高壓大口徑V形球閥的設計及應用

苗同立，王超

(無錫市亞迪流體控制技術有限公司,江蘇 無錫 214161)

關鍵字： 大口徑；高壓；高溫；切斷；低泄漏；V形球閥

在大口徑管線的工況下，一般使用大口徑的球形控制閥進行調節，但是大口徑球形控制閥的結構很復雜，設計制造成本非常高，為了降低投資成本，很多用戶和設計院都會選擇V形球閥作為大口徑控制閥的首選。但是V形球閥在口徑較大時，尤其是口徑大于DN300時，泄漏等級不高，最多只能達到IV級泄漏，且調節壓差能力不高，大幅限制了V形球閥的使用范圍。因此，設計和制造出能夠滿足高壓、高溫、高壓差、低泄漏的V形球閥迫在眉睫。

無錫市亞迪流體控制技術有限公司從2015年開始針對該苛刻工況下應用的V形球閥進行了基礎理論研究，通過分析V形球閥在大口徑應用場合下的存在的問題，得出適合高壓大口徑管線的合理結構，改進后的V形球閥先后在四川維尼龍廠、鎮海煉化廠、開山集團等現場得到成功應用，并通過實踐檢驗。改進后的V形球閥解決了當前主流結構V形球閥存在的各種使用問題，性能優越，完全取代了原通常使用的球形控制閥，滿足了高壓、大口徑、低泄漏、高溫、流量特性可調等功能需求，從而降低了大口徑工況下控制閥的使用成本，提高了裝置的整體競爭力。

1 當前V形球閥結構分析

目前常用的V形球閥結構有軟密封結構和硬密封結構兩種形式，如圖1所示。

1)結構簡介。在大口徑管線的工況中，常溫時采用圖1a)的軟密封結構，高溫時采用圖1b)的硬密封結構。軟密封結構是通過O形圈提供的預緊力和介質壓力作用在活塞面A上共同產生密封比壓，硬密封是通過彈簧提供預緊力和介質壓力作用在活塞面A上共同產生密封比壓。流向為從左向右，即從壓圈側流入。

2)結構缺點。V形球閥結構存在以下幾方面的缺陷：

圖1 V形球閥結構示意

a)高壓工況。V形球閥的軸與軸承之間存在間隙和剛度的問題，容易導致高壓介質推開閥球，使其遠離閥座。V形球閥閥座底端面與閥體的端面存在閥座限位間隙(O形球閥無需間隙設計)，因此可能會導致閥球被高壓介質推開后無法與閥座密封的情況發生，因此管線口徑一旦大于DN300或壓力較高時，很難保證V級及以上等級的泄漏標準，但如果增大閥座閥體間隙，則會增加閥座動作時的浮動量，使用壽命會變短。

b)常溫工況。常溫結構的V形球閥的O形圈提供預緊比壓力，但是由于高壓介質推開閥球，使其遠離閥座，閥座在O形圈的作用下向閥球的方向運行，則O形圈回彈導致壓縮量降低，從而導致O形圈對閥座的預緊比壓降低，可能會導致低壓密封測試時無法密封的問題，嚴重時無預緊力的情況導致高壓時也無法密封。

c)高溫工況。高溫結構的V形球閥的O形圈換成石墨密封環，也存在同樣的問題。閥座在介質力的作用下向閥球的方向運行，導致石墨密封環的右端面與閥座有間隙產生，也會產生泄漏的風險。

d)卡澀問題。高溫結構的V形球閥在開關過程中，隨著閥門的打開，閥球與閥座接觸面積的減少，閥座會有部分浮動現象，此時閥座浮動時，不僅壓縮石墨密封環，而且還要克服密封環與閥體之間的摩擦力。一般情況下閥體為高溫鉻鉬鋼或碳鋼，閥座為不銹鋼，在溫度高的情況下，很容易出現摩擦阻力變大導致閥座浮動困難的情況發生，造成摩擦扭矩變大動作卡澀甚至卡死。

e)V形球閥的流量特性為固有流量特性，不能滿足現場對高精度流量調節的需求。

f)介質為高壓差時無法滿足調節的目的。由于高壓差作用在閥球和閥座上，因此需要很大的調節不平衡扭矩，這一方面需要更大的執行機構，另一方面也無法降低介質的流速和噪音，不能滿足現場的使用要求，因此降低了閥內件的使用壽命。

通過對圖1的閥結構分析可以得出，當前的V形球閥結構無法滿足大口徑管線高壓工況下低泄漏、高壓差調節、耐高溫、流量特性可調的基本特性，對于純金屬密封的高溫場合下，泄漏等級也只能達到Ⅳ級，無法滿足現場工況的實際需要。因此必須對現有的V形球閥結構進行改造，克服現存的缺點，以滿足現場使用的目的，從而在大口徑高壓場合替代球形閥，降低成本。

2 改進后的V形球閥結構分析

改進后的V形球閥結構如圖2所示。

圖2 改進后的V形球閥結構示意

1)結構簡介。改進后的V形球閥最主要是流向和密封結構的改變： 常溫結構為圖2a)的軟密封結構，高溫結構為圖2b)的硬密封結構；流向從之前的壓圈側流入的方式改為從閥桿側流入的方式。

2)結構優點。改進后的V形球閥結構有以下幾方面優點：

a)更加適合大口徑高壓控制閥的切斷。由于流向的改變，在大口徑高壓介質的推動作用下，閥球向著閥座密封面的方向移動，此時介質壓力不會推開閥球和閥座產生間隙，反而增強了密封的容易度。

b)常溫工況。常溫結構的V形球閥中，O形圈僅起到徑向密封作用，通過彈簧提供預緊比壓，介質壓力從右側進入閥座支撐環的背面，作用在活塞面A上產生密封比壓，活塞面可以根據實際壓力進行有針對性的設計。

c)高溫工況。高溫結構的V形球閥中，石墨密封環僅起到徑向密封作用，石墨密封環的壓緊是通過彈簧和介質的壓力實現的。介質進入閥座背面后，一方面向右側推動閥座產生密封效果，另一方面向左側壓緊石墨密封環產生石墨密封環的徑向密封效果，這樣介質壓力分別起到壓緊閥座和壓緊密封環的目的，而且互相不干涉。

d)克服卡澀問題。高溫時，閥座的左右浮動僅僅克服閥座和密封環之間的摩擦力即可，而且和閥體隔開，閥內件為不銹鋼設計，不會產生碳鋼或鉻鉬鋼的生銹卡澀問題，更不會由于閥座閥體熱膨脹不一致導致的運動卡澀問題，更加適合在高溫高壓苛刻工況下使用。

e)為了滿足高壓差的調節以及降低噪音、減少調節扭矩的目的，設計成孔板壓圈的型式如圖3所示。該設計型式可更好地滿足高壓差調節的目的，而且孔板可以根據實際壓差的大小設計成單層孔板或多層孔板的型式。由于流向是從密封面流向孔板的，因此對于大壓差的氣體來說，流速高的區域全部集中在孔板處，從而保護了閥球和閥座的密封面，延長了內件的使用壽命。孔板多孔的布置方式可以任意設計，以得到理想的流量曲線，使流量曲線可調達到滿足實際工況的目的，擴大了流量調節范圍和可調比。

f)對于壓差不高的調節使用場合，也可以設計成可調曲線壓圈，如圖4所示。該種型式的流量曲線可以任意設計，而傳統結構的V形球閥的流量曲線基本上是固定不變的。

圖3 高壓差孔板壓圈設計示意

圖4 可調曲線壓圈示意

3 其他改進措施

除以上密封結構外，V形球閥結構上還做了其他相應的改進，如： 閥桿與閥球采用鍵槽連接、底蓋采用碟簧支撐球體且補償高溫熱膨脹、填料處動態密封設計等，以滿足高溫下的熱膨脹要求。

4 結束語

經過對傳統的V形球閥結構進行改進，針對大口徑高壓調節工況應用的V形球閥，產品性能已經完全滿足了實際需求，完全可以替代價格昂貴的球形套筒控制閥，已經多次成功應用在實際現場中，受到了客戶的好評。