CN103470806A - 一种浮动软密封焊接球阀的密封结构及其校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮动软密封焊接球阀的密封结构，包括延长管、加强平垫、球垫座、球垫、侧壁O型圈和圆柱弹簧，所述球垫紧靠着球体，与球体形成一个密封面B；所述球垫座的一侧表面连接球垫，另一侧表面连接加强平垫，所述球垫和延长管接触面之间设置有至少一个侧壁O型圈，所述延长管的两个内表面紧接加强平垫和球垫，形成一个密封面A；所述加强平垫中设有孔，该孔与圆柱弹簧相适配，所述圆柱弹簧压缩安装于该孔内；所述延长管内表面与加强平垫外表面相接触，加强平垫可沿着延长管内表面滑动。同时本发明还公开了该密封结构的校核方法。本发明有效的解决了传统的蝶形弹簧变形失效之难题。

Description

一种浮动软密封焊接球阀的密封结构及其校核方法

技术领域

本发明涉及球阀技术领域，尤其是浮动软密封焊接球阀的密封结构及其校核方法。

背景技术

通常浮动软密封焊接球阀根据其结构可分为固定式和浮动式两种。当结构设计采用浮动式结构时，球体在介质的压力作用下紧压在出口端的密封面上，达到密封目的；一旦阀体进出口压力差较大时，扭距就会很大。由于阀杆可以吸收管线介质压力产生的推力，并且可以减少球体和球垫之间的摩擦，因此即使在全压差下，操作阀门的扭矩仍然要求很低，球阀开关自如。浮动软密封焊接球阀最适宜直接做开闭使用，但近来的发展已将浮动软密封焊接球阀设计成使它具有节流和控制流量之用。

传统的浮动软密封焊接球阀结构见图1所示：通常由球体1、进口端密封部件2、出口端密封部件3、阀杆4组成，其中，球体1是重要的启闭件，利用球体1绕阀杆4的旋转90°实现球阀开启和关闭的目的。

防止球阀泄漏的进口端密封部件2，见图2所示，传统设计上一般由蝶形弹簧22、侧壁O型圈26、球垫21、球垫座25、平垫24和延长管23等组成。其密封原理如下：

1）当管道内介质压力很低时，蝶形弹簧22的作用力保证密封面B处的密封。

2）当管道内介质压力较高时，介质作用力在球体1上，推动整个球体1移动贴紧出口端密封部件3，密封面B处实现密封；在蝶形弹簧22及介质的作用下，使进口端密封部件2的密封面B处贴紧球面，实现进口端的密封，即实现双向密封。

但当阀门通径较大时，如200mm以上时，上述阀门结构原理就有缺陷和不合理性，具体如下：

①根据浮动软密封焊接球阀的结构特点可得：一、阀门密封圈总作用力有介质作用力和阀座预紧力两部分组成，介质作用力由设计要求决定，为减小密封圈的总作用力，应尽量保证阀座预紧力刚好满足密封材料的最小预紧力。二、虽然阀门设计结构为浮动式，但是应该保证球体1不能在介质的作用下偏移，如若偏移会导致阀门扭矩过大，造成阀门操作困难，甚至无法操作。

②如果选用蝶形弹簧：一般焊接浮动球阀门设计压力PN25，即管道允许最大工作压力2.5MPa，保证球体1不发生偏移方法有两个：一、压平蝶形弹簧22，显然不合适，因为碟簧最佳工作状态是其最大压缩量10%--75%，长期在介质的作用下，蝶形弹簧22作用力会慢慢减弱，甚至会发生永久性变形，无法恢复，阀门密封效果会变差，根本满足不了阀门几十年的寿命要求。二、蝶形弹簧22达到最大压缩量的75%，由计算知蝶形弹簧22的作用力为近10万牛顿，这样阀门的扭矩太大，阀门会操作困难。当蝶形弹簧作用力太大时，在阀门装配过程阀座的侧面（密封面B）很容易被破坏，从而使蝶形弹簧失效；蝶形弹簧失效后，在低压的情况下，进口端将无法密封；一旦管道内杂质损坏出口端处球垫21，就将很难再实现双向密封。

③相对讲，蝶形弹簧工序多：开模、冲裁、成型、热处理、表面处理的成本也较高。一般较大规格的焊接浮动软密封球阀并不适合使用蝶形弹簧。

发明内容

本发明所要解决的是：针对上述蝶形弹簧的缺陷或不足，提供一种新型的密封结构及其设计方法，以此来解决传统浮动软密封焊接球阀上的蝶形弹簧发生永久性变形、失效之难题。

本发明提供了一种浮动软密封焊接球阀的密封结构，如图3所示，包括延长管23、加强平垫27、球垫座25、球垫21和侧壁O型圈26，还包括圆柱弹簧28，所述球垫21紧靠着球体1，与球体1形成一个密封面B；所述球垫座25的一侧表面连接球垫21，另一侧表面连接加强平垫27，所述球垫21和延长管23接触面之间设置有至少一个侧壁O型圈26，所述延长管26的两个内表面紧贴加强平垫27和球垫21，形成一个密封面A；所述加强平垫27中设有孔，该孔与圆柱弹簧28相适配，所述圆柱弹簧28压缩安装于该孔内；所述延长管23内表面与加强平垫27外表面相接触，加强平垫27可沿着延长管23内表面滑动。

优选的，所述球垫21采用含量15%碳纤维的强化聚四氟乙烯制作。

所述加强平垫27上的孔的数量为20～25个。

所述延长管23采用表面高温磷化处理；所述球垫座25采用表面镀铬处理；所述加强平垫27采用表面镀铬处理；所述密封面A涂抹防锈脂。

同时，本发明还提供了一种浮动软密封焊接球阀的密封结构的校核方法，按照如下步骤进行：

第一步、计算密封结构的主要关键尺寸，当满足焊接浮动球阀密封比压计算公式q_MP＜q＜［q］时，密封结构尺寸合理；式中：

(1)极限比压_qMP=（1.8+0.9PN)／(b_M／10)^1/2，

其中，PN为设计压力，MPa；b_M为球垫21上的密封面宽度，mm；

(2)计算比压q=(D_MW+D_MN)PN／4(D_MW-D_MN)

其中，D_MW为球垫21密封面外径,mm；D_MN为球垫21密封面内径；

(3)许用比压［q］，查表得出；

第二步、检验选定的圆柱弹簧28的合理性，当满足判据公式F_TH≤F_TH’时，选定的圆柱弹簧28合理；式中：

(1)F_TH为圆柱弹簧28构成的弹簧组的压紧力，且

F_TH=π（D² _MW-D² _MN）_qMXmin+πD_MWb’mZ_qMFf

其中，q_MXmin为球垫13预紧密封的最小比压，MPa；f为侧壁O型圈26和延长管23侧壁摩擦因数；Z为侧壁O型圈26个数；q_MF为侧壁O型圈26上的比压，q_MF=（0.4+0.6P_o)／(b’_m／10)^1/2；b’_m为侧壁O型圈26与延长管23侧壁接触宽度，mm；P_o为腔体压力，MPa；

(2)F_TH’为圆柱弹簧28构成的弹簧组的最大弹力，且

F_TH’=L_max*N*n*G*D/8C⁴

其中，G为材料切变模量，MPa；C为圆柱弹簧28系数；n为圆柱弹簧28有效圈数；N为阀门进口端与出口端的圆柱弹簧28数量；L_max为圆柱弹簧28的最大压缩量，mm；

第三步、根据公式F_Q=F_ZJ+F_TH’计算球垫21对球体1的实际作用力F_Q的大小，当F_Q小于8万牛顿时，开启阀门的力的大小合理；式中：

F_ZJ为介质经球垫21压在球体1上的力，F_ZJ=πPN(D² _MW-D² _MN)/4。

本发明的浮动软密封焊接球阀密封结构的有益效果如下：

（1）本发明的浮动软密封焊接球阀密封结构，将传统的浮动软密封焊接球阀密封结构中独立分开的两个零件平垫24和蝶形弹簧22合二为一，由一个加强平垫27为主体的和一个可吸收压力和能量的圆柱弹簧28组成的新型密封结构来替代，从而从根本上解决传统浮动软密封焊接球阀上的蝶形弹簧22发生永久性变形、失效、阀门偏心造成扭矩过大之难题。

（2）本发明的浮动软密封焊接球阀密封结构，即使在开关次数变多，密封面B处有磨损的情况下，依然可以靠圆柱弹簧28的作用力实现密封面B处的密封，即使管道内的杂质破坏一端密封面，或管道内压力很低，但仍有弹簧作用力可以保证阀门密封。

(3)所述延长管23内表面与加强平垫27外表面相接触，加强平垫27可沿着延长管23内表面滑动，即不采用传统的焊接结构。这样优点有三个：一、阀门进口端介质的作用力可以推动球垫贴近球面，增强球垫21的密封效果，二、加强平垫27镀铬处理，可增加内部结构的美观，三、可以减少焊接成本。

（4）本发明浮动软密封焊接球阀密封结构，结构紧凑，易于操作和维修，成本低，特别适合于通径在200mm到400mm口径浮动软密封焊接球阀应用场合，使用寿命可达50年以上，远远大于铸钢球阀。可广泛应用于城市燃气、城市供热、石油化工、造船、钢铁、调压站、发电厂等各类管道设备上。

附图说明

图1：浮动软密封焊接球阀关闭时的结构示意图。

图2：传统的浮动软密封焊接球阀采用蝶形弹簧密封结构示意图。

图3：本发明的浮动软密封焊接球阀的密封结构示意图。

图4：本发明的浮动软密封焊接球阀的密封结构中参数示意图。

图5：本发明的浮动软密封焊接球阀的密封结构的圆柱弹簧示意图。

其中：1.球体、2.进口端密封部件、3.出口端密封部件、4.阀杆、21.球垫、22.蝶形弹簧、23.延长管、24.平垫、25.球垫座、26.侧壁O型圈、27加强平垫、28圆柱弹簧。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

实施例1：

参阅图3，本发明的一种浮动软密封焊接球阀的密封结构，包括延长管23、加强平垫27、球垫座25、球垫21和侧壁O型圈26，还包括圆柱弹簧28，所述球垫21紧靠着球体1，与球体1形成一个密封面B；所述球垫座25的一侧表面连接球垫21，另一侧表面连接加强平垫27，所述球垫21和延长管23接触面之间设置有至少一个侧壁O型圈26，所述延长管23的两个内表面紧贴加强平垫27和球垫21，形成一个密封面A；这两个密封面A和B分别与延长管23和球垫21紧密接触，保证阀门在关闭状态条件下，介质长时间不从阀门进出口端泄漏出去。根据设计要求，所述加强平垫27中设有孔，该孔与圆柱弹簧28相适配，所述圆柱弹簧28压缩安装于该孔内；形成一个由所述加强平垫27为主体的内嵌圆柱弹簧28的复合弹性部件。

同时，所述延长管23内表面与加强平垫27外表面相接触，加强平垫27可沿着延长管23内表面滑动。

优选的，所述球垫21采用含量15%碳纤维的强化聚四氟乙烯制作。

所述加强平垫27上的孔的数量为20～25个。

所述延长管23采用表面高温磷化处理；所述球垫座25采用表面镀铬处理；所述加强平垫27采用表面镀铬处理；所述密封面A涂抹防锈脂，这种防锈脂应与球阀金属材料、橡胶件、塑料件及工作介质均相容。

实施例2：

参阅图4和图5，将本发明的焊接球阀密封结构的校核方法详细说明如下：

第一步、浮动软密封全焊接球阀密封比压计算公式：q_MP＜q＜［q］   （1）

用该公式计算密封结构的主要关键尺寸，当满足焊接浮动球阀密封比压计算公式q_MP＜q＜［q］时，密封结构尺寸合理。

式中：

(1)极限比压_qMP=（1.8+0.9PN)／（b_M／10)^1/2         （2）

其中：PN：设计压力,MPa；

b_M：球垫21上的密封面宽度，mm；

(2)计算比压q=(D_MW+D_MN)PN／4(D_MW-D_MN)        (3)

其中：D_MW：球垫21密封面外径，mm；

D_MN：球垫21密封面内径,mm；

(3)许用比压［q］，与材质有关，可以查表得到。

根据上述公式，可初步确定焊接球阀密封结构各关键尺寸，比如球垫21上的密封面宽度b_M、球垫21密封面外径D_MW、球垫21密封面内径D_MN，并根据球垫21的材料许用比压［q］来确定密封结构设计是否合理。

第二步、圆柱弹簧28选择合理性判据方法：

判据公式：F_TH≤F_TH’           (4)

当满足判据公式F_TH≤F_TH’时，选定的圆柱弹簧28合理。

(1)F_TH：圆柱弹簧28构成的弹簧组的压紧力，

F_TH=π（D² _MW-D² _MN）_qMXmin+πD_MWb’mZ_qMFf         (5)

式中：

q_MXmin：球垫21预紧密封的最小比压，MPa；

D_MW：球垫21密封面外径，mm;

D_MN：球垫21密封面内径，mm；

f：侧壁O型圈26和延长管23侧壁摩擦因数，

Z：侧壁O型圈26的个数，

q_MF:侧壁O型密封圈26上的比压，计算公式为：

_qMF=（0.4+0.6P_o)／(b’_m/10)^1/2           （6）

b’_m：侧壁O型圈26与延长管23侧壁接触宽度，mm;

P_o：腔体压力，MPa。

(2)F_TH’：圆柱弹簧28构成的弹簧组平时的最大弹力，

F_TH’=L_max*N*n*G*D/8C⁴(N)             （7）

式中：

G：材料切变模量，MPa；

C：圆柱弹簧28系数，C=D/d,D为圆柱弹簧28中径，d为圆柱弹簧28丝直径；

n：圆柱弹簧28有效圈数，

N:阀门进口端与出口端的圆柱弹簧28数量，

L_max：圆柱弹簧28的最大压缩量,mm。

第三步、根据公式F_Q=F_ZJ+F_TH’计算球垫21对球体1的实际作用力F_Q的大小，当F_Q小于8万牛顿时，开启阀门的力的大小合理，

其中：

F_ZJ为介质经球垫压在球体上的力，N;

F_ZJ=πPN(D² _MW-D² _MN)/4             （8）

根据计算出来的实际作用力F_Q大小确定开启球阀的力的大小，进而可初步判断阀门的开启扭矩是否过大，密封结构设计是否合理。

实施例3

继续参阅图4、图5。

以DN250全焊接缩颈球阀为例，阀门通径是D₂=200mm，设计压力PN=2.5MPa，球垫材料许用比压［q］=13MPa。如在加强平垫27上钻20个深为14mm的孔，再将图5所示圆柱弹簧20个分别放入孔内，可以替代传统的蝶形弹簧密封结构。

校核过程如下：

1）由于阀门需要设计防火结构密封宽度b=5.5mm，

由此可得球垫的密封面内径D_MN=D₂+2b=211mm，

将D_MN、PN和［q］值带入式（1）（3）可得：

2.5×（D_MW+211)/4×(D_MW-211)＜13

D_MW＞232.3mm，

可选取D_MW=233mm，

球垫密封面和阀门轴线夹角一般为45°，由此可计算得密封面宽度b_M=15.89mm，代入（2）得q_MP=3.2MPa。

根据上述计算可知：q_MP＜q＜［q］成立，所以本发明密封结构尺寸设计合理。

考虑到密封效果和成本，选择球垫外径D₁=238mm，见图4所示。

2）计算弹簧组压紧力F_TH

如球垫21材质采用加强聚四氟乙烯，则阀座预紧密封的最小比压q_MYmin=1.6MPa，同时，选择侧壁O型圈和延长管23侧壁摩擦因数为f=0.4，侧壁O型圈个数为Z=1，腔体压力为P_o=0，侧壁O型圈直径为5.3mm，而侧壁O型圈与延长管23侧壁接触宽度b’_m，可取侧壁O型圈端面半径的1/3，即b’_m=0.883mm,代入（6）式，则侧壁O型密封圈上的比压q_MF=1.35MPa，

根据公式（5），可计算出弹簧组压紧力：F_TH=12618N；

3）计算弹簧压平时的最大弹力F_TH’

根据阀门尺寸结构：阀门进口端与出口端的圆柱弹簧数量各20个，N=20

圆柱弹簧的材料切变模量G=78500MPa，

圆柱弹簧有效圈数为4圈，即n=4，

当弹簧压平时,弹簧的压缩量为L_max=7mm，

圆柱弹簧中径D=7.5mm，圆柱弹簧丝直径d=2.5mm,见图5所示。

上述参数代入公式（7）中，即可计算出圆柱弹簧压平时的最大弹力F_TH’=13020N。

显然：F_TH≤F_TH’，圆柱弹簧密封设计合理。

4）计算阀座，即球垫21，对球体1的作用力F_Q。

假设管道压力为2.5MPa,且阀门处于关闭状态；如果球垫21密封面外径D_MW=233mm,球垫21密封面内径D_MN=211mm，设计压力PN=2.5MPa，代入公式（8）中，可计算出进口端介质经球垫压在球体上的力F_ZJ=PN×3.14×[(D_MW/2)²-[(D_MN/2)²]=19170N,此时出口端介质经球体压在球垫上作用力F_ZJ’=PN×3.14×（D_MN/2）²=87372N

则：阀门进口端：F_Q=FZJ+FTH’=19170N+13020N=32190N，

阀门出口端：由于介质作用力和弹簧的作用力刚好相反，所以

F_Q=FZJ’-FTH’=87372-13020N=74352N

上述F_Q小于8万牛顿，说明开启阀门的力大小是合理的。

由浮动球阀的密封原理可知：①当管道内介质压力相对较高时，柱型弹簧作用不明显，出口端：介质推动球紧紧贴住出口端的球垫密封面，达到密封效果；进口端：介质推动球垫紧紧贴住进口端的球面，这样可以轻松实现双向密封，此时管道可以安全运行。②当管到内介质压力相对较低时，介质作用不明显，进口端和出口端弹簧都会有13020N的推力推动球垫紧紧贴在球面上，达到密封效果，同样可以轻松实现双向密封。

如果采用蝶形弹簧密封结构的话，由面计算可知进口端介质经球垫压在球上的作用力F_ZJ=19170N，出口端介质经球压在球垫上的作用力F_ZJ’=87372N

则：1）阀门出口端：如要保证球中心不发生偏移，即弹簧作用力和介质作用力大小相当，并且介质作用力和弹簧作用方向相反，即

F_Q=F_ZJ’-F_TH’=0或F_ZJ’=F_TH’=87372N

即出口端的球垫对球体的作用力为零，此时将难以保证出口端的密封，即没办法实现双向密封。

2）阀门进口端：F_Q=F_ZJ+F_TH’=19170N+87372N=106542N

通常，保证球体1不发生偏移方法有两个：一、压平蝶形弹簧22，显然不合适，因为蝶形弹簧最佳工作状态是其最大压缩量10%--75%，长期在介质的作用下，蝶形弹簧22作用力会慢慢减弱，甚至会发生永久性变形，无法恢复，阀门密封效果会变差，根本满足不了阀门几十年的寿命要求。二、蝶形弹簧22达到最大压缩量的75%：由计算知球垫对球体的作用力大于10万牛顿，这样阀门的扭矩较大，阀门会操作困难。

相对讲，蝶形弹簧工序多：开模、冲裁、成型、热处理、表面处理的成本也较高。一般较大规格的焊接浮动软密封球阀并不适合使用蝶形弹簧。

而本发明的密封结构就很好地解决了这个技术问题，并且效果显著。

以上通过具体实施例对本发明的设计方案作了进一步说明，给出的例子仅是应用范例，不能理解为对本发明权力要求保护范围的一种限制。因此，凡在相同的发明条件下所作的有关本发明的任何修饰或变更，皆应包括在本发明要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种浮动软密封焊接球阀的密封结构，包括延长管(23)、加强平垫(27)、球垫座(25)、球垫(21)和侧壁O型圈(26)，其特征在于：还包括圆柱弹簧(28)，

所述球垫座(25)的一侧表面连接球垫(21)，另一侧表面连接加强平垫(27)，所述球垫(21)和延长管(23)接触面之间设置有至少一个侧壁O型圈(26)，所述延长管(23)的两个内表面紧贴加强平垫(27)和球垫(21)，形成一个密封面(A)；

所述加强平垫(27)中设有孔，该孔与圆柱弹簧(28)相适配，所述圆柱弹簧(28)压缩安装于该孔内；

所述延长管(23)内表面与加强平垫(27)外表面相接触，加强平垫(27)可沿着延长管(23)内表面滑动。

2.根据权利要求1所述的一种浮动软密封焊接球阀的密封结构，其特征在于：所述球垫(21)采用含量15%碳纤维的强化聚四氟乙烯制作。

3.根据权利要求1所述的一种浮动软密封焊接球阀的密封结构，其特征在于：所述加强平垫(27)上的孔的数量为20～25个。

4.根据权利要求1所述的一种浮动软密封焊接球阀的密封结构，其特征在于：所述延长管(23)采用表面高温磷化处理；所述球垫座(25)采用表面镀铬处理；所述加强平垫(27)采用表面镀铬处理；所述密封面(A)涂抹防锈脂。

5.一种权利要求1所述的浮动软密封焊接球阀的密封结构的校核方法，其特征在于按照如下步骤进行：

第一步、计算密封结构的主要关键尺寸，当满足焊接浮动球阀密封比压计算公式q_MP＜q＜［q］时，密封结构尺寸合理；式中：

(1)极限比压_qMP=（1.8+0.9PN)／(b_M／10)^1/2，

其中，PN为设计压力，MPa；b_M为球垫(21)上的密封面宽度，mm；

(2)计算比压q=(D_MW+D_MN)PN／4(D_MW-D_MN)

其中，D_MW为球垫(21)密封面外径,mm；D_MN为球垫(21)密封面内径，mm；

(3)许用比压［q］，查表得出；

第二步、检验选定的圆柱弹簧(28)的合理性，当满足判据公式F_TH≤F_TH’时，选定的圆柱弹簧(28)合理；式中：

(1)F_TH为圆柱弹簧(28)构成的弹簧组的压紧力，且

F_TH=π（D² _MW-D² _MN）_qMXmin+πD_MWb’mZ_qMFf

其中，q_MXmin为球垫(21)预紧密封的最小比压，MPa；f为侧壁O型圈(26)和延长管(23)侧壁摩擦因数；Z为侧壁O型圈(26)个数；q_MF为侧壁O型圈(26)上的比压，_qMF=（0.4+0.6P_o)／(b’_m／10)^1/2；b’_m为侧壁O型圈(26)与延长管(23)侧壁接触宽度，mm；P_o为腔体压力，MPa；

(2)F_TH’为圆柱弹簧构(28)成的弹簧组的最大弹力，且

F_TH’=L_max*N*n*G*D/8C⁴

其中，G为材料切变模量，MPa；C为圆柱弹簧(28)系数；n为圆柱弹簧(28)有效圈数；N为阀门进口端与出口端的圆柱弹簧(28)数量；L_max为圆柱弹簧(28)的最大压缩量，mm；

第三步、根据公式F_Q=F_ZJ+F_TH’计算球垫(21)对球体(1)的实际作用力F_Q的大小，当F_Q小于8万牛顿时，开启阀门的力的大小合理；式中：

F_ZJ为介质经球垫(21)压在球体(1)上的力，F_ZJ=πPN(D² _MW-D_MN ²)/4。

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