目前，國內使用的耐磨球閥，一般采用通常的單向密封，閥座達不到整體密封效應。傳統“松動”閥座四周的間隙導致介質積聚和磨損，在使用過程中，因粉塵等顆粒狀物質在球體或閥座上粘連，啟閉時易引起閥座或球體磨損、閥座與球體“抱死”，從而導致密封失效。密封材料不耐高溫或密封面損壞又導致閥門泄漏和卡死，這樣大大減少了閥門的使用壽命，并難以適應閥門行業的需要。高溫固定球雙向耐磨球閥應用新技術、新結構、新工藝和新標準，采用耐高溫、耐腐蝕的高碳低硫密封墊作為雙向密封奠基，提供了穩定的密封比壓。獨特的閥座組合設計，具有良好的密封效果和自研磨性能及刮削功能。

    2 工作原理

    高溫雙向耐磨固定球球閥的主要構件（見圖1），右閥體、左閥體、球體、閥桿、組合閥座、組合填料、手動裝置組件。閥門在作開關動作時，圖1中手動裝置7的手柄只需順時針方向旋轉90°，球閥作關閉動作；逆時針方向旋轉，球體作開啟動作。當手柄軸線方向與球閥的軸線方向平行時，球閥處于全開狀態；當手柄軸線方向與球閥的軸線方向垂直時，球閥處于關閉狀態。

圖1 高溫固定球雙向耐磨球閥構造圖

1. 右閥體2. 左閥體3. 球體4. 閥桿5. 組合閥座

6. 組合填料7. 手動裝置組件

    3 設計技術方案

    （1）高溫固定球雙向耐磨球閥為固定球兩片式直通球閥，設計中主要零件部件材料為：閥體材質采用WCB、CF8、CF8M，閥桿材質為17-4PH、304、316，球體材質F304+WC、F316 +WC。閥門的設計泄漏量符合GB/T13927的D級規定。

    （2）球閥在使用過程中做開啟、關閉動作時，由于受介質的沖刷、腐蝕和積聚，造成密封面不同程度的磨損，導致閥門泄漏嚴重，這時采用組合閥座結構的形式，如圖2，密封墊全部采用倒三角形的獨特設計，金屬密封閥座與支承圈選用高分子材料的三角形密封圈一，從而根本地杜絕了介質竄入閥座底部凝聚，致使閥座密封副與閥體之間徑向泄漏的可能性。

圖2 閥座組合

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    推力圈與底座之間同樣采用高分子材料的三角形密封圈二和密封圈三相互支撐，完全解決了顆粒介質竄入彈簧孔導致柱形彈簧無法伸縮的缺陷及高溫或顆粒介質狀態下球體與閥座“抱死”的難題，保證彈簧在閥座密封副中正常發揮作用，使密封比壓始終維持在合理的范圍，實現了高溫工況狀態下閥門長期運行的高性能可靠性。

    （3）填料組合采用分離正、反三角形結構設計，如圖3。密封套和隔環把兩組填料分隔，填料一為正三角形，而填料二為反三角形。經過反復實踐，當介質壓力推動球閥作用于閥桿時，閥桿作開、啟運動時，三角填料一、二有效地轉移、清除了石墨粉末依附在閥桿表面使其腐蝕的現象，這樣，閥桿、填料使用壽命提高了2～3倍，填料函滲漏率為零。

圖3 填料組合

    4 工藝要求

    （1）確保球體與閥座形成良性密封，主要部件直接由閥門臥式加工中心CWK800加工而成。閥體上安裝組合閥座處徑向公差選用D10級，光結度要求1.6與之配合。

    （2）球體-閥座密封副（如圖4），采用超音速噴涂碳化鎢（HRC≥70）工藝和本公司專利研磨工藝，結合刮削式寬弧面密封帶結構，球體且必須與閥座配對研磨，使其形成不間斷的密封帶，從而實現零泄漏、抗粘垢、耐沖蝕的目的，延長了閥門的使用壽命。

圖4 球一座密封副

    5 計算與驗證

    為了保證閥門的密封性能、操作性能以及使用壽命長，對殼體壁厚、密封比壓和閥桿等進行計算和驗證。

    5.1 壁厚

    計算厚度S_B'：{1.32P·D/2［б_L］－1.2P}+C式中：P為設計給定的壓力，MPa；D為閥體內腔的最大直徑（設計給定），mm；C為腐蝕余量（按推薦值選取）；［б_L］為許用拉應力（查表可得），mm。

    閥體實際壁厚S_B可以通過查表法（ASMEB16.34或GB/T1224）與計算壁厚S_B'相對比，滿足S_B＞S_B '產品符合設計要求。

    5.2 密封力綜合計算

    （1）高溫固定球雙向耐磨球閥是閥前和閥后密封的固定球球閥，其密封面總作用力的計算：

    Q=Q₀+Q₁－Q₂

    式中：Q₀為流體壓力在閥座密封面上引起的作用力，N；Q₁為預緊力，N；Q₂為閥座滑動的摩擦力，N。

    流體壓力在閥座密封面上引起的作用力：

    Q₀=Q_MJ－Q_J

    式中：Q_MJ為流體靜壓力在閥座密封的力（計算可得），N；Q_J為介質壓力在間隙中的作用力（計算可得），N。

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    預緊力Q₁=0.785（D²₂－D²₃ ）·qmin

    式中：D₂為密封面外徑（設計給定）mm；D₃為密封面內徑（設計給定）mm；q_min為預緊必需的最小比壓（按經驗數據選取）；閥座滑動的摩擦力Q₂：當閥座滑動的摩擦力小于0.05Q_MJ時，在保證足夠實用精度的情況下，為簡化計算，Q2亦可以不考慮。

    （2）密封比壓

    密封面計算比壓q=4Q/π（D_²2－D²₃）

    式中：Q為密封面總作用力（ 上式中得出），N；D₂為密封面外徑（設計給定），mm；D₃為密封面內徑（設計給定），mm。

    密封面必需比壓q_b：

    式中：m為與流體性質有關的系數（按推薦值選取）；α為與密封面材料有關的系數（查表）；C為與密封面材料有關的系數；t為密封面寬度（計算可得），mm。

    密封面許用比壓：［q］（查表），MPa。根據密封比壓原理可知，如果要實現密封必須滿足： ①Q_MF＜Q；②q_b≤q＜［q］的要求，通過合理的設計與計算，參數滿足要求。

    5.3 固定球球閥的閥桿總轉矩及強度驗算

    總轉矩M=Mm+Mt+Mu

    式中：Mm為球體與閥座密封圈間的摩擦轉矩（計算可得），N·mm；Mt為閥桿與填料間的摩擦總轉矩計算可得），N·mm；Mu為軸承的摩擦轉矩計算可得），N·mm。

    閥桿斷面扭轉應力τ_N=M/W

    式中：M為總轉矩，N·m；W為斷面處的抗扭斷面系數，mm³。

    許用扭應力［τ_N］，MPa。如果要實現閥桿的強度滿足設計要求，必須符合τ_N＜［τ_N］的要求，通過合理的設計與計算，參數滿足要求。

    6 結語

    通過設計計算驗算和實際運用，高溫固定球雙向耐磨球閥完全滿足工況的使用要求，現已廣泛應用于石油、化工、輕工、建筑、冶金油品、水、腐蝕性流體工程及鋁業氧化鋁粉輸送工程，具有廣闊的發展潛能。