双偏心柔性密封球阀及其在化工中的应用

张强，周炜，赵莹，杨娟

双偏心柔性密封球阀及其在化工中的应用

张强，周炜，赵莹，杨娟

（北京航天动力研究所，北京 100076）

介绍了双偏心柔性密封球阀的工作原理和结构特点,阐述了该阀的诸多性能优势，如流通能力强、启闭速度快、扭矩式密封、欠缝自补偿、摩擦阻力小、阀门寿命长等。通过选择不同密封材料，适用于低中高温及含有固体颗粒等较为苛刻的介质工况。当前，双偏心柔性密封球阀已在化工过程中一些新装置建设和老装置改造中取代了一部分闸阀而得到应用，效果良好。

关双偏心；柔性密封；球阀；化工；应用

化工过程中大量使用着各种类型的阀门,其中球阀最为普遍。化工技术的不断发展使得对球阀特别是高温、高压恶劣工况球阀的需求量越来越大,要求阀门具备较强的耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能。传统球阀在应用中存在着诸如磨损严重,操作力矩大,密封面结垢、温度变化导致密封不良、寿命短等问题。而双偏心柔性密封球阀的出现很好地解决了上述问题，采用双偏心结构和柔性密封结构，能够实现快速启闭，大幅消除启闭过程中球面与阀座密封面的摩擦刮蹭，同时能够有效地补偿温度变化带来的变形影响，从而获得良好的密封效果[1]。本文主要就双偏心柔性密封球阀的原理、特点及应用作一介绍。

1 工作原理

双偏心柔性密封球阀主要由阀体、阀杆、球体、柔性密封阀座以及执行机构组成，结构简图参见图1。而柔性密封阀座又由对接法兰、弹簧、波纹管、密封基体和密封材料组成，结构简图参见图2。阀门由手动或气动执行机构控制打开和关闭。当阀门关闭时，阀座弹簧的预紧力使球阀保持在常闭位置，此时在波纹管弹性力、阀座并联弹簧力和入口介质力的联合作用下阀座和球体之间实现密封。当阀门需要打开时，由执行机构驱动球体转动，由于转动轴和球体几何轴线存在两个方向上的偏心，即流道轴向和与流道轴线垂直的球体径向，因此在一定的初始转动角度内（10°），球体能够迅速脱离阀座，随着转动角度增大，球体转动和阀座之间无接触摩擦，可极大地减轻球体和阀座密封面的磨损，球体转角90°（全开）限位是通过执行机构来实现，整个阀门的开启过程见图3。

当阀门再需要关闭时，球体向关闭位置转动，开始转过的大部分角度内球体和阀座之间均无接触摩擦，转动的最后角度内（80°～90°），球体迅速楔入阀座，直至楔紧，转动结束后，阀座压实球体实现关闭密封。

图1 双偏心柔性密封球阀结构简图

图2 柔性密封阀座结构简图

2 结构特点

2.1 双偏心结构

阀门的球体与阀杆采用双偏心结构设计, 即阀杆转动中心与球体的几何中心存在径向偏心量E和轴向偏心量e，具体形式如图3所示。

图3 阀门开启过程

打开和关闭过程中，球体与阀座能够在很小的角度内实现迅速脱离和楔合，有效地减少阀座密封面与球体密封面的摩擦，偏心结构仅仅需克服球体与阀座在启闭瞬间的摩擦阻力，并且阀杆只作90°回转,启闭迅速轻便。采用这种结构形式，密封面的磨损极小, 密封副的可靠性得到了保证, 阀门摩擦阻力矩大大降低，阀门的寿命也得到了提高。当阀门全开时，球体藏入阀体内腔，让出流道空间，保证了流道的通畅性[2]。

图4 球体三维模装图

在双偏心柔性密封球阀的结构中，在满足一定的强度和刚度前提下，为减轻球体重量，仅保留约1/4空心球壳，转动惯量大大减小，可减轻对其他结构件的转动冲击[3]。球壳结构如图4所示。

2.2 柔性密封阀座

在柔性密封阀座的设计中，考虑到工作温度的变化及装配对中性的误差，为了保证全工况下阀门能够具有较好的密封性，采用波纹管弹性补偿式动密封阀座，结构简单，可靠性高，具体形式见图2。

阀座的密封比压主要是由弹簧力提供，当球面楔入阀座时，弹簧受到挤压发生弹性变形，变形量的大小决定了施加在密封面上的密封比压，密封比压的设计视阀门使用需求而定；波纹管发生弹性变形所能提供的密封比压较小，其主要作用是实现动密封功能，同时有效地补偿温度变化对密封性能所造成的影响，针对较大体积的阀门而言，装配误差往往较大，球面和阀座的装配对中性较差，采用波纹管结构具有容差弹性自找正功能，促使阀座紧紧贴合在球面上，弥补装配误差对密封性能的影响。

值得一提的是，该柔性密封阀座的密封材料可以根据阀门输送介质进行多种选择，覆盖面广，基于TRIZ设计理论，阀座可方便拆卸、维修、更换。针对低温和常温介质，如水、液氮、液氧、液化天然气（LNG）等，在密封基体上可以选择嵌入的密封材料是聚四氟乙烯，其化学性能稳定，不溶解或溶胀于任何已知溶剂，具有极低的摩擦系数、优异的自润滑性、介质相容性、阻燃性和耐老化性，在常温至较低的温度范围内能够保持足够的变形能力，并且具有一定的机械强度。针对中高温、“气-液”混合、“固-液”混合等条件苛刻的介质，如污水、工业废水、蒸汽、纸浆、矿浆、焦炉煤气、水煤气和天然气等，密封基体堆焊Cr-Mn-Si合金，经特殊热处理和精加工等工艺，密封副表面硬度≥55HRC，能承受560 ℃高温，具备较好的防腐蚀、耐磨损、耐高温、防爆和防静电功能，是工业管道用阀的理想选择[4]。

3 双偏心柔性密封球阀的优缺点[5-6]

3.1 流通性能

球阀若采用整球作为阀芯，那么在阀门关闭后,双向密封副与阀腔构成的“死区”内液体介质容易气化，进而造成“死区”积气，严重影响阀门的使用安全和寿命，甚至是影响管路内介质的输送。而1/4球壳设计属于单向密封,阀门前后的介质都在管道中,无“死区”，亦不会造成气化积气。阀门全开后，球壳直接转入阀壳腔内，入口出口直通，流道无遮挡，因此介质流经阀门时压力降很小,流通能力大,与其它阀门相比在同口径的条件下该阀额定流量系数(K)比其它任何一种阀门都要大, 所以在相同流量情况下, 该阀门的通径较其它阀门小得多。双偏心柔性密封球阀的K值见表1。

3.2 扭矩式密封

传统的固定球球阀，通常都是在阀座后面设置预压缩弹簧等弹性元件，在弹性元件的作用下，使阀座与球体密封面接触并形成密封比压。

表1 双偏心柔性密封球阀的Kv值

如果弹簧刚度偏小，那么形成的密封比压也比较小，密封效果差；如果弹簧刚度较大，会加大密封面的磨损，同时增加开关力矩；另一方面，弹性元件受介质温度的影响，其刚度往往会随时间而改变，因此密封效果也会随时间而改变。而双偏心柔性密封球阀依靠扭矩密封，利用凸轮效应的楔紧原理形成较大的密封比压，所用扭矩越大,阀座的密封性能越好；同时密封副是在同一平面内的球形环状密封,因此整个阀门的密封性能极好,能满足国家标准GB/T13927及美国标准API598的要求。当阀座后的弹性支撑元件因温度或长期作业而无法提供足够的预紧力，出现密封副欠缝时，可将阀门关闭角度增加一个超转量，补偿密封副欠缝,保持密封面的压紧位置,达到密封不变的效果。

3.3 摩擦阻力小、阀门寿命长

传统球阀开关过程中,球面与阀座始终贴合,开关操作力大而沉重。双偏心柔性密封球阀只在开启与关闭的瞬间密封面接触产生启闭的操作力，一旦转动之后,密封面因偏心作用而脱离开无任何接触，球面与阀座的摩擦阻力瞬间消失，操作力仅是传动机构的摩擦力,阀门密封副得到了很好的保护，磨损量大大减小，同时根据不同的使用工况选择不同的密封材料，可以使阀门的使用寿命得到充分利用。

例如,在催化裂化装置的催化剂加料管道上若安装一台普通金属硬密封球阀, 使用1年即报废,而更换一台双偏心柔性密封球阀(密封面堆焊合金并喷涂碳化钨层), 使用2年多仍完好, 其寿命较前者明显提高。

3.4 普遍存在的缺点

双偏心柔性密封球阀的结构尺寸与闸阀和蝶阀相比稍微大一点,重量也大一些,同时受到波纹管技术（其尺寸和承压能力均需控制在一定范围）和薄壁球壳制造工艺（尺寸过大不易加工）的限制，阀门口径和介质压力不能过大,承压范围不能完全取代闸阀与蝶阀，但它仍作为一种工况覆盖面宽的开关阀而被广泛采用。

4 双偏心柔性密封球阀的应用[7-8]

双偏心半球阀适合各类通用行业的要求用阀。密封材料选用聚四氟乙烯等非金属材料，可广泛用于水、液氮、液氧、液化天然气（LNG）等介质的工业管路上。密封材料选用硬质合金,密封副(球体、阀座)和阀体流道经过碳化钨等特殊工艺处理,则具有更为良好的耐磨性,使用寿命更长。其球体与阀座瞬间脱离及瞬间压紧特性, 使得球体与阀座有挤切作用能除去密封面上的结垢与粘连物,能保证密封严紧可靠，特别适合介质中含有固体颗粒的苛刻工况,可广泛用于石油化工、电力、冶金等行业的各种工艺管道上。例如在炼油厂延迟焦化装置上就有以下一些应用:

①应用在分馏塔顶空气冷却器的出入口和气压机入口管道上；

②用作塔底紧急切断阀当发生火灾时快速切断与火源的联系；

③用在焦化分馏塔底循环油过滤器前后的管道上。若在此处采用闸阀, 循环油内的焦粉将进入阀体楔形密封槽内而使阀门很难关严, 在过滤器切换、检修时容易产生火灾。

在中国石油天然气股份有限公司吉林石化分公司有机硅车间,输送硅粉的管道上采用了这种阀门取代进口产品,收到了良好的效果,其寿命比进口的球阀高出许多倍。在该公司的催化裂化装置的催化剂加装料管上安装了一个双偏心柔性密封球阀（金属密封材料）,其使用寿命高出闸阀许多倍。此外该球阀在管系振动的场合使用,比用其它任何种类的阀都要好, 可靠性较高。

4 结束语

双偏心柔性密封球阀采用球体/阀杆双偏心结构设计，实现了快速启闭，大幅消除启闭过程中球面与阀座的摩擦刮蹭，采用扭矩式偏心压紧密封保证了阀门具有良好的密封性能，同时利用波纹管柔性密封阀座能够补偿温度变化和装配误差对密封性能的影响，实现了阀门长期可靠工作。该阀门适用于气、液、气-固、液-固等多相介质流，已经在石油、化工、冶金、电力等行业得到了广泛应用，是一种新型、密封可靠、使用寿命长的耐用球阀。随着化工技术的不断发展，双偏心柔性密封球阀的设计和使用也将会不断进步。

［1］王春，张清慈．弹性金属硬密封偏心半球阀的设计[J]. 阀门，2012（2）：10-11.

［2］蔺荣春，苏金源．耐用双偏心球阀[J]. 阀门，2004（6）：21-22．

［3］郭凤忠．双偏心半球阀[J]. 阀门，2010 (2)：42-43．

［4］刘艳玲.偏心旋转式概念阀的设计[J]. 阀门，2008（6）：6-10.

［5］杨淑平，王喜庭．BQ型双偏心半球阀设计[J]. 阀门，2004 (4)：21-23．

［6］张宝江．金属密封三偏心球阀结构特点及应用[J]. 石油化工设计，2011，28 (3)：29-30．

［7］谢豫东，赵紫光．双偏心式半球阀在燃气管道上的应用[J]. 煤气与热力，2000，20 (5)：398-399．

［8］方长生．偏心金属硬密封球阀及其在炼油装置中的应用[J].炼油技术与工程，2004，34（9）：42-44．

Double-eccentric Soft Seal Ball Valve and Its Application in Chemical Engineering

,,,

（Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China）

Operating principle and structural features of double-eccentric soft seal ball valve were introduced. Lots of performance advantages were also presented, such as big flow-capacity, quick opening or closing, torque seal, gap compensation, small frictional resistance, long-life and so on. Different seal materials could be chosen to adapt to low/middle/high temperature medium with solid phase particles. Currently, double-eccentric soft seal ball valve had been applied instead of gate valve in new device construction and old device modification during chemical process, which achieved good results.

double-eccentric; soft seal; ball valve; chemical engineering; application

TQ 051

A

1004-0935（2017）10-1018-04

2017-07-25

张强（1986-），男，工程师，硕士，辽宁省盘锦市人，2012年毕业于北京化工大学流体机械及工程专业，研究方向：通用流体机械。