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                      金屬密封三偏心球閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用

13種球閥的結(jié)構(gòu)及其密封原理1.1普通球閥普通球閥在全關(guān)、半開和全開［圖1（a）、圖1（b）和圖2（a）］，球和閥座密封面一直接觸，存在摩擦。 1.2雙偏心球閥［見(jiàn)圖2（b）、圖3］ 圖3雙偏心球閥2種工作狀態(tài) （1）
        1 3種球閥的結(jié)構(gòu)及其密封原理
        1.1 普通球閥
        普通球閥在全關(guān)、半開和全開［圖1（a）、圖1（b）和圖2（a）］，球和閥座密封面一直接觸，存在摩擦。

        1.2 雙偏心球閥［見(jiàn)圖2（b）、圖3］

圖3 雙偏心球閥2種工作狀態(tài)

        （1）雙偏心全關(guān)［圖2（b）］。球體回轉(zhuǎn)時(shí)，由于存在a和b偏心距，球體密封面相對(duì)于原幾何中心有一個(gè)偏移，回轉(zhuǎn)中心到閥座密封面的距離因位置不同而不同，出現(xiàn)長(zhǎng)短半徑，即R1≥R2。
        （2）雙偏心開啟［（圖3（a）］。當(dāng)球體旋轉(zhuǎn)開至一定角度時(shí)，因長(zhǎng)短半徑原因產(chǎn)生凸輪效應(yīng)，此時(shí)球體與閥座開始脫離，球體與閥座無(wú)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)。
        （3）雙偏心全開［（圖3（b）］。當(dāng)球體旋轉(zhuǎn)開至90時(shí)，球體與閥座*脫離，球體與閥座無(wú)任何摩擦，球體通道與閥體通道直通。為保證兩個(gè)通道中心重合，要求兩個(gè)偏心相等即a=b。此時(shí)旋轉(zhuǎn)中心到球心連線與通道中心的夾角恰好45°，由此產(chǎn)生了雙偏心球閥的一個(gè)特殊問(wèn)題。由于雙偏心球閥的兩個(gè)偏心考慮結(jié)構(gòu)的需要必須相等，當(dāng)長(zhǎng)半徑R1通過(guò)球心并恰好落在密封球面區(qū)域內(nèi)，此時(shí)R1與密封球面相切，在切點(diǎn)附近就會(huì)出現(xiàn)較大范圍的滑動(dòng)摩擦，使球閥出現(xiàn)局部摩擦加劇，加速磨損。由于球閥*密封區(qū)域一般在R1與通道中心的夾角為45°的位置。雙偏心球閥在試驗(yàn)或使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)在這個(gè)位置出現(xiàn)劃傷。
        1.3 三偏心球閥
        三偏心金屬密封球閥是在雙偏心金屬密封球閥的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)偏心。其結(jié)構(gòu)三維模型見(jiàn)圖4。有球面密封和錐面密封三偏心球閥兩種。

圖4 密封結(jié)構(gòu)三維模型

        球面密封的三偏心球閥的密封環(huán)是一個(gè)球面，這個(gè)球面的球心與雙偏心球閥的球心不重合有個(gè)第三偏心。這個(gè)偏心改變了R1與密封球面的幾何關(guān)系，致使R1即使通過(guò)雙偏心球心也不會(huì)與密封球面相切，這就克服了雙偏心球閥的先天不足。將球面密封圈變?yōu)殄F面密封圈，就可以得到錐面密封的三偏心球閥。
        2 三偏心球閥的優(yōu)勢(shì)
        2.1 與普通的軟密封球閥相比
        （1）可以適應(yīng)于更寬的溫度范圍。軟密封球閥受非金屬密封件的耐溫性影響，不能用于溫度太高的情況。而金屬密封則根據(jù)不同的材料可以使用于600℃甚至更高。
        （2）可以用于更高的壓力范圍。受非金屬材料耐壓能力和在高壓下的穩(wěn)定性限制，非金屬密封的球閥用于CL600或更低的等級(jí)。用于較高壓力等級(jí)時(shí)，非金屬密封件容易失穩(wěn)而導(dǎo)致閥門失效。而金屬硬密封球閥可用于CL2500級(jí)。
        （3）可獲得更長(zhǎng)使用壽命。非金屬材料與金屬材料相比，容易老化。故在使用一段時(shí)間后，因非金屬材料的性能下降而導(dǎo)致閥門密封性能也下降。另一方面，非金屬材料易受損傷。當(dāng)流體中含有固體顆粒時(shí)，非金屬密封件很容易被劃傷，從而導(dǎo)致密封失效或密封性能下降。
        2.2 與普通的金屬硬密封球閥相比
        （1）固定球設(shè)計(jì)。普通球閥是浮動(dòng)球密封，而三偏心球閥全部是固定球設(shè)計(jì)，而且密封比壓通過(guò)自身的扭矩建立，故在如何情況下都是可靠的。
        （2）扭矩密封設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的金屬硬密封固定球球閥，通常都是在閥座后面設(shè)置預(yù)壓縮彈簧，在彈簧的作用下，使閥座與球體密封面接觸并形成密封比壓。如果彈簧剛度偏小，那么形成的密封比壓也比較小，密封效果差；如果彈簧剛度較大，會(huì)加大密封面的磨損，同時(shí)增加開關(guān)力矩；另一方面，彈簧受介質(zhì)溫度的影響，其剛度往往會(huì)隨時(shí)間而改變，因此密封效果也會(huì)隨時(shí)間而改變。而三偏心球閥靠扭矩密封，可形成較大的密封比壓，而且也不會(huì)較大的磨損，同時(shí)也不受溫度和交變載荷的影響。
        （3）單閥座雙向密封性能。在低溫工況下，傳統(tǒng)的金屬硬密封球?yàn)槟軌蜥尫砰y腔中的介質(zhì)，都采取了復(fù)雜的自動(dòng)泄壓機(jī)構(gòu)或采用開孔的方式。前者增加了閥座的復(fù)雜性，后者會(huì)因?yàn)殚_孔而使球閥具有方向性。三偏心球閥采用了單閥座，故不存在閥腔壓力釋放的問(wèn)題。而三偏心結(jié)構(gòu)，使得閥座密封無(wú)論在哪個(gè)方向都具有良好的密封效果，即具有*的雙向密封功能。
        3 三偏心球閥的設(shè)計(jì)
        3.1 承壓部件的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)
        對(duì)承壓部件利用有限元分析進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)，它包括：（1）閥體的強(qiáng)度和剛度分析（圖5）。（2）閥座、密封環(huán)的接觸應(yīng)力和剛度分析（圖6）。（3）閥桿的強(qiáng)度和剛度分析（圖7）。
        3.2 密封圈和閥座密封面的加工
        三偏心球閥，無(wú)論是錐面密封還是球面密封，密封圈的加工是關(guān)鍵，需要的工裝才能進(jìn)行。密封面的加工精度直接影響閥門的zui終性能。

        綜上所述，金屬密封三偏心球閥可以應(yīng)用于：（1）高溫工況（可到600℃）；（2）低溫或超低溫工況（－196℃）；（3）高壓工況（可到CL2500）；（4）臨氫工況；（5）含固體顆粒的工況等。隨著石化及煤化工的發(fā)展，此種閥門的應(yīng)用會(huì)更廣泛。