超高压平衡式空气截止阀设计特点研究

姜 磊 赵金洲 王 倩 陆文权 艾青青

（江南造船（集团）有限责任公司 上海201913）

超高压平衡式空气截止阀设计特点研究

姜 磊 赵金洲 王 倩 陆文权 艾青青

（江南造船（集团）有限责任公司 上海201913）

传统的高压空气截止阀存在关闭力矩大、密封可靠性差等缺点，其结构形式无法满足超高压空气系统的要求；而平衡式阀件结构新颖，具有良好操作性和可靠性，较传统阀件有明显的优势。文中介绍了超高压平衡式空气截止阀的结构与原理，通过对传统高压空气截止阀与超高压平衡式空气截止阀的启闭受力分析和密封形式比较，来说明平衡式截止阀的先进性，并对其发展方向提出建议。

超高压；平衡式；空气截止阀；受力分析；密封形式

引 言

随着船舶高压空气储能需求的升高，高压空气截止阀的压力等级也相应提高。然而，传统高压空气截止阀（压力等级为25 MPa，以下简称“传统阀件”）在使用性能方面存在关闭力矩大、密封可靠性差等缺点，其结构形式无法满足超高压空气系统的要求。目前，国内外已成功研制出新型超高压平衡式空气截止阀（压力等级为40 MPa，以下简称平衡式阀件），并在某型船上成功应用，其性能优于传统的高压空气截止阀。本文通过对传统阀件与平衡式阀件的比较，阐述了平衡式阀件的工作原理及其优点。

1 平衡式阀件结构与原理

1.1 结构与组成

平衡式截止阀的结构如图1所示，主要由阀体、阀盖、阀杆、衬套组成。阀体、阀盖可选用力学性能和耐腐蚀性能较好的镍黄铜HNi56-3、双相不锈钢HDR等材料；阀杆可选用铝青铜QAl10-3-1.5、马氏体沉淀硬化型不锈钢17-4PH等材料［1］。

图1 平衡式截止阀结构

1.2 工作原理

如图1所示，平衡式阀件工作原理为：通过转动手轮，带动上阀杆转动，上阀杆带动套筒上下移动，套筒带动下阀杆上下移动，从而实现阀件的开启和关闭。与传统阀件不同的是，平衡式阀件增加了一个平衡腔，在阀件关闭过程中，介质经下阀杆上的引流孔进入平衡腔，形成作用于小衬套上表面的压力，抵消了介质对下阀杆底部的作用力，大大减小了阀件开启或关闭所需的操作力矩，增强了阀件的可操作性，同时也减小了关闭状态下作用在阀杆上的介质附加阻力，增强密封的可靠性。

2 阀杆受力分析比较

2.1 平衡式阀件受力分析

2.1.1 下口受压时阀杆受力分析

图2为压力P的介质从下口进入，在阀门刚关闭时，介质对阀杆产生的轴向附加阻力受力分析，计算公式为：

式中：F1为介质作用在下阀杆下表面的力，N；F2为介质作用在平衡腔小衬套上表面上的力，N；D1为密封面的外径，mm；D3为小衬套的外径，mm；D4为小衬套的内径，mm；P为介质的压强，MPa。

由图2可知，截止阀刚关闭时，介质通过平衡腔作用在阀杆上向下的力为F2，向上的力为F1。关闭阀件需要克服来自介质的作用力为F1-F2，决定其大小的因素为：密封面的外径D1、小衬套的外径D3、小衬套的内径D4。由式（3）可以看出，当越小时，介质对阀门关闭产生的阻力就越小。

2.1.2 侧口受压时阀杆受力分析

图3为压力P的介质从侧口进入，在阀门刚开启时，介质对阀杆产生的轴向附加阻力受力分析，计算公式如下：

式中：F1为下阀杆下表面所受的力，N；F2为下阀杆上表面所受的力，N；D1为密封面的外径，mm；D2为下阀杆的外径，mm；P为介质的压强，MPa。

图3 侧口受压时阀杆受力分析

由图3可知，介质作用在阀杆上向下的力为F2，向上的力为F1。开启阀件需要克服来自介质的作用力为F1-F2（正值：方向向上，负值：方向向下），而决定其大小的因素为：密封面的外径D1与下阀杆的外径D2。由式（4）可以看出，D22-D12越小，介质对阀门开启产生的阻力就越小；当D1等于D2、阀门开启时，来自介质的附加阻力就可以完全消除。

2.2 传统阀件受力分析

图4为CB589-95的传统型高压空气截止阀［2］，设计压力为25 MPa。从受力分析可以看出，关闭阀件需要克服由介质产生的轴向力。通过与平衡式阀件的比较可以看出，由于没有平衡式结构，介质产生的附加力完全作用于阀杆上。

图4 传统阀件受力分析

3 密封形式

3.1 平衡式阀件与传统阀件密封比压比较

表1 不同材料密封比压计算公式

式中：q为计算的实际比压 ，MPa；qMF为密封面必须比压 ，MPa；bm为密封面宽度，mm；PN为介质工作压力 ，MPa。

由表1所列的计算公式可以看出：对于同种材料，介质压强越大，密封面宽度越窄，所需的必须密封比压越大；对于不同材料，材料硬度越小，所需的密封比压越小。

平衡式阀件密封面材料为聚酰亚胺，由于与聚四氟乙烯一样同为高分子材料且性能相近，其密封比压公式可参照表1中序号3；传统阀件密封面材料为铝青铜QAl10-3-1.5，其密封比压公式按照表1中序号1。同样由表1可以看出，相同介质工作压力下，同样宽度的密封面，聚酰亚胺的必须比压为，明显小于铝青铜密封的必须比压

3.2 传统阀件与平衡式阀件密封形式比较

3.2.1 传统阀件

由图4可以看出，传统阀件的密封采用旋压式硬密封，对于高压空气介质来说，旋压式硬密封有以下缺点：

（1）对密封材料要求高：由于介质压强大，需要的密封比压就大，硬度低的材料无法满足密封比压要求，但是硬度高的金属所需要的拧紧力就大。

（2）可靠性差：硬密封是通过阀头与阀体压紧形成密封，由于密封压紧力大，因此硬度低的一方很容易磨损。

（3）对介质清洁度要求高：介质中如果含有固体颗粒等杂质，会在高速气流的带动下对密封面产生撞击，造成密封面的损伤；如果杂质粘附在密封面上，很容易造成阀件渗漏或密封失效。

3.2.2 平衡式阀件

由图1可见，平衡式阀件采用线性平面软密封结构，下阀杆的密封面由聚酰亚胺直接浇注然后精加工而成，相对于传统的旋压式硬密封有以下优点：

（1）密封面材料性能好。聚酰亚胺具有强度高，耐磨性能好、耐压性能好等优点，且在高温和真空下稳定、挥发物少，不溶于有机溶剂和不受酸的侵蚀等优点，各项物理性能均衡，综合性能突出。

（2）可靠性高。具有较好的耐磨性能，且所需密封比压较硬密封小，这就极大地降低了密封面的磨损，保证了密封的可靠性。

（3）对介质清洁度要求较低。由于聚酰亚胺具有很好的弹性形变能力，这就使得其对介质中的固体颗粒等杂质不太敏感，即使粘附在密封面的固体颗粒太大，也仅会出现轻微渗漏，降低使用效率，不会因此引起密封失效。

3.3 平衡式阀件阀杆密封设计

平衡式阀件的阀杆密封采用O形圈密封，O形圈及其安装沟槽的设计为常规设计，其具体尺寸可以从相关标准中直接查出。以GB3452的O形圈［4］为例，首先根据GB3452.1，由阀杆直径和衬套直径选取O形密封圈内径和横截面直径，然后根据确定的O形圈的内径和横截面直径从GB3452.3中查出O形圈相应沟槽［5］的设计尺寸。

4 实例分析

由第2节的阀杆受力分析可以看出，平衡式阀件能否消除介质产生的附加轴向力，其关键在于密封面的外径、小衬套的外径、内径以及阀杆直径的合理匹配，设计过程中如果没有根据阀杆受力情况对这些尺寸进行匹配计算，只对阀杆强度进行计算校核，可能还是会造成操作力矩过大，从而影响阀件正常使用。下面举两个设计中因忽略上述尺寸匹配而造成设计失误的实例：

4.1 设计实例1

密封面外径D1=38 mm，小衬套外径D3=42 mm，小衬套内径D4=25 mm，螺杆为Tr22×5（查实用阀门设计手册可知：当温度为120℃，铬不锈钢-青铜的干摩擦系数为0.30时， Tr22×5螺纹的关闭摩擦半径RFM=0.381 cm［3］），介质压力P=40 MPa。

由公式（3）可知，压力为P的介质从下口进入。在阀门刚关闭时，介质对阀杆产生的轴向附加阻力为：F1-F2=×［0.0382-(0.0422-0.0252)］×40×106= 9 581.86 N；转化为阀杆螺纹摩擦力矩［3］为：MFL= QFZ×RFM= 9 581.86×0.003 81= 36.5。

而经过计算修正以后的尺寸为：密封面外径D1=38 mm，小衬套外径D3=42 mm，小衬套内径D4=17.9 mm；此时阀件关闭时介质产生的附加力矩为F1-F2=×［0.0382-(0.0422-0.017 92)］×40×106=12.88 N；转化为阀杆螺纹摩擦力矩为：基本上可以忽略不计。目前该阀件已经通过各项试验，并装船使用，阀门的关闭力矩约为25

4.2 设计实例2

密封面外径D1=38 mm，阀杆直径D2=20 mm， 螺杆为Tr 22×5（当温度为120℃，铬不锈钢-青铜的干摩擦系数为0.30时，Tr 22×5螺纹的开启摩擦半径RFM=0.208 cm［3］），介质压力P=40 MPa。

由式（4）可知，压力为P的介质从侧口进入，在阀门刚开启时，介质对阀杆产生的轴向附加阻力为方向向下，转化为阀杆螺纹摩擦力矩为：

经过计算修正以后的尺寸为：密封面外径D1=38 mm，阀杆直径D2=38 mm。此时，阀件开启时介质产生的阻力为：介质附加力矩可以完全消除。目前该阀件已经通过各项试验，并装船使用，阀门的开启力矩约为25

以通径DN32的高压阀件在选用标准手轮情况下，一般要求操作力矩不超过35。由上面两个设计失误的例子可以看出，由于设计尺寸不匹配而产生的介质附加操作力矩已经超出人力可操作范围，若采用机械方式开启，很有可能损坏传动部件或密封面。此时，在不改变其他尺寸参数的情况下，只需对小衬套内外径和阀杆的直径进行匹配修正，就可以达到消除介质附加力矩的目的。由此可见，密封面的外径、小衬套的外径、内径以及阀杆直径的合理匹配举足轻重，其匹配校核在超高压平衡式空气截止阀设计中必不可少。

5 发展方向

平衡式阀件较之于传统阀件，性能已大幅提高且优点突出，然而有些方面尚待完善，比如密封材料选用聚酰亚胺，常温下虽然密封效果很好，但是由于属于工程塑料，因此防火性能不够理想。

高压空气系统是船舶上最重要的系统之一，特别对于某些船舶，高压空气系统可以称为生命系统，关键时刻一旦瘫痪，可能会引起重大事故，影响整个船舶的安全。因此，平衡式阀件应考虑增强密封材料的耐火性能，万一火灾发生后，保证阀件的密封效率不低于一定的值，以确保满足高压空气系统的最低运行要求，避免发生因阀件密封失效引起的高压空气系统的瘫痪。

此外，平衡式阀件下阀杆的密封面由聚酰亚胺直接浇注而成，无法单独更换。一旦密封面磨损严重，需更换整个下阀杆，成本较高。因此，可以考虑聚酰亚胺密封面独立安装。当密封面磨损严重时，只需更换聚酰亚胺密封面，维修方便且节约成本。

6 结 论

平衡式阀件结构新颖，具有良好的操作性和可靠性，较传统阀件有明显优势，在实船应用中反响良好。在设计过程中，增加关键尺寸的匹配校核，便可有效地消除介质附加阻力。该设计思路可以推广应用到其他高压阀件上，为高压阀件的结构形式提供了一种新的理念和参考，有助于推动高压阀件整体技术的进步。

［1］ 曾正明.机械工程材料手册 金属材料［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］ 中国船舶总公司第七○四研究所. CB589-95.带有安装板高压空气直角截止阀规范［S］. 1995.

［3］ 陆培文.阀门设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［4］ 化学工业部西北橡胶工业制品研究所. GB3452.1-92.液压气动用O形橡胶密封圈 尺寸系列及公差［S］. 1992.

［5］ 中国农业机械化科学研究院液压研究所.GB/T3452.3-2005.液压气动用O形橡胶密封圈 沟槽尺寸 ［S］. 2005.

［6］ 李银涛.全压式LPGC液货舱安全阀选型［J］.船舶，2010（6）：23-28.

［7］ 郑志敏，施健，张嘉慧.阀门遥控系统的探讨［J］.船舶，2011（5）：50-54.

Research of design characteristic of the balance stop valve with hyperpressure air

JIANG Lei ZHAO Jin-zhou WANG Qian LU Wen-quan AI Qing-qing
(Jiangnan Shipyard (group). Co., Ltd. Shanghai 201913, China)

Structure of traditional air stop valve cannot meet the requirements of hyperpressure air system due to its drawbacks of great close moment, poor sealing reliability, etc. However, a balance valve has obvious advantages of original structure, great maneuverability and high reliability. This paper introduces the structure and principle of the balance stop valve with hyperpressure air, and illustrates its advantages by comparison of open and close force analysis and sealing style between the traditional air stop valve and the balance stop valve with hyperpressure air. It also gives advices for the development of the balance stop valve with hyperpressure air.

hyperpressure ; balance; air stop valve; force analysis; sealing style

U664.84+2

A

1001-9855（2014）03-0061-05

2013-12-02 ；

2013-12-25

姜 磊（1983-），男，工程师，主要从事船舶系统详细设计工作。

赵金洲（1978-），男，高级工程师，主要从事船舶系统详细设计及审核工作。

王 倩（1973-），女，工程师，主要从事船舶系统详细设计工作。

陆文权（1984-），男，工程师，主要从事船舶系统详细设计工作。

艾青青（1983-），男，工程师，主要从事船舶系统详细设计工作。