0概述
目前铸石耐磨耐腐蚀球阀安装在电站锅炉水除灰管道系统上,作为启闭装置专用调节阀。该产品在使用过程中还存在一些问题,如阀座密封与球芯接触面积大,致使驱运力矩增大,阀门开关不够灵活,上下阀杆设计过大,使用的原材料利用率过低,阀座结构不合理及上密封处有渗水和漏水现象发生。为了解决这些问题,改进了耐磨耐腐蚀球阀结构形式及材料。
1 结构改进
1.1 阀体
图1 铸造阀体
图2 铆焊阀体
过去的阀体多为铸造件(见图1),铸造过程中存在着不确定因素,如气孔、砂眼、疏松、夹渣、缩孔、裂纹等,影响阀门整体机械性能。为了向高参数及高性能方向发展,充分发挥铆焊加工能力特点,参照国内外同类产品,采用混合离散变量的最优化设计方法及韧性好的钢板材料焊接而成,见图2。与铸造件比较,钢板焊接的阀体壁厚可以减薄,且强度高、韧性好,质量比铸造的阀体可减轻约1/6。
1.2 阀座
图3 阀座密封圈
阀座密封结构是球阀密封性能的关键,直接影响球阀的使用寿命。原阀座密封圈结构(见图3(a))由于阀座密封圈角度太大,与球芯接触面积大,抱球芯抱的紧,产生的力矩相对就大。以DN400的球芯阀座为例,质量为3kg,结构改进后的阀座密封圈(见图3(b))与球芯为线接触,接触面积小,使得阀门开启灵活,且阀座密封圈质量降低了1/3左右。
1.3 球芯
原球芯直径设计过大,使用的阀体中腔过大,造成材料浪费,利用率低。原球芯(见图4(a))质量为380kg,改进后的球芯(见图4(b))质量为285kg,且改进后的球芯强度、密封位置都能得到保证。改进后,球芯充填层加大,使用得耐磨层材料玄武岩铸石粘贴更加牢固,不会发生耐磨材料的脱落现象的发生。
图4 球芯
根据文献[1],通孔球阀内径d=DN,球体径为R=08DN,球体面距
1.4 上阀杆
原DN400阀杆是由2Cr13150棒料车制而成,由于上阀杆的O型密封圈与DF复合轴承的尺寸一样,而DF复合轴承是开口的,装配起来很不方便,且维修起来也很麻烦。为此,对上阀杆做了改进,见图5。改进后在阀杆与阀体密封处车一个台阶,与DF复合轴承尺寸不一致,各部台阶处有圆角,避免了啃O型密封圈现象的发生。经过重新对阀杆强度计算,阀杆直径可以比原设计减少20%左右。
图5 上阀杆
1.5 下阀杆
原下阀杆由下轴和法兰组成,首先车好下轴和法兰止口,后进行焊接,再退火处理。按图车好各部位,装配时调整很不方便,为此对下阀杆进行如下改进,见图6。把下阀杆由部件改为两个单独的零件,这样可以省去退火处理工序,而且加工起来也很方便,且成本降低不少。
图6 下阀杆
1.6 球阀阀座
原阀座与球芯是固定不变的,现改为阀座是可调试结构(见图7),其O型密封圈压缩量可按如下计算:固定密封时,预压缩量为025d;滑动密封时,预压缩量为015d;固定球阀密封时,预压缩量为015d。
图7 阀盖与阀体间密封
2 结构改进的主要技术参数及特点
2.1 主要技术参数
公称压力PN=25MPa;公称通径DN=400mm;适用温度t=-40~100.适用介质为渣水、矿浆、水、石油。
2.2 特点
结构简单、体积小、质量轻。流体阻力小、全通道、便于清扫。开关轻便、灵活、维修方便、阀座可调。球阀通道及球芯内衬玄武岩铸石耐磨材料起到耐磨防腐的作用。铸石材料有极高的耐磨、耐腐蚀性能。表1为铸石物理性能表,表2为铸石化学性能表。
表1 铸石物理性能
表2 铸石化学性能 %
在相同条件下,几种材料的磨损量如图8所示。
图8 几种材料的磨损量
3 设计计算
3.1 阀体壁厚
球阀剖面图如图9所示。阀体的计算厚度SB‘ 为
式中:P1为计算压力,MPa;Dn为计算内径,mm;[
图9 球阀剖面图
当阀体实际厚度SB≥SB!时,强度合格。
3.2 密封比压
阀前密封比压qi为
阀后密封比压q0为
验算合格条件为qMN<q<[q]
式中:q为密封面上必需的比压,MPa;[q]为密封面许用比压,MPa;为球体的密封圈接触点与通道轴法向夹角,(o);p2为设计压力,MPa;DJH、DMN、DMW、R、H和DCH如图9所示;h为阀门最外口的直径;qMN为球阀最小预警比压。
3.3 阀杆强度
阀杆力矩公式为
MF=MQG+MFT+MZC
式中:MF为阀杆力矩,N.mm;MQG为球体与阀座密封面间的摩擦力矩,N.mm;MFT为填料与阀杆阀的摩擦力矩;MZC为轴承产生的摩擦力矩,N.mm。
MQG=MQG1+MQG2
式中:MQG1为阀座对球体的预紧力产生的摩擦力矩,N.mm;MQG2为由介质工作压力产生的摩擦力矩。
式中:qm为球体最小预紧比压,MPa;fm为球体与密封面摩擦系数(取fm=0.05~0.1);DQJ为轴径,设计给定,mm;fz为轴承摩擦系数,取0.05~0.1;p3为介质压力。
阀杆端头扭转剪切应力(见图10)τ N为
式中
对于正方形断面[1]
图10 阀杆端部
4 结束语
改进后的耐磨耐腐蚀球阀,消除了颗粒对阀门的磨粒磨损及腐蚀问题,改善了球阀密封质量,阀门开关灵活,减轻了操作人员的劳动强度,提高了劳动效率和工作质量。实际运行证明:开关运行可靠,经久耐用、使用寿命长,是目前电厂、矿山除灰、排渣系统较为理想的一种控制阀门。
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