V 型調節球閥的設計制造和應用前景

張慧

（上海閥特流體控制閥門有限公司，上海 200000）

1 V 型球閥的優勢

閥門產業通過多年的積累發展，閥門種類不斷增多，按功能閥門主要分為調節閥和切斷閥，調節閥在實際應用中起調節作用，控制流體流量，保證整個工藝系統達到運行要求。切斷閥主要起開關作用，一般不做調節使用。但在一些石油化工、造紙、污水處理等特殊行業，工況含有纖維和顆粒等雜質，此處對閥門調節和切斷功能要求都比較高，傳統單一的調節閥和切斷閥顯然不能很好滿足此類工況，而調節球閥能很好地解決此類問題，它流道通暢，流量大，可調比大，其帶有V 型缺口的閥芯，可以很好地調節介質。它本身結構緊湊，流阻小，密封可靠，且維修方便，球芯與閥座在關閉狀態，不易被介質沖刷損傷，操作和維修方便。應用范圍廣，各行各業都可以使用，不受一些嚴苛介質、溫度的限制，小到幾毫米，大到幾米，都可以使用。

2 V 型閥門的設計和制造

2.1 球閥的總體結構

球閥主要分為浮動球和固定球，按安裝主要分為頂裝式、底裝式、側裝式，面對種類繁多的球閥，并不是所有的結構都適合V型調節球閥。此類閥門的技術指標要求，既能實現介質流量調節，又要有嚴密關斷無泄漏的功能，集調節閥和切斷閥之優點。一般固定式球閥上下都有滑動軸承，球芯以滑動軸承為中心轉動，針對一些有顆粒、纖維的工況，介質容易進到軸承與球芯之間，造成閥門開關卡阻，嚴重導致閥門抱死不動作，影響閥門的正常使用，所以固定球結構對介質仍有一定的限制，浮動球結構相比與固定球更有結構優勢，浮動球球芯靠兩側的閥座固定，沒有滑動軸承，不會有卡阻的問題，更適合顆粒、纖維等嚴苛工況，一般的浮動球閥多選用側裝式結構。

2.2 球閥的密封結構

球閥的密封結構一般分為軟密封結構和硬密封結構，密封結構選取不當，也極易引起閥門的內漏，影響產品質量。一般根據流體的性質、壓力、溫度設計閥座結構，軟密封閥座是在流體的壓力下，閥座和球芯緊密貼合在一起，閥座產生彈性變形，實現球芯和閥座的密封。軟密封閥座雖然密封效果好，但閥座材質一般為PTFE 等軟性材料，V 型調節球閥有時在小開度小工作，介質多數含有顆粒，極易磨損閥座，造成閥門內漏，所以采用硬密封結構更適合調節球閥，球芯和閥座都為金屬材質，閥門的使用壽命更長，目前硬密封閥門多采用超音速火焰涂層硬化技術，一般表面硬度可達HRC55 以上，更適用與含有雜質顆粒的介質，同時依靠彈簧提供密封力，密封性能更加可靠。

2.3 閥芯和閥體的密封材料

一般閥芯和閥體的外部泄漏造成的后果，比閥座的內漏更加嚴重，不但造成用戶的資源的浪費，還可能污染周圍環境，更嚴重的會引起安全事故，給企業造成損失。一般閥芯的密封材料主要有PTFE 和石墨，V 型調節球閥主要應用于嚴苛工況，如采用PTFE 填料，顆粒介質進入閥芯和填料之間，在反復動作后容易造成填料的外漏，而且PTFE 填料的適用范圍在200 以下，高溫工況也不適用。故石墨材料更適用顆粒工況，在密封石墨的上下設計有盤根隔離環，此隔離環采用金屬絲加石墨模壓而成，有極強的耐磨能力，并有一定的彈性，能將顆粒擋在填料外部，很好地保護了填料，保證了閥芯的密封性能，此盤根加石墨的組合石墨在高溫高壓嚴苛工況都得到了很好的應用。同時在填料螺栓處可以增加碟形彈簧，在閥門反復動作后，填料的螺栓不易松動，提供持續的密封力，密封更加可靠。

2.4 閥桿的設計及材料選用

閥桿是球閥的重要受力元件，由閥桿帶動球芯轉動，實現閥門開關，一般在閥桿與執行機構和球芯結合處進行扭力的計算和驗算，閥桿要具有足夠的強度和任性，一般奧氏體不銹鋼強度較低，如果當作閥桿使用直徑都比較粗大，造成閥門的結構臃腫，容易損傷。一般都采用沉淀硬化性不型鋼和馬氏體不銹鋼，大小比較適中就可以滿足結構要求。一般閥芯不僅結構強度滿足要求，而且還要耐腐蝕和磨損，可進行鍍鉻等表面處理來增加其抗磨性能。

2.5 球體與閥座的比壓計算

一般要保證球閥的密封，球芯與閥座的比壓是非常重要的因素，比壓過小容易造成閥門的內漏，比壓過大導致閥門的摩擦力過大，執行機構加大，閥門容易卡阻，使用壽命也隨之縮短，經濟成本也上去了。一般必需比壓以qb表示，必需比壓的設計公式：

式中：qb——必需密封比壓，MPa；

m——與流體性質有關的系數；

a，C——與密封面材料有關的系數，一般硬密封：a=3.5，C=1；

P——液體的工作壓力，MPa；

b——密封面寬度，mm。

2.6 閥門閥體強度設計

球閥閥體不僅受到介質的壓力，還受到管道和其他方面的附加力，一般V 型調節硬密封球閥多采用鍛件加工而成，可當作薄壁圓筒來考慮，依據國家標準最小壁厚的基本公式：

以8″150 磅級為例，則：

tm（150）=0.0163d+4.70

式中：tm——最小厚度，mm；

d——閥門公稱通徑，mm。

附加考慮因素：

考慮鑄、鍛造偏差、需要增加一定的附加裕量：

根據經驗取C=2.5mm。

因此確定閥體的壁厚值t：

t=tm+C

2.7 球閥用執行機構選擇

閥門執行機構帶動閥桿和球芯轉動，從而打開和關閉閥門。球閥的執行機構主要有手動、氣動、電動3 種驅動方式，一般執行機構的不易過大或過小，力矩過小容易造成閥門無法開啟動作，力矩過大容易損傷閥桿，一般執行機構的力矩是閥門扭矩的1.3～2 倍之間即可。手動驅動裝置由于是靠人手臂的力量來轉動閥門，轉矩超過110N·m 時，手動驅動需帶有齒輪箱來增大輸出力，應用在開啟頻次不高扭矩比較低的閥門。一般應用最廣泛的是氣動驅動裝置，一般動作快，工作可靠，一般采用壓縮空氣作為氣源，但氣動驅動裝置，選型時需注意，氣動驅動多半帶有故障彈簧，在動作過程中執行機構的力矩是由大變小，不是一個恒定的值，所有在選型中要保證各個點的力矩都大于閥門力矩，才可滿足閥門的正常動作。

2.8 V 型調節球閥的調節設計

V 型調節球閥相對與常規球閥，最大的優勢和區別是可以實現調節功能，球芯的一側開有V 型缺口，來調節介質流量。在石油、化工、電力等行業中，流量調節系統占比非常大，隨著產品應用要求提高，應用場合更加細化，V 型調節球閥相比于傳統調節閥優勢更加明顯，將逐步成為調節閥的主流產品。

根據用戶對系統流量的調節需求不同，球芯缺口的設計形狀也不一樣，一般的流量調節特性分為直線型、等百分比型、拋物線型和快開型等四種（見圖1），用戶應根據自己的工藝要求，選擇合適的流量特性曲線。

圖1 調節球閥

直線特性：調節球閥的相對流量與相對開度是直線特性，即單位開度變化引起的流量變化，其比值是個常數。在閥門開關過程中，球芯的缺口始終大小一致，從而保證流量和開度為直線。

等百分比：調節球閥單位開度變化引起相對流量變化與該點的相對流量成正比。流量調節特性是應用最廣的一種，大約占80%以上。等百分比特性球芯，缺口的形狀為V 型。

拋物線流量特性：調節球閥單位相對開度的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方根成正比關系，球芯缺口為形狀與等百分比類似。

快開特性：在小開度時就有較大的流量，隨開度的增大。一般球閥就為開關球閥，實現介質的快速開關。

由于用戶介質的情況千變萬化，在調節的過程也會有氣蝕和噪聲的出現，氣蝕伴隨著閃蒸和空化，對球芯和閥座的損傷嚴重，在短時間內造成閥門的內漏。為應對更加復雜的工況，可在閥門前端安裝截流調節裝置，放一個有多個節流孔組成的擋板，在保證閥門流量的情況下，將閥門的流速降下來，避免氣蝕的產生，延長閥門的使用壽命。

3 結語

調節閥是流體工程的重要設備，V 型球閥結合了調節閥和切斷閥的優點，在煤化工、多晶硅、電站高溫高壓場合、減溫減壓裝置、排放和泄壓系統、壓縮機等工況有著很好的應用，即廣泛用于石油、煤化工、天然氣、多晶硅、紙漿及電力行業等方面。