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金屬密封耐磨損球閥的研究與設計
隨著科學技術的發展以及現代工業的需求，金屬密封球閥在輸送特殊介質的工況中（如紙漿、水煤漿和硅粉等含有固體顆粒的混合液）得到越來越廣泛的應用。根據工況要求，研制了金屬密封耐磨損球閥。
2 結構特點
金屬密封耐磨損球閥采用彈性具有自動補償功能的閥座結構，防止閥門在含有顆粒介質的工況中或高溫情況下出現卡塞現象，提高了閥門使用壽命。球體和閥座具有良好的剪切和自潔功能，適合對顆粒介質和纖維介質的控制。閥桿采用側裝式，能確保填料處可靠密封以及閥桿防吹出。閥門采用雙向密封結構，即提高了閥門的密封性能，也保證了介質逆向流動時的密封性能，為防止介質倒流提供了必要的保障。球體和閥座密封面噴涂耐高溫高壓、耐腐蝕和耐磨損的硬質合金。
3 技術處理
（1）金屬密封球閥的密封比壓較高，在結構設計中考慮密封比壓所需要的彈簧預緊力，采用下游閥座固定，上游閥座后設置碟形彈簧補償結構。
（2）考慮溫度對金屬材料的線性膨脹影響，采用高負載碟形彈簧。既提供了閥門密封比壓所需要的初始預緊力，也避免了因溫度原因引起球體與閥座卡阻現象，確保閥門啟閉靈活。由于固體顆粒介質進入碟簧行程區會引起碟簧卡阻失效，增設了碟簧保護結構，確保閥門在低壓情況下的密封性能。
（3）由于輸送的介質中所含的固體顆粒硬度較高，要求球體與閥座表面具有較高的硬度。否則，閥門啟閉的過程中會有固體顆粒鑲嵌在球體表面上，影響閥門的整體密封性能。因此球體表面與閥座表面噴涂碳化鎢鈷、鎳基合金或碳化鉻等材料。使密封表面硬度達到56～64HRC。不同的噴涂材料，可以獲得不同的硬度。
（4）閥座設計成具有自潔功能的刮刀結構，在閥門啟閉過程中，能對球體表面吸附物進行刮削，防止固體顆粒進入閥門密封面，增加了閥門使用壽命。
（5）球體和閥座采用數控機床加工，專用球面磨床磨削，以及專用研磨機配對研磨。
4 設計計算
以浮動式DN50-PN6.3金屬密封球閥為例（圖1，表1），進行密封比壓、總摩擦扭矩、碟形彈簧負載的計算。
圖1 浮動式金屬密封耐磨損球閥
表1 性能參數
4.1 密封比壓硬質合金密封面的必需密封比壓qb為
（1）
式中 m———與流體性質有關的系數
a和c———與密封材料有關的系數
P———流體的工作壓力，MPa
b———密封面在投影寬度，mm
計算得出qb=14.15MPa。
設計密封比壓q為
（2）
式中 Q———密封力（密封面處介質力Qmj與碟形彈簧初始預緊力F的合力），N
D2———閥座外徑，mm
D1———閥座內徑，mm
計算得出q=53.29MPa。
查表得材料許用比壓［q］=80MPa。因為qb＜q＜［q］，金屬密封球閥密封比壓初步設計參數滿足要求。
4.2 總摩擦扭矩
浮動球金屬密封球閥扭矩M為
M=Mm+Mt+Mμ （3）
式中 Mm———球體與閥座密封面間的摩擦扭矩，N·mm
Mm=Mm1+Mm2
Mm1———球體與左閥座密封面間的摩擦轉矩，N·mm
Mm2———球體與右閥座密封面間的摩擦轉矩，N·mm
QMZ———球體與右閥座密封面間的摩擦轉矩，N·mm
F———實際彈簧加載預緊力，N
fM———球面與密封面的摩擦系數
R———球體半徑，mm
φ———球體與密封圈接觸點與通道軸法向夾角，（°）
Mt———閥桿與填料間的摩擦扭矩，N·mm
Mt=1．2πμtdFhTP
μt———摩擦系數
dF———閥桿直徑，mm
hF———填料總深度，mm
Mμ———閥桿臺肩與止推墊間的摩擦扭矩，N·mm
DT———閥桿凸肩直徑，mm
將數值代入，可算得M。
4.3 碟形彈簧
根據設計要求，選擇無支承面碟形彈簧（圖2）。為保證最小必需比壓qminMPa，預緊作用力Q1和碟形彈簧負荷F為
圖2 碟形彈簧
因為選擇了無支承面碟簧，因此K4=1，總高H0=3.2mm，可壓總高h0=2.2mm，外徑D=72mm，內徑d=57.8mm，厚度t=1mm，減薄厚度t'=1mm，變形量f=1mm，彈性模量E=214000N/mm2，泊松比μ=0.3，可求得F=1629N。則F＞Q1，碟簧的結構設計可以保證球閥的初始密封。
4.4 參數分析
（1）根據計算數據可得qb＜q＜［q］，實現了球閥的金屬密封副密封。
（2）根據ASMEB16.34選取安全的閥門壁厚，并對中法蘭和螺栓螺母強度驗算。
（3）根據計算獲得的總摩擦扭矩對閥桿強度校核，并根據總摩擦扭矩選擇合理的執行機構。
（4）參照外型結構尺寸標準，完成整套圖紙設計。
5 結語
閥門通過強度性能試驗、密封性能試驗、抗磨損性能試驗以及實際工況使用證明，金屬密封耐磨損球閥適用于含有大量固體顆粒的高溫高壓介質工況，如聚丙烯項目中反應釜下料管道中含有大量聚丙烯顆粒工況，有機硅項目中含有高硬度硅粉顆粒工況等。
