高温高压金属硬密封球阀结构优化方案

01 高温高压金属硬密封球阀结构优化方案概述

球阀在管道系统上主要用于切断、分配和改变介质流动方向。球阀的启闭件为一个球体，利用球体绕阀杆的轴线旋转90°实现开启和关闭的目的。球阀具有结构简单、体积小、质量轻、材料好用少、安装尺寸小等优点，是近些年发展*快的阀门品种之一。

零泄漏高温高压球阀是针对现役各系统用球阀存在的高温高压下其密封性能无法满足要求的问题而研究制造的新型球阀，通过改变现有高温高压球阀的驱动装置及密封结构形式，来实现高温高压工况下球阀的零泄漏。

金 属硬密封浮动球阀的球体与阀座完全采用金属对金属的密封方式，为了确保阀门在各种温度和压力下的可靠密封，针对用户的不同使用工况和要求，可以采用多种先 进的球体和阀座的硬化技术，包括超音速喷涂、镍基喷焊、表面特殊硬化、硬质合金喷焊以及采用高强度高硬度陶瓷材料等，球体和阀座表面硬度一般可达到HRC60以上，*高可达HRC74以上。密封面材料耐温可达540℃,*高可达980℃。材料的结合强度可以达到10000PSI以上，密封面材料还具有很好的耐磨擦、耐冲击等性能。金属硬密封球阀能够适用于绝大多数的苛刻工况条件。

金属硬密封球阀产品特点：

1、阀座采用圆柱形弹簧加截的金属硬密封结构，能适应于较高温度及各种粉尘与固体颗粒介质。

2、采用下装式阀杆、设置倒密封结构，确保填料处可靠密封及防止阀杆脱出。

3、本身具有防火防静电功能。

4、手柄与阀杆采用扁方型连接。也可根据需要加锁定结构，防止误操作。

02高温高压金属硬密封球阀结构优化方案结构特性

现有的球阀结构中，阀杆与阀体或阀盖之间普遍采用柔性石墨填料密封。填料密封虽然具有结构简单、成本低、适用广等优点，同时也有以下几种缺点：

①填料与阀杆直接接触，且相对转动，会造成阀杆与填料的磨损，长期的使用会发生填料的泄漏。

②填料与阀杆之间的摩擦，造成驱动装置有效功率的降低，驱动装置的部分功率消耗在阀杆与填料的摩擦上，造成驱动装置的无用功耗。

③在高温高压工况下，阀门一旦发生泄漏，就有可能造成不可逆转的危害或者伤害，所以这种工况下，阀门的安全性至关重要。

零泄漏高温高压球阀采用全封闭结构型式，使用屏蔽式电动装置取代原有的电动装置，这种电动装置可以直接与阀体连接，并且承受阀门的压力，使球阀阀杆与电动装置之间不需要填料来进行密封，不仅可以避免外泄漏，还可以减少填料所带来的开关阀阻力，提高了整机外密封性能和维修性能。电动装置与阀体之间采用不锈钢石墨缠绕垫密封，这种密封结构在高温高压工况具有广泛的应用示例， 并经过各种工况的试验验证，包括湿热交替工况及寿命验证等，完全可以满足零泄漏的要求。

03 高温高压金属硬密封球阀结构优化方案结构组成

零泄漏高温高压球阀由屏蔽式电动装置、阀门本体组成。屏蔽式电动装置将屏蔽式电机与齿轮减速传动机构设计为一体式结构，体积比传统的电动装置小很多。阀门本体由左右阀体、中阀体、球体、阀座、密封圈、补偿弹簧等组成。零泄漏高温高压球阀结构见

。

用于截断或接通管路中的介质。选用不同的材质，金属硬密封球阀可分别适用于非腐蚀型介质、弱腐蚀性介质、硝酸、醋酸、氧化性介质、尿素等多种介质，特别适用于含固体颗粒介质、料浆、煤粉、灰渣等苛刻工况。硬密封球阀的驱动方式为手动、蜗轮传动、气动或电动。金属硬密封球阀一般采用法兰连接，也可采用对焊连接。

阀座硬化技术

金属硬密封球阀的球体与阀座完全采用金属对金属的密封方式，为了确保硬密封球阀在各种温度和压力下的可靠密封，针对用户的不同使用工况和要求，可以采用多种先进的球体和阀座的硬化技术，包括超音速喷涂、镍基喷焊、表面特殊硬化、硬质合金喷焊等，球体和阀座表面硬度一般可达到HRC60以上，较高可达HRC74以上。密封面材料耐温可达540℃，较高可达980℃。金属硬密封法兰球阀材料的结合强度可以达到10000PSI以上，密封面材料还具有很好的耐磨擦、耐冲击等性能。硬密封固定球阀能够适用于绝大多数的苛刻工况条件。

防止阀门在高温下的涨死

    高温工况下由于热膨胀而容易引起球体与阀座的涨死，从而导致阀门无法开启。属硬密封球阀采用了碟簧或弹簧加载的密封结构，在高温下零部件的热膨胀可以被碟簧或弹簧所吸收，故能够保证阀门在高温下不会被涨死，并能够在高温下灵活启闭。

优异的密封性能

    采用的球体研磨工艺，通过球体与研磨器具在空间不同方位的旋转，使球体表面达到的圆度和光洁度，阀门的密封性能完全达到或超过标准要求。

完全的防火结构设计

    阀门的密封面采用金属对金属密封结构，填料采用柔性石墨，垫片采用不锈钢＋柔性石墨结构。因此，阀门即使在火灾情况下也能确保可靠的密封。

自然的防静电结构设计

    金属硬密封球阀的阀体、阀座、球体等金属零件紧密接触，自然形成了静电通道。因此，金属硬密封球阀不需要设置专门的防静电装置。

双阻断及泄放功能

硬密封固定球阀一般采用球前阀座密封结构。金属硬密封固定球阀的两个阀座能独立切断进口端和出口端的介质，实现双阻断功能。当球阀关闭时，即使阀门进出口两端同时受压，阀门中腔和两端通道也可以被相互阻断，中腔内的剩余介质可以通过泄放阀排出。

3.1  高温高压金属硬密封球阀结构优化方案屏蔽式电动装置

屏蔽式电动控制装置是零泄漏高温高压球阀的执行机构，为球阀开启/关闭提供动力支持，也作为系统压力边界的组成部分。

屏蔽式电动控制装置主要由屏蔽式电机、屏蔽套和减速机构等组成。屏蔽式电机与普通电机*大的区别在于转子置于屏蔽套内。屏蔽套形成一个环腔，将屏蔽式电机的定子与转子分开，同时减速器也装在屏蔽套内部。电机输出转矩通过减速器的变速后直接输出到球阀阀杆上，这样就通过屏蔽套将球阀内介质与屏蔽套外部机构的隔离，从而使阀门的动作行程在其全封闭结构中。

3.2  高温高压金属硬密封球阀结构优化方案球体

球阀球体的上阀杆与球体、下阀杆集成为一体，整体加工，上端与电动装置输出轴直接连接，使电动装置输出的转矩直接作用在球体上，避免因承受载荷件过多引起的潜在风险。

球体与上下阀杆为一体式结构，提高了球阀旋转部件整体强度。球体密封面与阀杆导向面采用精密封加工中心一次完成加工，保证了球阀密封面的精度。球体密封面堆焊硬质合金，经高精度加工和研磨后表面粗糙度Ra≤0.2μm，保证球阀内密封副密封性和使用寿命。

球体的上阀杆安装有定位键，与阀体定位挡块共同作用，实现球体开关阀圆周位置的精确定位。球体上下阀轴安装在一对推力轴承上，并通过下定位套将球体精确位，从而保证了球体的旋转中心与阀座中心完全重合，保证了密封性能，减小了摩擦阻力。上下阀杆与定位套之间配合间隙经计算校核，同时考虑了热膨胀变形等因素影响，既保证了球体的对定位的需要，又保证了球体相对阀座的对中性，确保了球体在转动过程中不会产生卡滞现象。

3.3 高温高压金属硬密封球阀结构优化方案 阀座

阀座采用具有弹性补偿和压力自平衡功能的浮动式结构。阀座与阀体之间设有弹簧蓄能密封圈和加载弹簧，加载弹簧的刚度经精确计算，以保证阀座在任何工况下满足密封性要求。弹簧蓄能圈安装在阀体与阀座轴之间。球阀关闭后，通过阀座与中阀体间隙进入压力平衡腔内压力作用于阀座轴，将阀座推向球体，同时，压力平衡腔外的介质，作用于阀座密封中线，将阀座推离球体。阀座轴直径与阀座密封中线直径设计时经过计算校核，保证阀座轴直径与阀座密封中线直径，提高了阀座自平衡性能。

阀座密封面堆焊硬质合金，密封面及运动配合表加工后进行研磨处理，同时，阀座与阀体之间的配合间隙考虑了热膨胀、运动磨损等因素的影响。阀座在阀体导向套内动作合理，不会产生任何卡滞现象，保证阀座在任何工况下的自动补偿性能。

左右阀体与中阀体采用不锈钢石墨缠绕垫密封，使用多个螺栓预紧。螺栓预紧力经计算校核，保证左右阀体与中阀体的密封性能。

高温高压金属硬密封球阀结构优化方案主要零件材料 Materials Of main Parts

高温高压金属硬密封球阀结构优化方案外形结构图

04 高温高压金属硬密封球阀结构优化方案结语

高温高压工况下对阀门的安全性、密封性、可靠性要求严格，在设计、制造过程中应充分考虑阀门的强度、材料、工艺和装配等因素。了解和掌握了零泄漏高温高压球阀的结构及密封原理，设计和制造性能可靠的产品，有利于零泄漏高温高压球阀将在高温高压工况下广泛使用，有利于维修保障部门对这类阀门的检修和保养。

本公司生产的金属硬密封浮动球阀解 决了防密封表面粘带和高温卡阻的现象，采用了弹性加载结构，在正常关闭情况下确保了球体密封面与阀座密封之间的接触，在高温工况下，能有效补偿内件受热膨 胀，避免因高浊而导致的卡阻，适合于中小口径高温使用场合。球体表面采用特殊表面硬化处理，阀座整体用特种硬质材料或局部堆焊硬质材料，确保密封圈之间有 合适的硬度差，因此适合固体颗粒和磨料介质。由于密封填料方面采用柔性石墨，金属缠绕式垫片，能用于高温、高压工况，并具有耐火烧功能。