1 金属硬密封球阀密封优化改进方案概述

球阀通过启闭件球体绕阀杆轴线旋转90°实现阀门的开启和关闭，在管路上主要用于切断、分配和改变介质流向。球阀结构简单、密封性好，并且在一定的公称尺寸范围内具有体积小、重量轻、材料消耗少、安装尺寸小等优点。球阀的驱动力矩小、操作简单、易实现快速启闭和远程控制，是近十几年来发展最快的阀门品种之一。

根据密封材料划分，球阀分为非金属密封球阀和金属密封球阀。非金属密封球阀密封副为非金属材料，容易实现密封，早已成为成熟的产品。金属密封球阀的密封副为金属材料，对于温度和流体介质领域适用范围更广，广泛应用于苛刻工况。金属材料的密封性较难达到非金属材料密封的等级，特别是在高压或高温工况下，金属密封球阀球体和阀座的弹性变形无法避免，由于弹性变形导致的密封失效在设计阶段难以预判。本文采用有限元模拟分析和流体模拟分析法，以Class2500 NPS2金属密封固定球阀为例，对金属密封固定球阀的密封性能机理进行分析，为减少高压或高温下球体和阀座的弹性变形提供参考依据。

2 金属硬密封球阀密封优化改进方案密封原理

固定球阀球体以上下轴或支撑板固定，采用浮动式结构阀座，在弹簧力和介质压力共同作用下，经过精密研磨的金属阀座密封面紧贴球面实现密封。

图1所示为固定球阀阀座密封部位局部放大视图。阀门处于关闭状态时，以石墨密封圈或O型密封圈为界将流体截断，此时阀座受到弹簧预紧力F、流体压力P产生的介质力G、密封圈摩擦力f以及球体对阀座的反作用力，起密封作用的密封力为向右的合力（F+G-f）。当密封力产生的密封比压大于密封的必需比压时则实现密封。1、金属硬密封球阀采用偏心结构,在关闭过程中,阀座与球冷酷间的密封比压能迅速增加,从而确保了密封副的可靠密封。当阀门开启时,阀座与球体能迅速脱离,有效地减小了操作力矩,并使阀座表面与球面之间的控伤可能性降到最小。

2、金属硬密封浮动球阀(如图)采用了弹性加载结构,在正常关闭情况下确保了球体密封面与阀座密封之间的接触,在高温工况下,能有效补偿内件受热膨胀,避免因高温而导致的卡阻,适合于中小口径高温使用场合。

3、金属硬密封固定球阀除金属硬密封偏心球阀的偏心特点外,其它优点在此也具务,此外,它可双向使用,且不易在中腔沉积污物,根据用户工况条件,也可在中腔设置排污口。

4、金属硬密封球阀的球体表面采用特殊硬化处理,阀座整体用特种硬质材料或局部堆焊硬质材料,确保密封副之间的有合适的硬度差。

5、由于球体表面采用特殊的表面硬化处理,阀座采用堆焊硬质合金,所以在阀门的启闭过程中能很好经受介质冲刷,特别适合于固体颗粒和磨料介质。

6、除球体表面和阀座表面的特殊表面处理外,在其它密封材料方面采用柔性石墨、金属缠绕式垫片等,故能用于高温、高压工况,并具耐火烧功能。

3 金属硬密封球阀密封优化改进方案 泄露原因分析

通过对密封原理进行分析，总结金属密封固定球阀泄漏的主要原因。

（1）O型圈或石墨密封圈部位泄漏。

（2）阀座密封面与球面研磨程度不够，密封副不吻合。

（3）球体不圆或密封面粗糙。

（4）球体、阀座、固定轴强度不足产生塑性变形。

（5）球体与阀座在介质压力下产生弹性变形导致密封副剥离。

对于前4种泄露原因，一般厂家都有处理经验，比较容易解决。但是泄露原因（5）不易发现，尤其是在高压或高温工况下，进行低压麻豆黄色在线观看密封试验[9]时效果良好，压力越高泄漏量越大，但是当压力卸除后球体与阀座又恢复至初始形态，检测球体圆度和密封面吻合度都合格。此种情况通常先推测阀座背面O型圈或石墨圈泄漏，往往忽略了高压或高温下球体与阀座都发生了不同步的弹性变形，从而导致密封面剥离的情况。而弹性变形复杂，不同部位变形量不同，无法直接计算，一般需要借助计算机有限元模拟加以分析验证。以NPS2-CL2500金属密封固定球阀为例进行分析，主要参数如下[10]：

球体材质  F304+NI60

阀座材质  F304+NI55

球体直径  Sφ90mm

流道直径  φ42mm

密封面内径  φ54mm

密封面外径  φ62mm

阀座受介质作用力外径  φ68mm

阀座小台阶外径  φ58.6mm

阀座大台阶外径  φ88mm

弹簧力  1100N

金属硬密封球阀密封优化改进方案主要技术参数及执行标准:

4金属硬密封球阀密封优化改进方案 密封性有限元分析

利用计算机可以模拟工件的实际受力情况，对其位移、应力、应变进行分析，常用的分析方法有计算机有限元模拟分析和流体模拟分析，分别利用两种分析方法对球体与阀座的弹性变形进行研。

4.1  有限元模拟分析法

4.1.1  简化模型

在进行有限元分析前，首先根据应力及变形的特点对模型进行简化。

（1）阀体的刚度很大，变形量甚微，省略阀体结构分析。

（2）球体由上、下轴进行固定，假定上、下轴刚度足够大，省略上、下轴的结构。

（3）弹簧、O型圈和石墨密封圈对球体与阀座的接触无影响，可以省略。

简化后的模型如图2所示。由于球体处于固定状态，可以单独进行分析，但阀座是浮动状态，不适合单独进行分析，球体与阀座组合分析更接近实际情况，因此分别对球体以及球体与阀座组件进行分析。

4.1.2  球体静态分析

（1）建立新算例，选择静应力分析。

（2）网格划分，选择基于曲率的网格，用可变化的单元大小来生成网格，有利于细小特征处获得精确的结果。网格密度采用较高等级，求解结果更精确，但是网格划分和求解时间较长，对电脑配置要求也较高。本示例模型尺寸较小，所以采用高精度网格，对于大规格模型建议采用软件默认的中等密度网格。

（3）应用材料，球体基体材料设置为A182 F304。

（4）添加载荷，所有与介质接触部位添加压强42MPa。

（5）添加夹具，夹具设置为以上下轴孔承压面固定，符合实际情况。

球体静态分析结果如图3所示。从分析结果可以看出，上轴孔位置应力集中，应力超过屈服强度，球面应力小，产生弹性变形，且变形不均匀，变形发生在水平球口位置，变形量约为0.01805mm。

4.1.3  球体、阀座组合静态分析

（1）建立新算例，选择静应力分析。

（2）网格划分规则与球体静态分析相同。

（3）应用材料，球体与阀座基体材料设置为A182 F304，忽略密封副涂层。

（4）设置连接，选择密封副设置全局接触，无穿透，摩擦系数为0.25。

（5）添加载荷，所有与介质接触部位添加压强42MPA，阀座添加弹簧力1100N。

（6）添加夹具方式与球体静态分析相同。

球体、阀座组合分析结果如图4所示。从图中可以看出，球体上轴孔位置应力集中，应力超过屈服强度；球面应力小，产生弹性变形，并且变形不均匀；水平球口位置变形量为0.02116~0.02151mm，上、下位置变形量为0.01155~0.01639mm；阀座承受应力未超过屈服强度，同样产生弹性变形；密封面水平位置变形量为0.03571~0.03635mm，上、下位置变形量为0.02973~0.04044mm；阀座弹性变形可以弥补球体的弹性变形以实现密封。

4.2  流体模拟分析法

流体模拟分析是以流体载荷加载对工件进行分析，必须要以球体、阀座组合，才能形成一个可容纳流体的空间。

（1）设置向导，将介质设置为水或者麻豆黄色在线观看，并设置密度等参数。

（2）创建封盖，形成一个密闭空间。

（3）设定边界条件，设置介质压力大小及方向。

（4）设置目标。

（5）运行。

（6）将结果导出到Simulation。

（7）新建Simulation应力分析。

（8）设置材料。

（9）设置自动查找相接触面组。

（10）夹具设置同球体静态分析。

（11）添加载荷，选择保存的流动效应。

流体模拟分析结果如图5所示。球体上轴孔位置应力集中，应力超过屈服强度；球面应力小，产生弹性变形，并且变形不均匀；水平球口位置变形量为0.01273~0.01281mm，上下位置变形量为0.00912~0.00974mm；阀座承受应力未超过屈服强度，同样产生弹性变形，密封面水平位置变形量为0.02218~0.02284mm，上下位置变形量为0.01991~0.02408mm；阀座弹性变形可以弥补球体的弹性变形以实现密封。

金属硬密封球阀是我公司开发的高性能阀门。阀座采用板簧加载的金属密封结构,在高温下启闭轻松。球体及阀座采用特殊硬化处理,密封面不擦伤。球阀具有双向密封功能,大小口径均采用固定球结构(DN15~700mm)。
用途:
   金属硬密封球阀适用于Class150~1500、PN1.6~16.0MPa,工作温度-29~425℃(碳钢)或-40~550℃(不锈钢)的各种管路上,用于截断或接通管路中的介质,选用不同的材质,可分别适用于水、国产精品51麻豆CM传媒、油品、硝酸、醋酸、氧化性介质、尿素、氨盐水、中和水等多种介质。  

5 金属硬密封球阀密封优化改进方案结语

本文采用有限元模拟分析和流体模拟分析法，分别对金属密封固定球阀的球体以及球体与阀座组件进行分析，由于参数设置不同，分析结果有细微差别，但是分析结果趋势一致。针对高低温工况下，由于弹性变形所导致的泄漏，可以通过本文的方法得到一定的分析验证，为优化设计和工艺提供参考