一種透明三片式固定球閥拆裝教儀的設(shè)計(jì)

李茂朋 劉 智

（1.江蘇百睿教育裝備有限公司，宿遷 223800；2.特技閥門集團(tuán)有限公司，溫州 325024）

日常生活中常見(jiàn)的水龍頭是一種簡(jiǎn)單的閥門，可以控制水流的開(kāi)關(guān)或者調(diào)節(jié)流量大小。基于這一熟悉且每天都在使用的物品，可以建立對(duì)閥門的初始概念和認(rèn)識(shí)，但閥門不局限于這種單一的結(jié)構(gòu)。隨著經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展，油氣（石油、天然氣）能源的需求激增，而油氣的采集、輸送、儲(chǔ)存都離不開(kāi)閥門。閥門是流體控制的終端執(zhí)行組件，但目前各大中專院校設(shè)置的閥門專業(yè)以及相關(guān)閥門教儀較少，因此本文介紹了一種透明三片式固定球閥拆裝教儀的設(shè)計(jì)，以滿足教學(xué)演示、測(cè)繪實(shí)踐的需求。

1 球閥的作用原理

以球體作為啟閉件的閥門稱為球閥，主要由閥體、閥蓋、閥座、球體、閥桿、彈簧以及驅(qū)動(dòng)裝置組成。球閥的主要功能是切斷或接通管道中的流體，其作用原理是借助驅(qū)動(dòng)裝置在閥桿上端施加一定的轉(zhuǎn)矩并傳遞給球體，使其旋轉(zhuǎn)90°，從而使球體的通孔與閥體通道中心線重合或垂直，完成全開(kāi)或全關(guān)的動(dòng)作[1]。球閥的剖面圖如圖1所示。

2 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

閥門作為壓力容器的關(guān)鍵部件，每種結(jié)構(gòu)類型均有其各自的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)工業(yè)與歐美、日本、俄羅斯等工業(yè)強(qiáng)國(guó)相比起步較晚，因此國(guó)內(nèi)的閥門標(biāo)準(zhǔn)借鑒、參考了其他國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。目前，國(guó)際上主流的閥門標(biāo)準(zhǔn)體系為美標(biāo)體系（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系）、歐標(biāo)體系（歐共體標(biāo)準(zhǔn)體系）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）標(biāo)準(zhǔn)體系，而目前國(guó)內(nèi)閥門標(biāo)準(zhǔn)體系參考借鑒了美標(biāo)、歐標(biāo)和ISO體系。上述3大體系球閥主要常用標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 3大體系球閥主要常用標(biāo)準(zhǔn)

3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.1 固定球結(jié)構(gòu)

球體采用上下樞軸（或耳軸）設(shè)計(jì)，只能圍繞閥桿軸線作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在流道軸線方向的位置相對(duì)固定。

3.2 全通徑或縮徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況或者用戶需求，球閥可以設(shè)計(jì)成全通徑或縮徑的形式。其中，全通徑設(shè)計(jì)的球閥流道與管道內(nèi)徑一致，便于管線清掃（或清管），而縮徑設(shè)計(jì)的球閥球體流道內(nèi)徑小于管道內(nèi)徑。

3.3 浮動(dòng)閥座結(jié)構(gòu)

3.3.1 閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥座借鑒活塞效應(yīng)設(shè)計(jì)成浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)壓力作用下推動(dòng)閥座貼緊球體，從而起到密封作用。當(dāng)介質(zhì)壓力較小或介質(zhì)壓力波動(dòng)范圍較大時(shí)，為了保障閥座始終貼緊球體，在閥座背部設(shè)有彈簧加載。因此，精確設(shè)計(jì)的閥座能保證在零壓差和全壓差（或額定壓力）下都能實(shí)現(xiàn)完全密封并產(chǎn)生最小的扭矩。

3.3.2 閥座分類

閥座根據(jù)密封方向分為單向密封閥座和雙向密封閥座。其中：?jiǎn)蜗蛎芊忾y座只能在閥座的一側(cè)承壓實(shí)現(xiàn)密封，主要用于可以拆卸維修的工況球閥；雙向密封閥座可以在閥座兩側(cè)承壓實(shí)現(xiàn)密封，主要用于無(wú)法拆卸維修或者不便拆卸維修的工況球閥。

3.4 防靜電設(shè)計(jì)

軟密封球閥的閥座組件由金屬支撐圈和對(duì)應(yīng)的工程塑料插件組成，在摩擦狀態(tài)下容易產(chǎn)生靜電積聚[2]。防靜電彈簧能夠使球體、閥桿、閥體之間形成導(dǎo)電通路，而閥體一般通過(guò)地線連接到大地，從而將插件上的靜電引入大地，避免易燃易爆介質(zhì)因靜電積聚而被引燃、引爆。因此，防靜電設(shè)計(jì)能為閥門提供可靠的導(dǎo)電性能，從而為閥體提供可靠的工作環(huán)境。

3.5 密封設(shè)計(jì)

球閥是由各零部件組裝而成的密封壓力容器，各連接處采用“初級(jí)密封+次級(jí)密封”的雙重密封結(jié)構(gòu)。其中：初級(jí)靜（或動(dòng)）密封采用O型圈密封，工作狀態(tài)下的密封作用由O型圈承擔(dān)；次級(jí)靜（或動(dòng)）密封采用“金屬+石墨”的復(fù)合墊作為密封防火設(shè)計(jì)，失火（火災(zāi)）狀態(tài)下的密封作用由復(fù)合墊承擔(dān)[3]。

3.6 球體與閥桿設(shè)計(jì)

球體與閥桿采用了分離設(shè)計(jì)，能減少介質(zhì)作用在球體上的壓力對(duì)閥桿的影響（主要是指介質(zhì)對(duì)閥桿作用的彎矩）。這一方面可以使閥門扭矩達(dá)到最小，另一方面可以改善閥桿的受力狀態(tài)。

3.7 閥桿防飛出設(shè)計(jì)

在閥桿與介質(zhì)接觸的一端設(shè)有承受內(nèi)壓的臺(tái)階，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被稱為閥桿防飛出設(shè)計(jì)。閥桿作為控壓元件，除了承擔(dān)球閥的開(kāi)、關(guān)功能外，還需承受來(lái)自殼體內(nèi)腔的介質(zhì)壓力。若球閥輸送的是易受溫度因素影響而膨脹或揮發(fā)的介質(zhì)，還會(huì)造成內(nèi)腔異常升壓。因此，為了保證閥桿的承壓安全，需要將閥桿設(shè)計(jì)成一體式通軸結(jié)構(gòu)（不可將其焊接成一體的結(jié)構(gòu)）。

3.8 閥桿開(kāi)關(guān)位置指示設(shè)計(jì)

球閥安裝在管線上后，需要能夠分辨出閥內(nèi)球體的開(kāi)關(guān)位置。由于閥桿與球體之間通過(guò)扁方連接，則閥桿與球體之間的相對(duì)位置固定，因此閥內(nèi)球體的開(kāi)關(guān)位置可通過(guò)裸露閥桿上的開(kāi)關(guān)標(biāo)識(shí)分辨。開(kāi)關(guān)標(biāo)識(shí)是在裸露閥桿的小頭端面刻印或加工的一道2 mm×1 mm的溝槽，當(dāng)溝槽與球閥流道軸線平行時(shí)球體位置為全開(kāi)，當(dāng)溝槽與球閥流道軸線垂直時(shí)球體位置為全關(guān)。

3.9 排污排氣設(shè)計(jì)

根據(jù)球閥自身結(jié)構(gòu)，球體兩側(cè)的閥座與殼體內(nèi)腔之間會(huì)形成一個(gè)封閉空間，而且內(nèi)腔的徑向直徑大于流道直徑，因此介質(zhì)中的雜質(zhì)容易積聚于此形成污垢甚至結(jié)塊。隨著球閥在線服役時(shí)間的增加，污垢層會(huì)越來(lái)越厚，當(dāng)污垢層接觸到球體密封面時(shí)，將會(huì)造成閥座和球體的密封面劃傷甚至損壞，最終導(dǎo)致球閥失效。為解決此問(wèn)題，應(yīng)盡量在殼體的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)位置設(shè)計(jì)排污和排氣螺塞，用于定期排污、排氣和清洗沖刷。

3.10 輔助注脂密封設(shè)計(jì)

在球閥的在線工作服役過(guò)程中，與初級(jí)靜密封的O型圈相比，一般初級(jí)動(dòng)密封的O型圈會(huì)先失效。其原因主要有以下幾方面：第一，當(dāng)輸送無(wú)潤(rùn)滑作用的介質(zhì)時(shí)，初級(jí)動(dòng)密封的O型圈因干摩擦或者混合摩擦造成損壞而影響密封導(dǎo)致失效；第二，當(dāng)輸送含有硬質(zhì)顆粒雜質(zhì)的介質(zhì)時(shí)，初級(jí)動(dòng)密封的O型圈因硬質(zhì)顆粒刮擦造成損壞而影響密封導(dǎo)致失效；第三，初級(jí)動(dòng)密封的O型圈因超過(guò)設(shè)計(jì)使用壽命而影響密封導(dǎo)致失效。

為了解決初級(jí)動(dòng)密封的O型圈失效帶來(lái)的密封泄漏問(wèn)題，球閥需要設(shè)計(jì)輔助注脂密封結(jié)構(gòu)，從而通過(guò)高壓注脂槍將輔助密封脂注射到O型圈位置。注射的密封脂一方面可用于O型圈的潤(rùn)滑，另一方面當(dāng)O型圈損壞引起輕微泄漏時(shí)，可以通過(guò)密封脂實(shí)現(xiàn)臨時(shí)性密封，以便于采取補(bǔ)救措施。

3.11 球閥的操作方式

根據(jù)球閥現(xiàn)場(chǎng)工況操作需求，球閥的操作方式可以是手動(dòng)操作、電動(dòng)操作、氣動(dòng)操作、氣液聯(lián)動(dòng)操作及電液聯(lián)動(dòng)操作[4]。

4 制造選材

工業(yè)級(jí)球閥的材質(zhì)需根據(jù)工況參數(shù)（如介質(zhì)、溫度、壓力、壽命、腐蝕性和操作頻次等參數(shù)）而定。例如：燃?xì)忾L(zhǎng)輸管線用球閥的材質(zhì)選用低溫碳鋼鍛件；氧氣用球閥的材質(zhì)選用奧氏體不銹鋼或鎳基合金；液化天然氣介質(zhì)用球閥選用ASTM A351 CF8M或ASTM A182 F316不銹鋼；強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)用球閥選用內(nèi)襯聚四氟乙烯。另外，由于高校教學(xué)的特殊屬性（原理展示、輕巧便攜），球閥教儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要完全按照標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)級(jí)的要求執(zhí)行，但其材質(zhì)可偏離工業(yè)級(jí)要求，如采用透明染色亞克力，且不同零部件應(yīng)采用不同顏色以示區(qū)分[5]。

采用透明染色亞克力材質(zhì)制造的球閥教儀主要特點(diǎn)有：第一，可以清楚地看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)、動(dòng)作過(guò)程、密封原理；第二，材質(zhì)密度小，整體輕巧、便攜，方便拆裝測(cè)繪；第三，材質(zhì)外觀優(yōu)美、耐候性好、表面硬度高、耐磨性較好。

5 檢驗(yàn)與測(cè)試

作為一種壓力容器，工業(yè)級(jí)球閥在產(chǎn)品組裝好后需要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)和壓力測(cè)試。尺寸檢驗(yàn)內(nèi)容主要為端部法蘭尺寸和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度尺寸是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，壓力測(cè)試內(nèi)容主要是按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行殼體承壓測(cè)試和閥座密封測(cè)試。但是，因?yàn)榍蜷y教儀的材質(zhì)是非工業(yè)級(jí)材料，所以不能按照標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行壓力測(cè)試，而是采用常壓水進(jìn)行示意性的密封測(cè)試。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了球閥的作用原理，列舉了部分主要常用標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)球閥的閥座結(jié)構(gòu)、防靜電設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)、閥桿防飛出設(shè)計(jì)、排污排氣設(shè)計(jì)、輔助密封設(shè)計(jì)、制造選材以及成品檢驗(yàn)與測(cè)試等主要方面進(jìn)行了詳細(xì)剖析，進(jìn)而從原理、標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)、選材、檢驗(yàn)和測(cè)試等方面介紹了透明三片式固定球閥拆裝教儀的設(shè)計(jì)，旨在用于教學(xué)演示、原理展示和測(cè)繪實(shí)踐，以便更好地普及球閥知識(shí)。