1 金屬硬密封球閥密封優化改進方案概述

球閥通過啟閉件球體繞閥桿軸線旋轉90°實現閥門的開啟和關閉，在管路上主要用于切斷、分配和改變介質流向。球閥結構簡單、密封性好，并且在一定的公稱尺寸范圍內具有體積小、重量輕、材料消耗少、安裝尺寸小等優點。球閥的驅動力矩小、操作簡單、易實現快速啟閉和遠程控制，是近十幾年來發展最快的閥門品種之一。

根據密封材料劃分，球閥分為非金屬密封球閥和金屬密封球閥。非金屬密封球閥密封副為非金屬材料，容易實現密封，早已成為成熟的產品。金屬密封球閥的密封副為金屬材料，對于溫度和流體介質領域適用范圍更廣，廣泛應用于苛刻工況。金屬材料的密封性較難達到非金屬材料密封的等級，特別是在高壓或高溫工況下，金屬密封球閥球體和閥座的彈性變形無法避免，由于彈性變形導致的密封失效在設計階段難以預判。本文采用有限元模擬分析和流體模擬分析法，以Class2500 NPS2金屬密封固定球閥為例，對金屬密封固定球閥的密封性能機理進行分析，為減少高壓或高溫下球體和閥座的彈性變形提供參考依據。

2 金屬硬密封球閥密封優化改進方案密封原理

固定球閥球體以上下軸或支撐板固定，采用浮動式結構閥座，在彈簧力和介質壓力共同作用下，經過精密研磨的金屬閥座密封面緊貼球面實現密封。

圖1所示為固定球閥閥座密封部位局部放大視圖。閥門處于關閉狀態時，以石墨密封圈或O型密封圈為界將流體截斷，此時閥座受到彈簧預緊力F、流體壓力P產生的介質力G、密封圈摩擦力f以及球體對閥座的反作用力，起密封作用的密封力為向右的合力（F+G-f）。當密封力產生的密封比壓大于密封的必需比壓時則實現密封。1、金屬硬密封球閥采用偏心結構,在關閉過程中,閥座與球冷酷間的密封比壓能迅速增加,從而確保了密封副的可靠密封。當閥門開啟時,閥座與球體能迅速脫離,有效地減小了操作力矩,并使閥座表面與球面之間的控傷可能性降到最小。

2、金屬硬密封浮動球閥(如圖)采用了彈性加載結構,在正常關閉情況下確保了球體密封面與閥座密封之間的接觸,在高溫工況下,能有效補償內件受熱膨脹,避免因高溫而導致的卡阻,適合于中小口徑高溫使用場合。

3、金屬硬密封固定球閥除金屬硬密封偏心球閥的偏心特點外,其它優點在此也具務,此外,它可雙向使用,且不易在中腔沉積污物,根據用戶工況條件,也可在中腔設置排污口。

4、金屬硬密封球閥的球體表面采用特殊硬化處理,閥座整體用特種硬質材料或局部堆焊硬質材料,確保密封副之間的有合適的硬度差。

5、由于球體表面采用特殊的表面硬化處理,閥座采用堆焊硬質合金,所以在閥門的啟閉過程中能很好經受介質沖刷,特別適合于固體顆粒和磨料介質。

6、除球體表面和閥座表面的特殊表面處理外,在其它密封材料方面采用柔性石墨、金屬纏繞式墊片等,故能用于高溫、高壓工況,并具耐火燒功能。

3 金屬硬密封球閥密封優化改進方案 泄露原因分析

通過對密封原理進行分析，總結金屬密封固定球閥泄漏的主要原因。

（1）O型圈或石墨密封圈部位泄漏。

（2）閥座密封面與球面研磨程度不夠，密封副不吻合。

（3）球體不圓或密封面粗糙。

（4）球體、閥座、固定軸強度不足產生塑性變形。

（5）球體與閥座在介質壓力下產生彈性變形導致密封副剝離。

對于前4種泄露原因，一般廠家都有處理經驗，比較容易解決。但是泄露原因（5）不易發現，尤其是在高壓或高溫工況下，進行低壓氣體密封試驗[9]時效果良好，壓力越高泄漏量越大，但是當壓力卸除后球體與閥座又恢復至初始形態，檢測球體圓度和密封面吻合度都合格。此種情況通常先推測閥座背面O型圈或石墨圈泄漏，往往忽略了高壓或高溫下球體與閥座都發生了不同步的彈性變形，從而導致密封面剝離的情況。而彈性變形復雜，不同部位變形量不同，無法直接計算，一般需要借助計算機有限元模擬加以分析驗證。以NPS2-CL2500金屬密封固定球閥為例進行分析，主要參數如下[10]：

球體材質  F304+NI60

閥座材質  F304+NI55

球體直徑  Sφ90mm

流道直徑  φ42mm

密封面內徑  φ54mm

密封面外徑  φ62mm

閥座受介質作用力外徑  φ68mm

閥座小臺階外徑  φ58.6mm

閥座大臺階外徑  φ88mm

彈簧力  1100N

金屬硬密封球閥密封優化改進方案主要技術參數及執行標準:

4金屬硬密封球閥密封優化改進方案 密封性有限元分析

利用計算機可以模擬工件的實際受力情況，對其位移、應力、應變進行分析，常用的分析方法有計算機有限元模擬分析和流體模擬分析，分別利用兩種分析方法對球體與閥座的彈性變形進行研。

4.1  有限元模擬分析法

4.1.1  簡化模型

在進行有限元分析前，首先根據應力及變形的特點對模型進行簡化。

（1）閥體的剛度很大，變形量甚微，省略閥體結構分析。

（2）球體由上、下軸進行固定，假定上、下軸剛度足夠大，省略上、下軸的結構。

（3）彈簧、O型圈和石墨密封圈對球體與閥座的接觸無影響，可以省略。

簡化后的模型如圖2所示。由于球體處于固定狀態，可以單獨進行分析，但閥座是浮動狀態，不適合單獨進行分析，球體與閥座組合分析更接近實際情況，因此分別對球體以及球體與閥座組件進行分析。

4.1.2  球體靜態分析

（1）建立新算例，選擇靜應力分析。

（2）網格劃分，選擇基于曲率的網格，用可變化的單元大小來生成網格，有利于細小特征處獲得精確的結果。網格密度采用較高等級，求解結果更精確，但是網格劃分和求解時間較長，對電腦配置要求也較高。本示例模型尺寸較小，所以采用高精度網格，對于大規格模型建議采用軟件默認的中等密度網格。

（3）應用材料，球體基體材料設置為A182 F304。

（4）添加載荷，所有與介質接觸部位添加壓強42MPa。

（5）添加夾具，夾具設置為以上下軸孔承壓面固定，符合實際情況。

球體靜態分析結果如圖3所示。從分析結果可以看出，上軸孔位置應力集中，應力超過屈服強度，球面應力小，產生彈性變形，且變形不均勻，變形發生在水平球口位置，變形量約為0.01805mm。

4.1.3  球體、閥座組合靜態分析

（1）建立新算例，選擇靜應力分析。

（2）網格劃分規則與球體靜態分析相同。

（3）應用材料，球體與閥座基體材料設置為A182 F304，忽略密封副涂層。

（4）設置連接，選擇密封副設置全局接觸，無穿透，摩擦系數為0.25。

（5）添加載荷，所有與介質接觸部位添加壓強42MPA，閥座添加彈簧力1100N。

（6）添加夾具方式與球體靜態分析相同。

球體、閥座組合分析結果如圖4所示。從圖中可以看出，球體上軸孔位置應力集中，應力超過屈服強度；球面應力小，產生彈性變形，并且變形不均勻；水平球口位置變形量為0.02116~0.02151mm，上、下位置變形量為0.01155~0.01639mm；閥座承受應力未超過屈服強度，同樣產生彈性變形；密封面水平位置變形量為0.03571~0.03635mm，上、下位置變形量為0.02973~0.04044mm；閥座彈性變形可以彌補球體的彈性變形以實現密封。

4.2  流體模擬分析法

流體模擬分析是以流體載荷加載對工件進行分析，必須要以球體、閥座組合，才能形成一個可容納流體的空間。

（1）設置向導，將介質設置為水或者氣體，并設置密度等參數。

（2）創建封蓋，形成一個密閉空間。

（3）設定邊界條件，設置介質壓力大小及方向。

（4）設置目標。

（5）運行。

（6）將結果導出到Simulation。

（7）新建Simulation應力分析。

（8）設置材料。

（9）設置自動查找相接觸面組。

（10）夾具設置同球體靜態分析。

（11）添加載荷，選擇保存的流動效應。

流體模擬分析結果如圖5所示。球體上軸孔位置應力集中，應力超過屈服強度；球面應力小，產生彈性變形，并且變形不均勻；水平球口位置變形量為0.01273~0.01281mm，上下位置變形量為0.00912~0.00974mm；閥座承受應力未超過屈服強度，同樣產生彈性變形，密封面水平位置變形量為0.02218~0.02284mm，上下位置變形量為0.01991~0.02408mm；閥座彈性變形可以彌補球體的彈性變形以實現密封。

金屬硬密封球閥是我公司開發的高性能閥門。閥座采用板簧加載的金屬密封結構,在高溫下啟閉輕松。球體及閥座采用特殊硬化處理,密封面不擦傷。球閥具有雙向密封功能,大小口徑均采用固定球結構(DN15~700mm)。
用途:
   金屬硬密封球閥適用于Class150~1500、PN1.6~16.0MPa,工作溫度-29~425℃(碳鋼)或-40~550℃(不銹鋼)的各種管路上,用于截斷或接通管路中的介質,選用不同的材質,可分別適用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氧化性介質、尿素、氨鹽水、中和水等多種介質。  

5 金屬硬密封球閥密封優化改進方案結語

本文采用有限元模擬分析和流體模擬分析法，分別對金屬密封固定球閥的球體以及球體與閥座組件進行分析，由于參數設置不同，分析結果有細微差別，但是分析結果趨勢一致。針對高低溫工況下，由于彈性變形所導致的泄漏，可以通過本文的方法得到一定的分析驗證，為優化設計和工藝提供參考