提升式硬密封旋塞閥的工藝與設計

張麗智

溫州市臺益閥門有限公司，浙江溫州 325101

0 引言

旋塞閥廣泛地應用于油田開采、輸送和精練設備中，同時也廣泛用于石油化工、化工、煤氣、天然氣、液化石油氣、暖通行業以及一般工業中。

在使用中， 提升式硬密封旋塞閥的主要失效形式是沖蝕磨損。雖然，通過表面熱處理或堆焊硬質合金等方法能提高硬密封旋塞閥的使用壽命和耐擦傷性能，但仍然不能滿足輸送微顆粒或纖維等特殊介質的要求。通過工藝難點的解決，設計的優化，可以顯著改善提升式硬密封旋塞閥的使用性能。

1 結構特征

在顆粒介質中，顆粒物會依附在旋塞的表面，如果直接轉動旋塞體時會出現刮傷密封面現象。為了避免上述情況的問題，通過旋塞頂端設計的提升機構來解決此種情況。驅動裝置傳動提升式硬密封旋塞閥其結構如圖1 所示。基本工作原理為：開啟閥門時傳動裝置轉動閥桿的螺紋使旋塞體上升。旋塞體和閥體密封面脫離后再驅動旋塞轉動90 度到閥門全打開。關閉時傳動裝置使旋塞先轉動90 度至關閉位置后，旋塞體不再轉動，驅動力轉動螺紋后使旋塞體下降，與閥體密封面接觸達到密封。提升式硬密封旋塞閥兩側閥座密封面均可密封，閥門的使用不受介質流向的限制。提升式硬密封旋塞閥關閉時，可通過手輪和閥桿對閥座密封面加壓，通過加大密封比壓，可使旋塞閥具有更好的密封性能。閥座密封面凸起，便于密封面清洗，密封面不易積存結晶介質，或固體顆粒。固常用于化工裝置的高溫場合。

圖1 驅動裝置傳動提升式旋塞閥的結構示意圖

2 技術難點及解決方案

2.1 圓錐面加工的問題

在臥式車床上利用靠模板裝置加工圓錐面，用靠模板裝置加工圓錐面的優點是：能自動進給，加工精度高，表面粗糙度Ra 值較低。

加工圓錐面時刀具的安裝非常重要。如刀尖未對準圓錐面的中心，車出的圓錐面則呈現出雙曲線形。根據圓錐體形成的原理，通過圓錐體中心圓錐母線應是一條直線。如將一個標準圓錐體離開軸線處加工，則其剖面形狀是曲線。

所以，車刀不得裝的過高于或過低于圓錐體中心。為獲得精度高的圓錐面，加工時必須把刀尖對準圓錐體的中心。旋塞閥圓錐面是連續切削，刀具在沖擊下工作很容易崩掉刀尖；切削力的變化又會引起切削過程中的抖動，而影響圓錐面的精度和粗糙度。

為了避免崩掉刀尖和防止抖動，采用剛性好的刀桿，變注意選擇適合早沖擊下工作的刀具幾何形狀和調整小刀架與溜板活動面間的間隙，使之合適，不至于過大。

加工鑄鋼旋塞閥的圓錐密封面時，直徑方向的加工余量一般為7mm`10mm，切削速度為80m/min，進給量為0.2mm/r。精加工余量為0.4mm，切削速度為120m/min，進給量為0.08mm/r，加工表面的表面粗糙度Ra 可達1.6μm。

2.2 圓錐面表面處理的問題

目前的鍍硬鉻、滲氮表面處理技術很難滿足微顆粒等介質工況，表面的硬度隨著時間的推移很容易出現刮傷、表面處理層脫落等情況，使用壽命周期不長，給經濟造成難以估計的損失。

為了解決這種難題，旋塞體圓錐面采用超音速噴熱涂技術和閥體圓錐面自動埋弧堆焊硬質的組合密封副，這種鎳基合金和碳化鎢(WC)調配百分比能使噴焊層與基體材質有較高的結合強度，如此高的結合強度，使噴焊層能承受強烈的機械沖擊及熱沖擊而不會產生脫落。這樣解決了表面硬度不足、不耐磨、不耐沖蝕的問題。

閥體圓錐面堆焊硬質合金，合金層加工后厚度≥2mm，硬度＞613HV。自動埋弧堆焊硬質合金技術工藝特點：堆焊過程自動化，堆焊生產效率高，堆焊質量穩定。

自動埋弧堆焊硬質合金技術工藝參數：電源極性為直流反極，焊劑為HJ260，堆焊電流在280A～300A，電弧電壓在28V～30V，堆焊速度在550mm/min～650mm/min，焊絲直徑取Φ2，焊絲送給速度130mm/min～160mm/min，焊絲伸出長度通常取20～60mm，焊絲伸出長度不得超出偏差±（5～10）mm，焊絲的傾斜角度保持在6°～8°，堆焊層厚度3.5mm～4.5mm。

旋塞體圓錐面噴焊WC 碳化鎢，WC 碳化鎢加工后，厚度≥2mm，硬度1000HV～1300HV。

超音速噴熱涂技術工藝特點：超高的焰流速度和相對較低的溫度；粉粒受熱均勻；噴涂粉末細微，噴層光滑；涂層致密，結合強度高。

超音速噴熱涂技術工藝參數：使用DJ 系統噴涂WC-CO涂層，當送粉量在38g/min～70g/min 之間變化時，涂層孔隙率在1.12%～2%之間，顯微硬度在1000HV～1300HV，粉末沉積率為40%～50%范圍，涂層性能優良。

2.3 圓錐面珩磨的問題

2.3.1 工作原理

圓錐面珩磨必須在臥式車床上增加靠模板裝置和改裝的珩磨裝備，圖2 為滾動珩磨的工作原理，圓錐體裝夾在卡盤或者工裝上，傾斜安裝著的珩磨輪以一定的壓力與圓錐面接觸。

當圓錐面以VG 的線性速度旋轉時，由于摩擦力的作用珩磨輪以VS 的速度繞自身的軸線轉動。

同時珩磨輪還沿圓錐體軸向的方向作往復進給運動。因珩輪軸線跟圓錐面軸線有交角α，故在圓錐面與珩輪旋轉的同時，它們之間產生相對的滑移，其滑移速度稱為VH。珩磨輪與圓錐面相對滑動時，磨粒就在圓錐面切去極薄的一層金屬。珩磨輪沿圓錐面軸向往復運動使圓錐面得到交叉重疊的網狀痕跡，因此珩磨也能獲得Ra0.4～Ra0.25 的表面粗糙度。

圖2

從圖1 可知：

VS=VGcosα ；VH=VGsinα

珩磨輪傾角α 越大，相當滑動速度VH 大，效率也越高。但是α 角過大會產生自鎖現象，故一般取α 取10°～35°。

2.3.2 珩磨速度

滾動珩磨時圓錐體的旋轉速度增大時，圓錐面的光潔度也有明顯的提高，但速度過高會產生抖動的現象，從而影響加工質量。滾動珩磨的VG 通常取60～80m/min。滾動珩磨時的進給量粗珩為0.2mm/r～0.4mm/r，精珩為0.05mm/r～0.15mm/r。

2.3.3 珩磨壓力

滾動珩磨時磨輪單位面積上接觸所受的力稱為珩磨的切削壓力。切削壓力大小將直接影響珩磨效率和加工表面的質量。切削壓力不能過大或過小。切削壓力珩磨時粗珩一般取0.8MPa～1MPa；精珩一般取0.4MPa～0.6MPa。

2.3.4 珩磨的潤滑冷卻液

潤滑冷卻液不僅能沖刷掉磨具上的磨粒和切削粉末，還可以降低珩磨時的切削熱量。正確選用潤滑冷卻液不僅能改善被加工圓錐面的質量，還能提高珩磨的效率。加工鑄鋼和鍛鋼常選用粘度小、滲透性強的煤油作潤滑冷卻液。根據經驗，在煤油中加入30%左右的20 號機械油后圓錐面的質量更好。

2.3.4 珩磨的余量

珩磨是一種光潔加工方法，切削量很小，其加工余量不宜過大。余量過大不僅會影響圓錐體的幾何形狀精度，還會降低生產效率。珩磨余量的大小與預加工的精度和表面質量相關。一般直徑余量為0.01mm～0.15mm 時，一次精珩磨就行。當直徑余量大于0.04mm 時，為了提高珩磨效率常使用不同粒度的磨具進行粗、精兩次珩磨。粗珩切去余量的65%～70%，精珩切去余量的30%～35%。

2.3.5 珩磨輪的選擇

珩磨輪的性能取決于磨料的種類、磨料的粒度、磨具的硬度和磨具的結合劑。珩磨輪使用的磨料主要是白鋼玉和碳化硅。按加工工件選擇磨料。碳鋼和不銹鋼通常選用白鋼玉磨輪。

磨具的粒度越粗，生產效率高，但表面光潔度較差；磨具的粒度越細，生產效率低，但表面光潔度較好。一般粗磨時選用60#～150#；精磨時選用240#～W28。

珩磨輪的硬度要根據加工工件選擇。磨具的硬度過高，磨粒已鈍仍未脫落，是磨具與工件之間摩擦力增加，工件表面過熱而出現燒傷，從而造成表面光潔度惡化；磨具的硬度過低，磨粒還未磨鈍就脫落下來，從而加快了磨具的磨損。

珩磨較硬的金屬材質時，磨粒易于磨鈍，為保持較好的切削性能和避免工件過熱，應選用較軟的磨具。加工較軟的材質，磨具的硬度應較高。但珩磨特別軟的材料時，為避免切削堵塞磨具表面，磨具的硬度也要選硬一些。

2.4 圓錐面研磨的問題

研磨是切削量極小的光整加工方法，研磨旋塞體可采用旋塞體研磨機或手工研磨，依實際情況選擇研磨方法。

先將旋塞體研磨好，然后直接將旋塞體與圓錐孔配研。圓錐孔表面配研時，先在擦凈了的旋塞體上均勻地涂上一層研磨劑，輕放在圓錐孔上用手加壓并旋轉旋塞體，旋轉3～4 后，可將旋塞體拔出一些改變圓周位置后在進行研磨。在研磨過程中應經常添加研磨劑。

研磨好后的密封面還要用毛氈加氧化鉻等磨料進行拋光，以提高密封面的光潔度及去除個別嵌留在密封面上的磨粒，不然，閥門在密封面試驗時易出現泄漏。

2.5 裝配工藝的問題

旋塞閥通常是以閥體作為基準零件按工藝規定的順序和方法進行裝配。裝配前要對零、部件進行檢查，防止未去毛刺和沒有清洗的零件進入總裝。裝配過程中，零件要輕拿輕放，避免磕碰、劃傷已加工表面。對旋塞閥的運動部位（如閥桿等）應涂以工業用黃油。閥蓋與閥體中法蘭多采用螺栓連接，緊固螺栓時，應對稱、交錯、多次、均勻地擰緊，否則閥體、閥蓋的結合面會因圓周受力不均而發生滲漏。緊固時使用的搬手不宜過長，避免預緊力過大而影響螺栓強度。總裝完成后，應旋轉操縱機構，以便檢查旋塞閥啟閉件的運動是否靈活，有無卡阻現象。閥蓋、支架等零件的安裝方向是否符合圖紙要求，各項檢查都合格后的閥門方能進行試驗。

2.6 設計計算

提升式硬密封旋塞閥的設計核算必須考慮的問題如下：壁厚、旋塞體的通道面積、旋塞體的扭矩及扭應力的驗算。只要綜合考慮工況介質和使用壓力等各方面參數，加上合理設計，不僅可以節省材料，還能提升后續加工的效率。下面以表1 參數為例，來進行設計。

表1

2.6.1 壁厚

其中 p 為公稱壓力，單位：MPa；

DN為計算內徑，單位：mm；

[ ?L]為許用拉應力，單位：MPa；C 為腐蝕余量，單位：mm；

圖3

圖4

2.6.2 旋塞體的通道面積

F = 2.5? B2（2）；

其中 B 為通道孔的中心處寬度，

B=0.57·d（3） ，單位：mm；

d 為公稱直徑DN，單位：mm；

F 為通道孔面積，單位：mm2；

將d=100 代入(3)式之中，得B=57；再將B 代入(2)式之中，

得F=8122.5。

圖5

2.6.3 旋塞體的扭矩及扭應力

M=Mf+MT+MJ（4）；

MJ為介質壓力引起的摩擦力矩，MJ=FMJfMDP/2（7），單位：N·mm；

M 為最大轉矩(帶填料)，單位：N·mm；

q 為密封比壓，q=2·p（9），單位：MPa；

FT為填料與閥桿摩擦力，FT=FTd b Pψ （10），單位：N;

Dp為旋塞體平均直徑，單位：mm；

fM為密封面摩擦系數，單位：無；

α 為旋塞體錐半角，單位：°；

dF為閥桿直徑，單位：mm；

D1為旋塞體大端直徑，單位：mm；

D2為旋塞體小端直徑，單位：mm；

Ψ 為無石棉填料系數，單位：無；

p 為公稱壓力，單位：MPa；

將Dp=81、fM=0.08、α=4、dF=28、D1=89.7、D2=72.3、Ψ=1.08、p=2 分別代入(5)～(11)式之中；再將Mf=816527.3、MT=6773.8、MJ=50868 代入(4)式之中，得M=874169。

τN= 4.8M /S3(12);

其中M 為最大轉矩(帶填料)，單位：；

S 為扳手方的邊長，單位：mm；

Nτ 為旋塞體最大扭應力，單位：MPa；

[τN]為許用扭應力，單位：MPa；

將M=765744.7、S=34 代 入(12) 式 之 中，得 Nτ =106.8；[τN]=110，τN≤[τN]，符合要求。

3 結論

提升式硬密封旋塞閥工藝難點的解決和設計的優化，針對高溫、顆粒等介質而進行改進；通過高溫模擬、耐磨模擬實驗及實使用際證明，提升式硬密封旋塞閥適用于化工、石油、輕紡、水電、食品制藥、醫藥、電力等工業管道的系統控制，切斷或接通管路介質。對于提升式硬密封旋塞閥的使用性能的提高，可以使其應用領域得到更廣泛的拓展。

[1]吳子健.熱噴涂技術與應用.機械工業出版社，2006.

[2]王娟.表面堆焊與熱噴涂技術.化學工業出版社，2004.

[3]陸培文，高風琴.閥門設計計算手冊.2版.中國標準出版社，2009.

[4]陸培文.實用閥門設計手冊.2版.機械工業出版社，2007.

[5]API 6D，管線閥門(閘閥、旋塞閥、球閥和止回閥)，2008.

[6]蘇志東，尹玉杰，張清雙.閥門制造工藝.化學工業出版社，2011.