針對(duì)普通浮動(dòng)球閥閥桿跟球體連接處因間隙配合導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻，且容易導(dǎo)致硬化層剝落等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了球桿一體化固定式球閥。主要在球桿跟球體的連接工藝上作了詳細(xì)分析和改進(jìn)，使閥桿與球體焊接在一起，然后在閥桿和球體連接件上噴焊Ni60。在應(yīng)力、安全性能和適應(yīng)環(huán)境方面也進(jìn)行了相應(yīng)的分析，發(fā)現(xiàn)球桿一體化球閥比普通浮動(dòng)球閥開關(guān)時(shí)所用的扭矩小;而且閥桿跟球體焊接成一個(gè)整體，防止了閥桿沖出體外的可能;另外，此種設(shè)計(jì)開啟精度高、壽命長(zhǎng)。這些優(yōu)越性優(yōu)化了閥門的控制和安全性能，解決了閥門容易密封失效難題，從而推動(dòng)了閥門行業(yè)的進(jìn)一步的發(fā)展，為閥門行業(yè)提供了一個(gè)很好的研發(fā)方向。

　　閥門是流體管路的控制裝置，其基本功能是接通或切斷管路介質(zhì)的流通，改變介質(zhì)的流動(dòng)方向，調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力和流量，保護(hù)管路設(shè)備的正常運(yùn)行。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，閥門需求量不斷增長(zhǎng)。一幢現(xiàn)代高樓需要大量的閥門，一個(gè)現(xiàn)代化的石油化工裝置就需要上萬(wàn)只各式各樣的閥門。球閥是20世紀(jì)50年代問(wèn)世的一種新型閥門，具有外型尺寸小、質(zhì)量較輕、密封性好、流體阻力小、開關(guān)迅速方便、便于氣控和電控、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠性高、維修方便等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的歡迎，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為因此在各行各業(yè)的管道上被廣泛采用。很多單位和機(jī)構(gòu)開始研究高質(zhì)量的球閥，無(wú)論從閥體、球體、閥桿、球座、密封元件、驅(qū)動(dòng)裝置等，都得到了很大程度的發(fā)展。隨著球閥的廣泛使用，對(duì)其設(shè)計(jì)提出了更高的要求，本文就球體與閥桿一體化方面進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與分析，使球閥的部分性能得到了優(yōu)化，使之能更加安全，穩(wěn)定的工作。

1、存在問(wèn)題

　　現(xiàn)在普遍使用的球閥大都是球體與閥桿是兩個(gè)獨(dú)立的零件，如圖1所示。通過(guò)連接處的間隙配合，使之達(dá)到開啟閉合的效果，這樣的連接形式，使用時(shí)間久了就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)不準(zhǔn)確，帶來(lái)很大的危害。例如在煤制油、油改煤以及煤氣化等煤化工系統(tǒng)處于介質(zhì)(煤渣)高硬度、高壓力及高溫度的工況下，閥門應(yīng)具有耐磨、耐沖刷及快速切斷等功能。閥門啟閉頻繁且速度快(30min動(dòng)作一次，5～10s/次)，在這種情況下閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)必須準(zhǔn)確，否則會(huì)對(duì)密封性、使用壽命、流量和流速有嚴(yán)重的影響。對(duì)圖1所示的球閥來(lái)說(shuō)，閥桿與球體接觸部位應(yīng)力過(guò)大，很容易引起硬化層的剝落，從而使轉(zhuǎn)動(dòng)精度降低。例如，本來(lái)是閥桿旋轉(zhuǎn)90°而終止，由于硬化層的脫落，結(jié)果球體有可能旋轉(zhuǎn)了88°，這樣會(huì)帶來(lái)一定的阻力，會(huì)使閥門的壽命大大縮短，而且硬化層的脫落會(huì)導(dǎo)致密封失效。

圖1 一種常用球閥結(jié)構(gòu)示意圖

　　當(dāng)啟閉閥門時(shí)，閥桿與球體的作用部位就會(huì)形成比壓，由于閥桿與球體之間的連接是間隙配合，導(dǎo)致在接觸面上的比壓分布也是不均勻的(圖2)，越靠近閥桿的邊緣部分?jǐn)D壓應(yīng)力δzy越大，這樣造成邊緣部分因應(yīng)力過(guò)大而提前使表面層脫落。相比之下，中間部分所受到的應(yīng)力會(huì)相應(yīng)減少。

圖2 閥桿頭部比壓分布

　　由于存在應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，會(huì)對(duì)閥門的使用壽命造成一定的影響。

　　在特定的環(huán)境中，閥桿有沖出體外的可能。閥桿沖出體外，導(dǎo)致閥桿的轉(zhuǎn)動(dòng)不能帶動(dòng)球體的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就不能使球閥進(jìn)行正常的工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成重大事故。對(duì)于上述這些情況，把球體與閥桿做成一個(gè)整體，使閥桿球體一體化，就會(huì)避免這種因間隙配合引起的種種失效，同時(shí)也不會(huì)使閥桿沖出體外。

2、優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　閥桿球體一體化，做成固定式硬密封球閥，這樣可以優(yōu)化普通球閥的一些性能，使之能夠更加高效、安全地進(jìn)行工作。下面以4"QS347Y-600Lb對(duì)分硬密封球閥為例(圖3)，進(jìn)行分析。

圖3 4"QS347Y-600Lb對(duì)分硬密封球閥

2.1、球桿一體的具體加工方法

　　對(duì)于閥桿，材料應(yīng)符合GB/T1220的規(guī)定，選用17-4PH不銹鋼，它是馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，其性能特點(diǎn)是易于通過(guò)變動(dòng)熱處理工藝調(diào)整強(qiáng)度級(jí)別，并且該材料衰減性能好，抗腐蝕疲勞及抗水滴性能強(qiáng)，適合制作像閥桿這樣的軸類零件。鍛件要進(jìn)行固溶處理，使合金中各種相充分溶解，強(qiáng)化固溶體，并提高韌性及抗蝕性能，消除應(yīng)力與軟化，以便繼續(xù)加工或成型，經(jīng)熱處理后硬度要達(dá)到40~42HRC。

　　對(duì)于球體，材料應(yīng)符合ASTMA182的規(guī)定，選用F304不銹鋼，它是一種通用性的不銹鋼材料，防銹性能比200系列的不銹鋼材料要強(qiáng)。耐高溫方面也比較好，304不銹鋼具有優(yōu)良的不銹耐腐蝕性能和較好的抗晶間腐蝕性能。對(duì)氧化性酸，在實(shí)驗(yàn)中得出：濃度≤65%的沸騰溫度以下的硝酸中，304不銹鋼具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，對(duì)堿溶液及大部分有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸亦具有良好的耐腐蝕能力。球體與閥桿一樣，也要進(jìn)行鍛件的固溶處理，改善鋼和合金的塑性和韌性，為沉淀硬化處理作好準(zhǔn)備。

　　球體與閥桿連接部位的尺寸Φ48與閥桿過(guò)盈配合0.15~0.20mm，具體加工方法為：將球體加熱到400℃，保溫20min，然后將閥桿精確地插入球體，使之冷卻后進(jìn)行焊接，球體與閥桿的焊接部位如圖4所示，并及時(shí)回火消除應(yīng)力。這樣，閥桿與球體就被焊接成了一個(gè)整體，然后噴焊Ni60，Ni60的化學(xué)成分和主要性能見表1。

表1 Ni60自熔合金的化學(xué)成分和主要性能

圖4 球體與閥桿焊接部位示意圖

　　Ni60粉噴焊層硬度在60HRC左右，與滲碳、滲氮、滲硼、鍍鉻和某些堆焊合金等表面硬化處理后的硬度相當(dāng)，并具有優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化的綜合性能，已被廣泛用于冶金、機(jī)械、礦山、石油、化工、輕工、汽車等領(lǐng)域易損部件的修復(fù)和保護(hù)，能幾倍乃至幾十倍地提高使用壽命，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同樣，在球體與閥桿上噴焊Ni60是對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化，使之具有較高的硬度和優(yōu)良的耐磨性等綜合性能。

　　Ni60噴焊工藝流程如圖5所示，其中表面處理與預(yù)熱尤為重要。噴焊層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，除取決于自熔合金粉末性能和噴焊工藝操作外，還與被噴工件表面處理是否符合要求有直接關(guān)系。對(duì)于預(yù)修復(fù)工件的表面疲勞層、滲碳層、氧化層、鍍鉻層、銹斑、油污等需先除去。處理方法(手工)：用角向磨光機(jī)或電動(dòng)磨頭清理至露出基體金屬本身光澤為宜。對(duì)噴焊工件進(jìn)行預(yù)熱，是為了蒸發(fā)工件表面的水份，并使基體有一定的預(yù)膨脹，提高粉末噴敷沉積率，同時(shí)有助于焊層重熔時(shí)與基體的結(jié)合。預(yù)熱溫度取決于工件大小及基體的抗氧化性能，一般較小或基體易氧化的工件采用150~200℃預(yù)熱。

圖5 Ni60噴焊工藝流程

2.2、重要參數(shù)的計(jì)算

　　球桿一體化固定式硬密封球閥的一些重要參數(shù)的計(jì)算方法如下。

　　2.2.1、閥體壁厚S'B

(1)

　　式中：S'B為計(jì)算厚度，mm;p為計(jì)算壓力，MPa;Dn為計(jì)算內(nèi)徑，mm;[σL]為許用拉應(yīng)力，MPa;C為腐蝕余量，mm。

　　當(dāng)閥體實(shí)際厚度SB≥S'B時(shí)，強(qiáng)度合格。

　　2.2.2、密封比壓q

　　q=DMJ(PS-PN)/(4bM) (2)

　　式中：DMJ為密封面平均直徑，mm;PS為整定壓力(設(shè)計(jì)選定約1.1PN)，MPa;PN為公稱壓力，MPa;bM為密封面寬度，mm;qMF為密封面上必須的比壓，MPa;[q]為密封面許用比壓，MPa。

　　密封比壓應(yīng)當(dāng)滿足qMF<q<[q]。

　　2.2.3、閥桿的總力矩MF

MF=MQC+MFT+MZC (3)

MQC=MQC1+MQC2 (4)

MFT=0.5QTΦ桿 (5)

MZC=0.3927D2JHPNfzDQJ (6)

　　式中：MQC1為閥座對(duì)球預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，N·mm;MQC2為介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩，N·mm;QT為填料與閥桿的摩擦力，N;Φ桿為閥桿直徑，mm;DJH為閥座套筒外徑，mm;fz為摩擦因數(shù);DQJ為軸頸直徑，mm。

　　2.2.4、斷面扭應(yīng)力

　�、駭嗝媾�應(yīng)力(方頭)：

　　由于閥桿頭部與閥體接觸，承受很大的扭應(yīng)力，為滿足性能的要求，應(yīng)當(dāng)計(jì)算斷面扭應(yīng)力，使之小于許用扭應(yīng)力。斷面位置如圖6所示。

τN1=MF/W1 (7)

　　Ⅱ斷面扭應(yīng)力(閥桿)：

　　閥桿與閥桿頭部的部位直徑突然變小，最容易發(fā)生扭曲、變形，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。所以要計(jì)算閥桿與頭部的扭應(yīng)力，同樣使之要小于許用扭應(yīng)力。斷面位置如圖6所示。

圖6 閥桿頭部斷面位置

τN2=MF/W2 (8)

　　式中：W1、W2為抗扭斷面系數(shù)。

3、優(yōu)化分析

3.1、連接處應(yīng)力分析

　　圖1所示浮動(dòng)球閥，因?yàn)槭情g隙配合，所以在接觸面上的比壓分布是不均勻的。擠壓應(yīng)力δzy應(yīng)小于材料的許用擠壓應(yīng)力值[δzy]，為滿足要求，只能加大閥桿與球體接觸部位的尺寸。但加大閥桿與球體接觸部位的尺寸將減弱球體的強(qiáng)度，而且會(huì)使閥桿與球體接觸部位應(yīng)力過(guò)大，很容易引起硬化層的局部剝落，并逐步擴(kuò)展到了整個(gè)球的表面，導(dǎo)致密封失效。

　　對(duì)于球桿一體化固定球閥來(lái)說(shuō)就避免了這些問(wèn)題，它與普通的球閥相比較有以下優(yōu)點(diǎn)。

　　(1)閥前流體壓力在球體上產(chǎn)生的作用力全部傳遞給軸承，消除了由于進(jìn)口壓力推動(dòng)球體與密封座形成的巨大密封負(fù)荷而造成過(guò)大的扭矩，不會(huì)使球體向閥座移動(dòng)從而使閥座不會(huì)承受過(guò)大的壓力，所以固定球閥的轉(zhuǎn)矩小，閥座變形小，密封性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，適用于高壓、大口徑場(chǎng)合。

　　(2)又因?yàn)榍蝮w與閥桿焊接為一個(gè)整體，球體與驅(qū)動(dòng)裝置開啟的角度大小完全一致，使開啟、閉合更加準(zhǔn)確無(wú)誤，避免了像普通浮動(dòng)球閥那樣，球體跟閥桿隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其間隙配合帶來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)不準(zhǔn)確，甚至出現(xiàn)“假轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的弊端。

3.2、安全性能

　　對(duì)普通的球閥，特別對(duì)于老式上裝式閥桿的球閥，用它來(lái)輸送液化氣時(shí)，當(dāng)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，積存在閥座之間的閥體體腔內(nèi)的液化氣會(huì)因吸收外界熱量而大量氣化，造成體腔內(nèi)壓力異常升高。這種異常升壓現(xiàn)象可能會(huì)使閥桿沖出體外，如圖7所示。造成嚴(yán)重的事故，導(dǎo)致人員傷亡。而球體一體化閥門，因?yàn)榍蝮w跟閥桿焊接成一個(gè)整體，就從根本上避免了這種閥桿沖出體外的可能性，這樣就保證了工作環(huán)境的安全性和閥門的可靠性。

圖7 異常升壓使上裝式閥桿沖出體腔外的情形

3.3、適應(yīng)環(huán)境

　　煤制油(用煤液化法制油)是重點(diǎn)發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，國(guó)家已批準(zhǔn)在內(nèi)蒙古建設(shè)一套年產(chǎn)500萬(wàn)噸煤直接液化項(xiàng)目。煤直接液化裝置工藝條件十分苛刻，對(duì)閥門提出的要求非常高。此種球桿一體化硬密封球閥耐磨，且抗沖擊能力強(qiáng)，并且能夠在介質(zhì)溫度420~500℃、工作壓力17~30MPa的工況下工作。滿足了這種煤化工項(xiàng)目的要求，從而促進(jìn)了煤制油工藝發(fā)展。

　　球桿一體化固定式球閥的這些優(yōu)越性優(yōu)化了閥門的控制和安全性能，解決了閥門容易密封失效的難題。從而推動(dòng)了閥門行業(yè)的進(jìn)一步的發(fā)展，為閥門行業(yè)提供了一個(gè)很好的研發(fā)方向。

4、結(jié)束語(yǔ)

　　為適應(yīng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，適應(yīng)各行各業(yè)不同介質(zhì)和管路提出的新要求，在閥門行業(yè)廣大科技人員的努力下，球閥結(jié)構(gòu)不斷地被改進(jìn)，但是此種設(shè)計(jì)也有一定的不足之處。例如，加工工藝復(fù)雜、成本高、對(duì)加工設(shè)備的性能要求相對(duì)較高等，所以其設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步研究及優(yōu)化。我們應(yīng)努力開發(fā)科技含量高、滿足工程參數(shù)需要、安全性好、可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、易于管道清掃、啟閉迅速的球閥。只有這種高性能的產(chǎn)品才具有廣闊的市場(chǎng)和重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。