超高温金属密封球阀结构改进方案

超高温金属密封球阀结构改进方案

金属密封球阀广泛应用于石油、化工、电力、制药、食品和轻工等行业，其使用温度小于550℃。在高温或者超高温情况下使用，容易引起阀杆和球体变形，从而不能正常开启或者关闭阀门。超高温金属密封球阀的各部位设有合理的冷却机构，保证了阀门在超高温下长时间的正常工作。相对于软密封(密封材料为聚四氟乙烯、橡胶等塑料)球阀而言，硬密封球阀的密封材料及设计结构都能更好的适用于耐高温的领域中。本文将就耐高温硬密封球阀的结构设计以及各零部件的材料选用进行简要概述。确定阀门材料的*高工作温度和*高极限温度时需要考虑的性能是：抗拉强度、冲击强度和高温时效。其他因素是：抗氧化性、热处理温度和抗磨损性。设计原则包括：当材料的热膨胀率不同时，运动零件和配合件(松配合)的间隙，以及与温度、负荷、接触程度(如关闭或振动引起的重要冲击)都和材料擦伤有关。还要考虑到热循环对阀门密封、阀座垫片密封及导向套的松动的影响。

2 超高温金属密封球阀结构改进方案结构特点

超高温金属密封球阀由阀体、阀盖、顶盖、球体、阀杆、阀座组件及传动装置等组成（图1）。阀杆分为下阀杆和上阀杆，上阀杆与球体为一体式结构，下阀杆与球体相配合。在球体内设置了冷却腔，阀杆内有通孔，通孔与冷却腔相通，阀门在超高温下工作时，可以给球体通冷却液冷却，避免阀杆和球体长时间在超高温下工作变形。阀座组件由阀座本体、波纹管和阀座支撑件组成，阀体上有孔和阀座组件上的冷却槽相通，可以通冷却液冷却阀座，以保证阀门在超高温下的密封性能。阀座组件上两组波纹管的设置使得安装时阀座对球体的预紧力增加，而工作中，即使球体受热膨胀，通过波纹管弹性变形，可以避免阀座和球体卡住。阀座本体采用GH3128高温合金钢加工成型，使得阀座本体具有更好的耐高温性能，避免阀座本体变形而引起的泄漏。

3 超高温金属密封球阀结构改进方案

3.1 阀盖冷却

冷却液从阀体下部的1A口进入，经保温夹套内壁，从阀体上部的1B口流出（图2）。高温工况下阀门主体材料材料一般选用奥氏体不锈钢和高温铬钼钢。较为常用的为几个牌号为ASTMA217中的WC9和C5。WC9广泛应用于热力和电力系统等介质为水和蒸气的高温高压状态中。C5适用于含硫石油介质中，同时还具有抗氢腐蚀能力，因此广泛应用于石油炼制及乙烯生产含硫介质的高温中。ASTMA351中的CF8和CF3常用于强腐蚀介质的阀门中。上述材料规定的一般工作温度为WC9≤593℃，C5≤593℃，CF3≤427℃，CF8≤537℃。奥氏体不锈钢和高温铬钼钢相比较而言，奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能强于高温铬钼钢，但高温铬钼钢的耐高温性能高于奥氏体不锈钢，并且两者的价格也有一定的差距，在选用阀门主体材料时，认为应根据阀门实际的使用工况条件来决定。

3.2 超高温金属密封球阀结构改进方案阀体冷却

由于施加于阀座垫片上的负荷必须超过垫片的屈服极限才能密封，而恶劣的热循环又会进一步引起垫片的蠕变和渗漏，因此，在高压热循环状态时，*好是避免采用阀座垫片的型式。阀座密封采用柔性石墨环，柔性石墨有极强的耐压性、柔韧性、可塑性和自润滑性;并且能够很好的适用于各种抗高、低温的工况条件中。采用石墨的密封结构同样应用与阀杆密封结构。弹簧作为弹性密封阀座结构的主要零部件，应注意以下两点：

(1)高温会降低弹簧的回火性能，(或降低硬度)减少弹性模量，引起使用负荷和弹性极限的降低，并使腐蚀增加和弹簧*终的失效。因此，弹簧材料应使用耐腐蚀材料或镍基合金。

(2)在介质为煤浆等含颗粒杂质较多的情况下，螺旋弹簧容易因为颗粒杂质较多的原因而导致失效，因此在此情况下应选用平板弹簧。

3.3超高温金属密封球阀结构改进方案 阀杆及球体冷却

上阀杆和球体为一体式，球体由球面和通道管组焊，下阀杆和球体配合连接，冷却液从下阀杆通孔3A进入，流经球体冷却腔，从上阀杆顶端3B口流出。
3.4 阀座组件冷却
阀座组件的冷却液从阀体下部进水孔4A进入，流入波纹管外侧的环形冷却槽，通过阀座支撑件上的孔流入第二波纹管内侧环形冷却槽，再通过阀座支撑件上的孔从法兰上的4B口流出。
3.5 上阀杆二次冷却
由于上阀杆较长，而阀杆内的冷却水又是从下阀杆经过球体冷却腔流到上阀杆的，所以在顶盖位置对上阀杆增加了二次冷却。冷却液从5A处进入，经过顶盖和阀杆之间的空间，从5B口流出。阀杆密封冷却是冷却液从6A进入，经过填料上部，从6B口流出（图6）。

4 超高温金属密封球阀结构改进方案结语
在超高温金属密封球阀的设计和研制过程中，其冷却结构的设计是成功的关键。高温球阀相对一般的常温球阀而言，对阀门的材料选用、结构设计及加工精度的要求都极高。完善的质量保证体系和过程控制，才能生产出一台完全符合性能的球阀产品。