金属硬密封固定球阀技术参数

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    1、概述
    COSMOSWORKS是*整合在SOLIDWORKS中的设计分析系统,它提供压力、频率、约束、热量和优化分析等,为设计人员在SOLIDWORKS的环境下,提供了比较完整的分析手段。本文以固定球阀的阀座为重点研究对象,因为在阀座的工程设计过程中,阀座密封面上总作用力及密封比压的计算在实际设计中使用的是经验或修正公式,利用现有手段,这两种参数不易准确测出。通过应用COSMOSWORKS有限元分析软件计算模拟工况下固定球阀的密封比压,并与理论的计算公式进行对比,为阀门的设计提供了相对准确的参考。
    2、实体建模
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常用的硬化工艺主要有以下几种：

（1）球体表面堆焊硬质合金，
硬度可达30HRC以上，球体表面堆焊硬质合金工艺复杂，生产效率低，且大面积堆焊易使零件产生变形，目前对球体表面硬化的工艺使用较少。

（2）球体表面镀硬铬，
硬度可达40～55HRC，厚度0.07～0.10mm，镀铬层硬度高、耐磨、耐蚀并能保持表面光亮，工艺相对简单，成本较低。但硬铬镀层的硬度在温度升高时会因其内应力的释放而迅速降低，其工作温度不能高于427℃。另外镀铬层结合力低，镀层易发生脱落。

（3）球体表面采用等离子氮化，
表面硬度可达50～55HRC，氮化层厚度0.20～0.40mm，等离子氮化处理硬化工艺由于耐腐蚀性较差，不能在化工强腐蚀等领域使用。

（4）球体表面超音速喷涂（HVOF）工艺，
硬度高可达60～70HRC，集合强度高，厚度0.3～0.4mm，超音速喷涂是球体表面硬化主要工艺手段。在火力发电厂、石油化工系统、煤化工领域的高粘性流体；带粉尘及固体颗粒状的混合流体、强腐蚀的流体介质中大部分使用该硬化工艺。 超音速喷涂工艺是氧燃料燃烧产生高速气流加速粉末粒子撞击工件表面，形成致密表面涂层的一种工艺方法。在撞击过程中，由于粒子的速度较快（500～750m/s）且粒子温度较低（-3000℃），因此撞击工件表面后，可以获得高结合强度、低空隙率、低氧化物含量的涂层。
        HVOF的特点是合金粉末粒子速度超过音速，甚至是音速的2～3倍，气流速度是音速的4倍。 HVOF是一种新的加工工艺，喷涂厚度0.3～0.4mm，涂层与工件之间是机械结合，结合强度高（77MPa），涂层孔隙率低（＜1%）。该工艺对工件加热温度低（＜93℃），工件不变形，可进行冷喷涂。喷涂时，粉末粒子速度高（1370m/s），无热影响区，工件的成分和组织无变化，涂层硬度高，可进行机加工。

（5）、喷焊是一种金属材料表面热喷涂处理工艺。
它是通过热源将粉末（金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末均可）加热到熔融或达到高塑性状态后，依靠气流将其喷射，沉积到预先处理过的工件表面上，形成一层与工件表面（基材）结合牢固的涂（焊）层。 喷焊和堆焊硬化工艺中硬质合金与基体均具有熔融过程，硬质合金与基体集合处有热融区，为*达到喷焊或堆焊硬质合金层性能，避免加工后焊接热融区为金属接触面，建议喷焊或堆焊硬质合金厚度需要大于3mm以上。

图1球阀实体建模
 
    3、有限元分析
    3.1、密封机理
    固定球阀采用进口密封(图2),此时球阀压差(P-P1)>0(P、P1为阀前和中腔的流体压力)。当压差大到一定程度,即在密封副表面造成一定的压紧比压时,此比压将引起阀座弹塑性变形,填塞密封面上的微观不平度以阻止流体从密封副间通过。当压差较小或阀座采用金属材料制作时,依靠压差不能达到*密封,此时必须另加一个密封外力,以加大压紧比压。根据工作压力计算密封所需的必需比压qb的经验公式为qb=1.2PN=30MPa。为保证球阀密封可靠,在球体和阀座的接触表面上应有足够的比压,但不得超过密封副材料的许用比压[q]。理论密封比压q1为
 
图2球阀密封原理
   q1=Q/S
    式中Q———球阀密封力,N

 
    P———公称压力,MPa
    S———阀座密封面的面积(S=7634),mm2
    d2———阀座支撑圈外径(d2=290),mm
    D2———阀座的外径(D2=270),mm
    D1———阀座的内径(D1=256),mm
    代入各值,得出q1的值为40.17MPa。
    3.2、有限元计算
    由于密封比压的计算过程仅与球体、阀座和阀座支承圈等零部件有关,所以对其有限元分析模型做了简化(图3),这样不仅节约了计算机资源,而且提高了计算结果的准确性。通过模拟现实工况,需计算得出阀座支撑圈与左右体相接触的面上的压力值Qs。

 
    式中Q1———预紧力在阀座支撑圈与左右阀体相接触的面上的压力,MPa
    Q2———公称压力在阀座支撑圈与左右体相接触的面上的压力,MPa
    S1———阀座支撑圈与左右阀体接触面的面积(S1=21189.26,可在SOLIDWORKS中直接测得),mm2
    d1———阀座支撑圈的内径(d1=239),mm
    代入各值,得Qs的值为23.01MPa。
    根据现实工况,在COSMOSWORKS中建立一个静力学分析算例,并确定约束载荷条件(①固定球体与上阀杆和底盖相接触面。②限定阀座和阀座支撑圈只能在轴向上运动。③将Qs施加在阀座支撑圈与左右阀体相接触的面上,进行网格化。④确定球体和阀座支撑圈的材料为35号钢,阀座的材料为奥氏体不锈钢,密封面间无滑动(奥氏体不锈钢的许用比压[q]值为150MPa),点击运行,计算结果如图3c所示。

(a)分析模型(b)模型网格化(c)模型计算结
图3有限元分析 
    3.3、提取结果
    在阀座密封面上等距获取25个点(图4),然后沿X方向依次探测这25个点的压力值,再将探测数据导入Excel中进行分析(图5),得到密封比压在阀座密封面上呈抛物线分布,其大值处于阀座的内径处,为62.1MPa,小值处于阀座中部,其值为40.16MPa。结合阀门密封设计参数必须比压qb(30MPa)和阀座材料的许用比压[q](150MPa)。密封比压的值处于qb和[q]之间,满足了设计准则。

图4在阀座上取点
 

依照上图，91视频看看簧色可以了解到：

1.阀门采用固定球阀，新颖浮动阀座结构形式，密封可靠。 
2.特种材质密封，耐高温，耐磨损，寿命长。
3.上阀轴没有防脱机构，可以在有介质压力的情况下调整填料。 
4.阀座的优良结构，在阀座支撑面内侧加工一道特制耐磨封圈，当封圈严重时磨损时， 密封福与球体间形成暂时的金属对金属密封圈，阀门填料垫片均采用耐高温石墨填料。保证阀门在高温发生时无泄漏。

 图5密封比压在阀座密封面上沿X方向的压力分布
    4、结语
    由于在密封过程中,阀座与球体密封面相对固定,不能运动,故在受到预紧力和流体压力后,密封环的内径轴向相对于中部变形裕量小,受到的挤压力较大。密封环的径向相对于中部变形裕量大,受到的挤压力也相对较小。另外,虽然球体与阀座接触,但由于毛细现象而有流体介质存在,当球体沿流向有相对运动时,球体与阀座更加紧密接触,从密封面边缘到中部的流体介质越来越少,所以密封面边缘处在介质与球体的双重作用下,受力略大于密封面中部。因此,在密封面上密封比压呈抛物线分布。在边缘环面,由于受预紧力、介质施加力和金属球体综合作用,故产生有波动的变化曲线,尤其在密封面外径处影响更大。由于毛细现象的影响,取密封面中部的密封比压作为整个固定球阀的密封比压是合理的。根据图5取得密封面中部的压力值为40.16MPa,而理论计算的密封比压值为40.17MPa。两者之间的差值为0.01MPa,误差<3%。可见用有限元计算得出的固定球阀的密封比压的值是可信的。而且可以*反映出密封比压在整个阀座上的分布情况,从而对整个阀门的设计提供了可靠的设计依据。本文相关的论文有：中国阀门产值递增