CN103968102B - 具有弹性补偿和压力辅助密封功能的球阀金属阀座 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有弹性补偿和压力辅助密封功能的球阀金属阀座，其主要技术关键在于：出口阀座组件包括阀座体和支撑体，阀座体和支撑体以螺纹和焊缝相结合；在阀座体上设置有弯向支撑体方向、厚度适度减薄而具有一定弹性变形能力的弹性臂，阀门装配、压紧后，弹性臂前端舌部与支撑体之间以锥面或平面相贴合，而在未装配的自由状态时贴合面之间有较小的间隙；在弹性臂与支撑体之间设置有环形的压力腔。优点：阀座密封面部位具有较强的弹性补偿能力，在球体精度存在误差、不均匀磨损、高温变形时能提供足够的补偿，并能籍助介质压力辅助密封；阀门具有持久、可靠的密封性能，同时也降低了球体加工难度和制造成本。

Description

具有弹性补偿和压力辅助密封功能的球阀金属阀座
技术领域
本发明涉及一种阀门结构，具体涉及一种硬密封球阀的金属阀座结构。
背景技术
硬密封球阀因为具有启闭速度快、密封面关闭时有自净能力、密封面在开启状态不会受到流动介质的冲刷、阀门开启后流阻和压损小等优点，因而在火力发电厂等行业和系统中的应用越来越广泛，如在大型火电机组中，中小口径的硬密封球阀在主蒸汽、再热蒸汽疏水，对空排汽，给水、减温水隔断，炉水排污，蒸汽超压安全泄放等方面都有较为广泛的应用。这类硬密封球阀中的有些产品，其使用工况要求为：主要处于高压差的常闭状态：启闭次数较多甚至较频繁。由于常处于高压差的关闭状态，因此对阀门有很高的密封要求，一旦有泄漏将很快会对密封面形成较严重的冲刷破坏，有些使用工况下发生泄漏后还会产生汽蚀破坏；启闭较频繁则对阀门的使用可靠性和密封面的抗磨损抗擦伤能力提出了较高的要求。
硬密封球阀现行产品出口侧阀座一般均采用整体式的全刚性结构(见图1)，为了使阀门在关闭后能够达到密封要求，球体在加工精度包括圆度、尺寸精度等方面需要达到很高的要求，并需在装配前对球体和阀座密封面进行配研。目前电厂所使用的这类硬密封球阀产品，能够基本满足使用要求的，主要是国外几个品牌的产品。从产品制造和使用方面来看，这类硬密封球阀产品存在下述的几个不足之处：1、因为整体式的全刚性金属阀座本身不具有补偿能力，因此球体加工需要达到很高的精度，这无疑会增加制造难度和生产成本；2、球阀的球体和阀座密封面在启闭过程中，在垂直方向的不同高度摩擦状况是不一样的，即球体和密封面的磨损是不均匀磨损；另外，尽管球体在关闭时与阀座密封面相吻合的部位装配前与阀座密封面进行了配研，但球体表面的其余部位仍然还存在一定误差，因此球体和阀座密封面在启闭全过程的磨损也是不均匀磨损。不均匀磨损将导致阀门在使用一段时间后密封性能下降甚至出现较严重的泄漏；3、对于中小口径的硬密封球阀来说，由于阀座的刚度大因此其对密封副的吻合性的误差基本无补偿能力，当阀门使用于高温工况时，即使阀座所产生的变形是较微小的，也有可能会导致阀门出现泄漏。而且，这类阀门的阀座及球体在加工的后期经历过热喷涂过程---密封面超音速喷涂碳化钨，存在一定的内应力，因此在进入高温状态时产生一定变形的几率是较大的。
如图2所示为针对上述不足之处进行改进的一种现有技术的示意图，其所进行的改进是：在出口阀座(6)的内孔靠近密封面处开有一环形凹槽，以便让阀座靠近密封面的部位具有一定的弹性补偿能力。从实际应用效果来看，这一结构并未能产生能够满足使用需要的补偿能力和效果，其原因在于：为了保证阀座的强度和使用可靠性，弹性槽左侧需要保持足够的厚度、槽的深度也不能过深，因此阀座弹性槽左侧靠近密封面的部位难以获得足够的弹性变形和补偿能力；另外，阀座密封面靠近左端面的部位由于相对于弹性槽底其弯曲力臂很短完全无法产生变形和位移，这也使得密封面内侧即使能够产生弯曲变形也无法发挥作用。
发明内容
为了克服现有技术和结构所存在的上述的不足之处，本发明提出了一种具有足够的弹性变形和补偿能力、能够有效改善阀门的密封性能、保持较持久的密封寿命的硬密封球阀的金属弹性阀座结构。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有弹性补偿和压力辅助密封功能的球阀金属阀座结构，所进行的创新和改进主要针对出口阀座，其主要技术方案为：出口侧采用出口阀座组件，所述的出口阀座组件包括阀座体和支撑体，阀座体和支撑体为中心线重合、位置关系为内、外配置的回转体型的零件，两者以外螺纹和内螺纹结合并在远离球体方向的一端有在两者的结合处进行焊接的焊缝；在阀座体的靠近球体的一侧，设置有弯向支撑体方向、厚度适度减薄而具有一定弹性变形能力的弹性臂，在弹性臂的最前端为阀座体的舌部，所述的舌部其前侧在装配后与球体相贴合的表面即为出口阀座组件的密封面，在阀门装配、压紧后，阀座体的舌部的后侧与支撑体之间以锥面或平面相贴合，而出口阀座组件在未与球体和其它零件进行装配时的自由状态，所述的舌部后侧与支撑体两者的锥面或平面贴合面之间有较小的间隙；在阀座体上的弯曲的弹性臂和舌部后侧面与支撑体之间设置有一个环形的空腔---压力腔。
作为对上述技术方案的细化，本发明并附加下述的两个具体的技术方案：
阀座体位于支撑体的内侧，在阀门装配、压紧后，阀座体的舌部的后侧与支撑体之间以锥面相贴合；在支撑体上，均匀分布着数个从外圆上打入的、通向压力腔的通孔。
阀座体位于支撑体的外侧，在阀门装配、压紧后，阀座体的舌部的后侧与支撑体之间以平面相贴合；
为了进一步提高产品使用性能，本发明还附加下述的两个具体的技术方案：
在阀座体舌部的密封面的外侧，设有一较窄的圆环形的平面，在支撑体外侧设置一个防堵护套，所述的防堵护套以螺纹旋合的方式固定在支撑体上，防堵护套的前端为厚度较薄、向内弯曲的护套弹性臂，护套弹性臂靠内径处的内侧的平面与前述的阀座体舌部密封面外侧的圆环形平面相贴紧。
在进口阀座的背侧设置有单楔形的密封圈，密封圈的外圆与阀体内孔配合，密封圈朝向球体方向的一端与进口阀座之间以圆锥面贴合，密封圈的另一端设置有压环，压环的一侧端面压紧在密封圈端面上，压环另一端平面外侧设置有碟形弹簧。
通过上述技术方案的应用，本发明所产生的有益效果是：出口阀座密封面部位具有足够的弹性变形和补偿能力，在球体制造精度存在一定误差、启闭一定次数后阀座和球体表面存在不均匀磨损、高温工况下阀座和球体存在一定变形时能够提供满足需要的补偿，并能籍助介质压力辅助密封，同时通过提高进口侧阀座部位的密封能力，从而保证阀门具有持久、可靠的密封性能，同时也降低了球体加工难度和制造成本。
附图说明
图1是现有技术---出口阀座采用整体式的全刚性结构的硬密封球阀示意图。
图2是现有技术一出口阀座内孔增加弹性槽的硬密封球阀示意图。
图3是本发明实施例之一的示意图--阀座体位于支撑体的内侧。
图4是实施例之一的出口阀座组件在阀门装配前的局部放大图。
图5是本发明实施例之二的示意图--阀座体位于支撑体的外侧。
图6是本发明实施例之三的示意图--在出口阀座组件上增加防堵护套。
图中，1、阀体；2、进口阀座；3、碟形弹簧；4、球体；5、阀杆；6、出口阀座；7、出口阀座组件，7-1、阀座体，7-1-1、舌部，7-1-2、弹性臂，7-1-3、压力腔，7-2、支撑体；8、防堵护套；9、压环；10、密封圈。
具体实施方式
下面结合附图和三个实施例对本发明的技术方案作进一步的阐述。
实施例一
如图3所示，是本实施例的示意图。阀杆(5)通过扁势与球体(4)相连，球体(4)的左侧为进口阀座(2)，右侧为出口阀座组件(7)；出口阀座组件(7)由阀座体(7-1)和支撑体(7-2)两部分组成，阀座体(7-1)和支撑体(7-2)为同轴的内、外配置关系，阀座体(7-1)在内、支撑体(7-2)在外，两者以螺纹旋合并在右端进行密封焊而将两者连接组合为一体；在阀座体(7-1)的左侧，设置有向外弯向支撑体(7-2)方向、厚度适度减薄而具有一定弹性变形能力的弹性臂(7-1-2)，在弹性臂(7-1-2)的最前端为阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)，所述的舌部(7-1-1)其前侧在装配后与球体(4)相贴合的表面为出口阀座组件(7)的密封面，该密封面加工后为能与球体(4)表面相吻合的球带表面，阀门装配前可以将其与用于装配的球体(4)或采用工艺球体进行适当配研，以改善其精度和粗糙度；在阀门装配和压紧后，阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)的后侧表面，与支撑体(7-2)之间以半锥角为45°的锥面相贴合，而出口阀座组件(7)在未与球体(4)和其它零件进行装配时的自由状态，所述的舌部(7-1-1)与支撑体(7-2)两者的半锥角为45°的锥面贴合面之间，有t＝0.06～0.08mm的间隙(参见图4)；在阀座体(7-1)上的弯曲的弹性臂(7-1-2)和舌部(7-1-1)后侧面与支撑体(7-2)之间还设置有一个环形的空腔---压力腔(7-1-3)，同时从支撑体(7-2)的外圆上向内均匀打数个通向压力腔(7-1-3)的通孔。
图2所示的在出口阀座内孔上设置弹性槽的现有技术中，为了防止弹性槽左侧至密封面区域在受力较大时产生过度的塑性弯曲变型使阀座失效，槽左侧至密封面之间需保持足够的厚度且槽的深度也相对较浅，因而阀座密封面部位难以获得足够的弹性变形和补偿能力，使这一弹性补偿结构无法发挥作用。而在本发明中，由于阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)与支撑体(7-2)之间设置的间隙(0.06～0.08mm)己经限定了舌部(7-1-1)在受压时的最大变形位移量，不可能发生超过预定变形量的过度变形和破坏，因此能够按照最有效地提供保证持久密封所需要的弹性变形和补偿能力的要求来确定弹性臂(7-1-2)的合适厚度。
阀座具有较强的弹性补偿能力，除了可以大大地增强阀门的密封性能、降低球体制造精度要求外，对于启闭次数较频繁而造成了密封副的较多磨损和不均匀磨损的阀门来说，阀座的较强的弹性补偿能力也有助于阀门维持较持久的密封寿命。
之所以阀座体(7-1)和支撑体(7-2)之间除了螺纹连接以外还要在右端进行焊接，是因为对于出口阀座组件(7)来说，阀座体(7-1)和支撑体(7-2)之间的间隙是一条泄漏通道，因此需要进行密封焊。
在阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)、弹性臂(7-1-2)和支撑体(7-2)之间设置环形的压力腔(7-1-3)的作用是：介质通过支撑体(7-2)上的通孔和阀座体(7-1)、支撑体(7-2)的锥形贴合面的缝隙进入压力腔(7-1-3)，介质压力作用在弹性臂(7-1-2)和舌部(7-1-1)表面所产生的推力能够辅助阀座密封面达到更好的密封状态。
此外，为了提高阀门的密封性能，在进口阀座(2)的背侧设置单楔形的柔性石墨压制的密封圈(10)，密封圈(10)的外圆与阀体(1)内孔配合，密封圈(10)朝向球体(4)方向的一端与进口阀座(2)之间以圆锥面贴合，密封圈(10)的另一端设置有压环(9)，压环(9)的一侧端面压紧在密封圈(10)端面上，压环(9)另一端平面外侧设置有碟形弹簧(3)。
在图1、图2中，并未将进口阀座处作为进口侧的密封结构来设计，进口侧和中腔并未完全隔断，阀门的密封完全靠出口侧阀座来保证；而在本发明中，在进口阀座(2)的背侧设置密封圈(10)，通过进口阀座(2)的密封面和密封圈(10)将阀门进口通道和中腔隔断，使通过密封面从进口到中腔仅可能产生微量泄漏甚至在进口阀座(2)的密封面和球体(4)的吻合性较佳时达到完全无泄漏状态，从而使进口阀座和出口阀座能构成阀门密封的双保险，大大提高阀门的密封性能和密封可靠性。
实施例二
如图5所示，是本实施例的示意图，出口阀座组件(7)由阀座体(7-1)和支撑体(7-2)组成，阀座体(7-1)在外而支撑体(7-2)在内，两者以螺纹连接组合为一体，并在右端的螺纹处进行点焊或整圈焊。阀门装配和压紧后，阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)的后侧表面与支撑体(7-2)之间以平面相贴合；出口阀座组件(7)在未与球体(4)和其它零件进行装配时的自由状态时，舌部(7-1-1)与支撑体(7-2)两者的贴合平面之间有较小的间隙；呈弯曲形态、厚度适度减薄的弹性臂(7-1-2)具有一定弹性变形能力。
阀门装配后，在碟形弹簧(3)压紧力的推动下，进口阀座(2)贴紧球体(4)并推动球体(4)贴向出口阀座组件(7)的密封面，舌部(7-1-1)和弹性臂(7-1-2)在推力作用下产生微量的弹性弯曲变形使密封面与球体表面完全吻合，保证阀门的密封。
实施例三
对于有些管道系统和工况介质来说，流动的介质中可能会存在一些杂质、管道和设备内腔的金属氧化产物等固态物质，在阀门启闭过程中，这些固态物质中的一些小的颗粒一旦进入出口阀座组件(7)的阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)与支撑体(7-2)之间预设的间隙中，会使相应部位的弹性变形受到一定的限制，从而可能会给出口阀座组件(7)的密封面在关闭后可靠地提供所需的补偿带来影响。因此，在出口阀座组件(7)上增加防堵结构，将有助于进一步提高本发明所提出的阀座结构的密封可靠性。
如图6所示，在本实施例中，出口阀座组件(7)的阀座体(7-1)和支撑体(7-2)的结构如实施例一所述，阀座体(7-1)在内而支撑体(7-2)在外，阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)与支撑体(7-2)之间在装配压紧后的贴合面为锥面。在阀座体(7-1)舌部(7-1-1)的密封面的外侧，设有一较窄的圆环形的平面，而在支撑体(7-2)外侧则设置有一个防堵护套(8)，所述的防堵护套(8)以螺纹旋合的方式固定在支撑体(7-2)上，防堵护套(8)的前端为厚度较薄、向内弯曲的护套弹性臂(8-1)，护套弹性臂(8-1)靠内径处的内侧的平面与前述的阀座体(7-1)舌部(7-1-1)密封面外侧的圆环形平面相贴紧。
另外，在防堵护套(8)的外圆和内孔上还设有几条环形凹槽，在外圆上设有两个圆柱形凹坑；将防堵护套(8)装配到出口阀座组件(7)上时，用专用工具并借助工件上的圆柱形凹坑旋紧防堵护套(8)，当防堵护套(8)前端的护套弹性臂(8-1)靠内径处的内侧平面与阀座体(7-1)密封面外侧的圆环形平面相接触时，继续旋转防堵护套(8)一定角度，使护套弹性臂(8-1)产生一定的弹性变形而使前述的接触面适度贴紧；为了防止防堵护套(8)松动，在防堵护套(8)右端与支撑体(7-2)相邻处点焊防松，或者在该相邻位置打一沉孔并在装入阀体(1)前在沉孔内放置一个长度不大于孔深的圆柱销，籍助阀体孔壁阻止圆柱销掉出从而达到防止防堵护套(8)松动的目的。
防堵护套(8)的外圆与阀体(1)在对应位置的内孔采用间隙很小的配合，介质能够进入到阀座体(7-1)和支撑体(7-2)之间的压力腔(7-1-3)中辅助阀门密封，而杂质颗粒则难以进入，即使有杂质颗粒进入时中途也更容易滞留在防堵护套(8)的外圆和内孔上设置的几条环形凹槽内；同时，阀座体(7-1)的前侧也被防堵护套(8)的护套弹性臂(8-1)的端部所封闭。因此，出口阀座组件(7)上设置了防堵护套(8)后，在阀门启闭时能够有效阻止杂质颗粒进入阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)与支撑体(7-2)之间预设的间隙中，从而使出口阀座组件(7)能够较好地保持保证阀门可靠使用所需的弹性补偿能力。
由于防堵护套(8)的护套弹性臂(8-1)处的壁厚要大大小于阀座体(7-1)的弹性臂(7-1-2)处的壁厚，因此其贴紧阀座体(7-1)舌部(7-1-1)外侧的圆环形而对舌部(7-1-1)的弹性变形能力的影响是很小、的。
以上结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。本技术领域的技术人员应该知晓，本发明不受上述实施例的限制，其保护范围由所附的权利要求书所界定，任何在不超出本发明权利要求书所界定的范围内的各种改动、变型所形成的技术方案，都没有偏离本发明的精神和技术实质，仍然会属于本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种具有弹性补偿和压力辅助密封功能的球阀金属阀座，它包括球体(4)、出口阀座组件(7)，球体(4)的球面和出口阀座组件(7)上的密封面是经过表面强化处理的硬化表面，其特征在于：所述的出口阀座组件(7)包括阀座体(7-1)和支撑体(7-2)，阀座体(7-1)和支撑体(7-2)为中心线重合、位置关系为内、外配置的回转体型的零件，两者以外螺纹和内螺纹结合并在远离球体(4)方向的一端有在两者的结合处进行焊接的焊缝；在阀座体(7-1)的靠近球体的一侧，设置有弯向支撑体(7-2)方向、厚度适度减薄而具有一定弹性变形能力的弹性臂(7-1-2)，在弹性臂(7-1-2)的最前端为阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)，所述的舌部(7-1-1)其前侧在装配后与球体(4)相贴合的表面为出口阀座组件(7)的密封面，在阀门装配、压紧后，阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)的后侧与支撑体(7-2)之间以锥面或平面相贴合，而出口阀座组件(7)在未与球体(4)和其它零件进行装配时的自由状态，所述的舌部(7-1-1)后侧与支撑体(7-2)两者的锥面或平面贴合面之间有较小的间隙；在阀座体(7-1)上的弯曲的弹性臂(7-1-2)和舌部(7-1-1)后侧面与支撑体(7-2)之间设置有一个环形的空腔---压力腔(7-1-3)。
2.根据权利要求1所述的具有弹性补偿和压力辅助密封功能的球阀金属阀座，其特征在于：阀座体(7-1)位于支撑体(7-2)的内侧，在阀门装配、压紧后，阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)的后侧与支撑体(7-2)之间以锥面相贴合；在支撑体(7-2)上，均匀分布着数个从外圆上打入的、通向压力腔(7-1-3)的通孔。
3.根据权利要求1所述的具有弹性补偿和压力辅助密封功能的球阀金属阀座，其特征在于：阀座体(7-1)位于支撑体(7-2)的外侧，在阀门装配、压紧后，阀座体(7-1)的舌部(7-1-1)的后侧与支撑体(7-2)之间以平面相贴合。
4.根据权利要求2所述的具有弹性补偿和压力辅助密封功能的球阀金属阀座，其特征在于：在阀座体(7-1)舌部(7-1-1)的密封面的外侧，有一较窄的圆环形的平面，在支撑体(7-2)外侧设置有一个防堵护套(8)，所述的防堵护套(8)以螺纹旋合的方式固定在支撑体(7-2)上，防堵护套(8)的前端为向内弯曲的护套弹性臂(8-1)，所述的护套弹性臂(8-1)的厚度薄于防堵护套(8)后端的厚度，护套弹性臂(8-1)靠内径处的内侧的平面与所述的阀座体(7-1)舌部(7-1-1)密封面外侧的圆环形平面相贴紧。
5.根据权利要求1所述的具有弹性补偿和压力辅助密封功能的球阀金属阀座，其特征在于：在进口阀座(2)的背侧设置有单楔形的密封圈(10)，密封圈(10)的外圆与阀体(1)内孔配合，密封圈(10)朝向球体(4)方向的一端与进口阀座(2)之间以圆锥面贴合，密封圈(10)的另一端设置有压环(9)，压环(9)的一侧端面压紧在密封圈(10)端面上，压环(9)另一端平面外侧设置有碟形弹簧(3)。
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