获3项专利。开始的组合球是按球体上流通孔方向切开，形成两个半球。在流通孔中间带有球形槽，槽中装有O形弹性圈。O形圈两边与两半球相连，上、下与阀杆和固定轴连接。当阙杆下行，压迫O形圈从圆形变成椭圆形，O形圈撑开两球瓣贴紧阀座，
形成密封，球阀关闭。当阀杆上行，带动O形圈从椭圆形恢复为圆形，收拢两球瓣离开阀座，密封面形帝奄隙，再旋转组合球，球阀开启。后来，为了解决0形圈弹性钢圈刚性差和高温失效问题，将0形弹性锕圈改为四杆机构。诙机构用4根弧形杆相连．组成剐性圆环。两边也与两半球相连，上、下还是与阀杆和固定轴连接，其工作原理和O形弹性圈相同。该结构虽然刚性较好，也适应高温要求，但组台球体积庞大使润体体积增大。到1989年初，又将两半球改为现在的三瓣式组台球结构。该组台球中间为楔球体，两边为球瓣。楔豫体上留有符合通径要求韵流通孔，孔两边具有上宽下窄的斜面，两边球瓣与楔球体以斜面上带出的燕尾槽作配合。当顺时针旋转手轮及同步的闷杆螺母带动和相连的楔球体下行，在楔球体上宽下窄的斜面作用下，迫使两球瓣向两边阅座贴紧，形成较大的密封比压，球阎关闭。当逆时针旋手轮及同步的阀杆螺母，带动阎杆和相连的楔球体上行，在上宽下窄的斜面及燕尾槽的作用下，两球瓣披楔球体收拢，离开两边阀座，使密封面形成问隙．进出口压力基本平衡，三瓣式组合球开始旋转90。，楔球体上流通孔与阀上流通孔完全相通，球阀开启。为了减小操作扭炬，在高压力、高压差的大口径球阀的组合球上还带有自动泄压孔，起加快平衡进出口两端压差的作用。泄压孔横穿撰球体和球瓣中心，与楔球体上流通孔成9O度相交。在楔球体两边斜面与球瓣配合处即楔球体和球瓣上泄压孔相交处，设有相似于楔式闸阀的密封副。当楔球体下行，撑开两边球瓣贴紧两边阀座，球阀阀座密封关闭的同时，楔球体与球瓣上的泄压孔也从相通位置错开，斜面上两边相似于楔式闸阀的密封副也形成密封，球阀的阀座密封副和泄压孔密封副同时密封关闭。当
楔球体上行，收拢两边球瓣离开j圉座，形成间隙，平衡压差的同时，楔球搏与球瓣上的泄压孔也已相通，压差平衡速度加快，这时再旋转组台球，球阀开启，操作扭矩极小。金属硬密封球阀的启闭方式与闸阁和截止阀相似．连续顺时针旋转手轮，球阀关fij。连续逆时针旋转手轮，球阀开启 阀杆最上端还有明显示意球阀启闭到位的标记。

4．三瓣式组合球式硬密封球阀的特点
(1)采用金属硬密封结构，提高了球阀的使用温度，扩大了球阀的使用范围。同时还提高了球阀综合技术参数，使之适应于高参数化的趋势。
(2)采用球面与锥面接触，相似于截止阀的密封形式，密封可靠。用气和水作密封检查泄漏率为零。这是金属硬密封副的阀门和大口径阀门都较难达到的技术参数。
(3)采用相似于闸阀楔式闸板的撰球体斜面省力机构，使球瓣被撑开贴紧阀座关闭时形成可靠的密封 收拢球瓣使之与阀座形成间隙后再旋转组合球，球阎开启，这样，该阀操作省力，可实现无摩攘或少瘁擦。密封面在正常磨损后撰球体可以再下行，使球瓣不断得到用于保证使用性能的撑开量。
(4)采用泄压 L来平衡大口径、高压差球阀进出口两端压差，相当于在闷内装了2个“内通闽 ．而且“内通阀”可随球阀的启闭过程自动启闭，实现平衡压差的功能。解决了大口径、高压差球阀必须安装旁通阀的问题。
(5)这种球阀不但适用于气体或液体单态介质，也适用于气液混合的2态介质和气液浆混合介质
(6)采用组合球结构，可根据球瓣和楔球体和各自功能选择不同材料制造，采用不同的热处理和表面处理方法 可将球瓣和楔球体作分体加工和分体装配，这为阔门的设计制造和减小阀腔安装孔直径带来很大的灵活性。
(7)增加了上密封装置，为球阀的维修带来方便
(8)完全适应于国内外现有球阀的结构长度、连接形式和连接尺寸相关标准。
(9)该阀结构比较复杂，零部件多，增加了制造难度和制造成本。
(10)启闭速度虽然比闸阀和截止阀快，但比普通球阀慢。

5．主要技术参数
公称通径为DN10～ DN500，公称压力(MPa)为PN1．6 ～ PⅣ35(DN ≤ 125)、
PN1．6～ PN10(DN ≤ 500)．适用温度为一40～675℃ ，适用介质为水、气、蒸汽、石油、酸和碱等，密封性能为“0”泄漏，使用寿命为6000次，操作扭矩小于闸阀、截止阀和普通球阀而大。于平板闸阀，驱动方式为手动、齿轮传动、气动、液动、气液联动和电动。

6．开发与应用
1992年8月该阀申请专利，1995年1月获发明专利权(专利名称为高温高压球阀、蝶阀，专利号为ZL92109430．2)。1992年～1993年该阀样品两次在胜利油田试用，效果良好，特别是密封性能．在常温和高温工况泄漏率均为零1994年5月通过省级鉴定，列入省级新产品。l995年产品(DN15～ 200，PN1．6～ l0(MPa)．工作温度为常温～450℃)在胜利油田和南京扬子石化公司等单位使用，性能可靠。1995年5月产品列入上海市科技产业化推广项目 l996年lO月产品获上海市优秀发明选拔赛一等奖。1996年至今，产品在齐鲁石化、金山石化、上海宝钢等单位使用．用户反映良好金属硬密封球阀不但保留了普通球阀的主要优点，还将闸阀和截止阀的主要优点集于一体，既提高了球阀的使用温度，又保证了密封性
能 该阀为大口径、高压、高温、低温和低流阻全径高参数球阀的设计，提供了可靠的结构。
国家拟投巨额资金建设新疆石化基地
据新疆维吾尔自治区计划委员会提供的最新消息，在1996年～2000年间，国家将投入1000多亿元，用于新疆油气资源勘探开发和石油化工基地建设。
新疆塔里术、准噶尔、吐哈三大盆地和另外19个中小型盆地，可供油气勘探的沉积岩面积达92万平方公里，预测石油天然气地质谤量在300亿吨以上，约占中国陆上油气资源总量的三分之一 截至1996年瓿疆已累计发现42个油气田，探明石油储量20多亿吨，探明天然气储量3567亿立方米，其中已经建成的20多个油田，形成了1700万吨原油年产能力。按照中国石油天然气总公司的规划， 九五 期间，国家将投入760亿元的巨额资金，以加快新疆油气资源的勘探开发，使之成
为国家重要的石油天然气生产基地。
据介绍，今后新疆油气勘探的主攻方向，一是摸清塔里木、准噶尔和吐哈三大盆地的油气聚集规律，查明已经发现的75个大型构造的含油气面积和储量规模。二是在焉耆、伊犁、紫窝堡和三塘湖等中小型地开辟探区，寻找新的油气富集构造，争取获得重大突破，五年新增石油探明储量15亿吨 天然气探明储量1500亿立方米。石油天然气开发的重点，是继续采用国内外的先进技术，降低
准噶尔盆地老油田的递减速度，保证原油产量稳中有增 加速开发塔里术和吐哈盆地已经探明的油气资源，逐步提高油气生产能力，形成两个新的主力油气田 规划到本世纪末，新疆原油年产量达到。