球閥球體與閥桿一體化設(shè)計(jì)與分析

2014-09-06 張曉 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

  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。

一種常用球閥結(jié)構(gòu)示意圖

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。

閥桿頭部比壓分布

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。

4"QS347Y-600Lb對(duì)分硬密封球閥

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

Ni60自熔合金的化學(xué)成分和主要性能

球體與閥桿焊接部位示意圖

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。

Ni60噴焊工藝流程

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

閥體壁厚(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(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。

閥桿頭部斷面位置

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。

異常升壓使上裝式閥桿沖出體腔外的情形

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。