闡述了提升式金屬密封旋塞閥的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析和主要零部件制造工藝。該閥門已獲國家專利( 專利號(hào): ZL201120070326.3) 。

1、概述

　　旋塞閥具有結(jié)構(gòu)簡單和流阻小等特點(diǎn)，但普通旋塞閥靠塞子和閥體直接接觸密封，存在啟閉力矩大、密封面易磨損和密封性能差等缺點(diǎn)。普通的襯套旋塞閥、油潤滑旋塞閥和將軍閥等不適用于高溫工況。根據(jù)工況條件研制的提升式金屬密封旋塞閥，解決了旋塞閥不能用于高溫的問題。

2、性能

　　提升式金屬密封旋塞閥采用樞軸固定整體式塞子、硬質(zhì)合金堆焊閥座和雙滾輪導(dǎo)槽設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了閥門開啟無摩擦提升并旋轉(zhuǎn)的功能，降低了閥門操作過程中密封面擦傷、磨損和粘結(jié)破壞的幾率，具有結(jié)構(gòu)新穎、工藝先進(jìn)、操作省力、啟閉迅速、密封性好、維護(hù)方便、可高溫吹掃和全方位安裝等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于高溫蒸汽管道和高壓差泵出口使用，也適用于延遲焦化系統(tǒng)、渣油催化裂化裝置和乙烯裂化裝置等場合。

3、工作原理

　　提升式金屬密封旋塞閥主要由底蓋、下支撐板、閥體、塞子、上支撐板、閥蓋、閥桿、支架、橫銷、滾輪、閥桿螺母和驅(qū)動(dòng)裝置等組成( 圖1) 。閥桿上部為梯形螺紋，閥桿下部和塞子通過T 形槽連接，閥桿中部有一橫銷，銷兩端各套有一只滾輪。支架上部設(shè)有兩條成180° 分布的導(dǎo)槽，導(dǎo)槽包括直槽和螺旋槽。開啟閥門時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置( 如手輪) 帶動(dòng)閥桿螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪沿直槽滾動(dòng)上升，閥桿和塞子一起上升，塞子和閥體密封面軸向無摩擦分離。閥桿螺母繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪沿螺旋槽滾動(dòng)，閥桿和塞子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，閥門全開。關(guān)閉閥門時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)閥桿螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪沿螺旋槽滾動(dòng)，閥桿和塞子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，閥桿螺母繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪沿直槽滾動(dòng)，閥桿和塞子一起下降，塞子與閥體密封面開始接觸直至貼緊密封。

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　閥門設(shè)計(jì)采用API 599 并參考API 600 標(biāo)準(zhǔn)，密封副采用金屬密封結(jié)構(gòu)，適用于高溫工況。因提升式金屬密封旋塞閥的密封比壓是由外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的力矩控制，屬于強(qiáng)制密封閥門。

1. 底蓋2. 下支撐板3. 閥體4. 塞子5. 上支撐板6. 閥蓋7. 閥桿8. 支架9. 橫銷10. 滾輪11. 閥桿螺母12. 手輪

圖1 提升式金屬密封旋塞閥

　　4.1、閥體

　　閥體端部為法蘭連接，流道為文丘里規(guī)則型，即流道截面積從閥門出入口到閥座密封處為逐漸縮小，但流道高度方向的尺寸略有擴(kuò)大。殼體最小壁厚滿足在壓力試驗(yàn)( 1. 5 倍最大允許工作壓力) 載荷下，避免永久變形和滿足非圓形通道的應(yīng)力集中的要求。

　　根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)和測(cè)試，應(yīng)力集中對(duì)閥體變形影響最大的部位在閥體中腔和密封面區(qū)域，因而影響閥門的密封性能。針對(duì)高壓閥體，在其外部設(shè)置了整體鑄造加強(qiáng)筋( 圖2 和圖3) 或者增加閥體壁厚，確保閥體在高壓時(shí)有足夠的剛性。閥體密封面設(shè)計(jì)成內(nèi)部凸起結(jié)構(gòu)，使其工藝性好，方便機(jī)加工和磨頭磨削，在閥門全關(guān)時(shí)中腔適合采用吹掃工藝。

圖2 閥體加載靜態(tài)應(yīng)力分布

圖3 閥體加載靜態(tài)位移分布

　　4.2、塞子

　　塞子為整體式結(jié)構(gòu)，剛性好，有利于閥門在高壓差工況應(yīng)用。塞子通孔設(shè)計(jì)成近似矩形，塞子設(shè)計(jì)有上下樞軸，與上下支撐板的高精度內(nèi)孔配合。支撐板外圓與閥體上下法蘭端部的內(nèi)孔精密配合，使作用于塞子的介質(zhì)壓力通過支撐板傳遞到閥體上，避免塞子在高壓力和高壓差工況下受高速流體沖刷導(dǎo)致振動(dòng)，增強(qiáng)塞子的穩(wěn)定性。另外，當(dāng)閥門安裝要求閥桿水平或傾斜時(shí)，這種結(jié)構(gòu)也消除了塞子因自重對(duì)閥門性能產(chǎn)生的不利影響。通過分析，塞子的應(yīng)力和變形集中在塞子中部和塞子通孔邊緣處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮( 圖4 和圖5) 。

圖4 塞子加載靜態(tài)應(yīng)力分布

圖5 塞子加載靜態(tài)位移分布

　　塞子材料一般選用鑄造碳鋼堆焊硬質(zhì)合金。對(duì)于Class 600 以上壓力等級(jí)，宜采用鍛造碳鋼堆焊硬質(zhì)合金，或采用鑄造馬氏體不銹鋼加熱表面硬化工藝，熱處理后硬度控制在35 ～ 40HRC，研磨后防止侵蝕和粘結(jié)。閥體和塞子密封面全部堆焊硬質(zhì)合金，既防止咬合，又延長閥門使用壽命。

　　4.3、閥桿

　　閥桿結(jié)構(gòu)參照楔式閘閥閥桿設(shè)計(jì)方法，考慮閥桿中部有橫銷通孔，適當(dāng)加大閥桿直徑。因?yàn)殚y門行程短，所以閥桿的絲桿部分只有同規(guī)格閘閥的1 /10 ～1 /5。因而金屬密封旋塞閥開啟速度快。

　　4.4、閥蓋和底蓋

　　閥蓋密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為凹凸面或環(huán)連接，以滿足不同壓力等級(jí)的要求。對(duì)于大口徑閥門，采用支架和閥蓋分體式設(shè)計(jì)。另外，金屬密封旋塞閥閥蓋的閥桿孔處設(shè)有上密封座，與閥桿端部的90°錐面配合，形成閥門的上密封副，滿足在線更換填料的要求，維護(hù)方便。閥門支架上部設(shè)有導(dǎo)槽，導(dǎo)槽與滾輪配合，即可完成塞子升降和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)動(dòng)作。支架上端法蘭按GB /T12222 設(shè)計(jì)，可用于安裝各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。底蓋上設(shè)有排放孔，可用于排除和吹掃體腔內(nèi)污物。

5、制造與檢驗(yàn)

　　提升式金屬密封旋塞閥的閥體和塞子的錐形密封面結(jié)構(gòu)形狀特殊，加工精度要求高，是制造的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。首先采用大型數(shù)控立式車床加工錐面，然后再用高精度數(shù)控磨削中心用同一個(gè)砂輪磨削閥體和塞子的密封錐面，使表面粗糙度達(dá)Ra 0. 2μm。經(jīng)過對(duì)旋塞閥樣機(jī)按API 598 要求進(jìn)行了多次殼體強(qiáng)度、高低壓密封和上密封試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目全部合格，樣機(jī)試制成功。

6、結(jié)語

　　提升式金屬密封旋塞閥適用于高溫高壓差工況，可以達(dá)到零泄漏，提升了旋塞閥的產(chǎn)品性能。