法兰连接金属硬密封球阀简介、设计及施工安装要点

法兰连接金属硬密封球阀简介、设计及施工安装要点法兰连接金属硬密封球阀,金属硬密封球阀产品结构特点经过特殊处理的球体与阀座，特别适用于高温度及含各种粉尘与固体颗粒的介质。1、采用特别设计的补偿性可动金属阀座结构，密封可靠。2、本系列球阀应按规定流向使用。3、本系列球阀可配多种驱动装置。随着现代机械加工工艺和新材料的不断发展，球阀已不仅仅用在输送水、压缩空气等低温介质以及对密封性能要求较低的管道上，在石油化工、冶金、电力等行业中，钢制球阀已被广泛应用在工艺条件要求苛刻、介质比较特殊的工业装置上。尤其是金属硬密封球阀已被越来越多的人们所熟知和青睐。阀门供应网的金属硬密封球阀为金属密封结构，密封形式为金属对金属密封。应用范围：气动金属密封球阀广泛应用于化工，石油，轻纺，电力，食品制药，制冷，航空，航天，造纸等工业领域，Class150～1500、PN1.6～16.0MPa，工作温度-29℃～425℃(碳钢)或-40℃～550℃(不锈钢)，不仅能控制气体，液体和蒸汽介质．也适用于控制污水和含有纤维的本质。选用不同的材质,可分别适用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氧化性介质、尿素等介质。金属密封球阀的(DN15～200mm)中小口径采用浮动球结构，(DN125～500mm)大中口径采用固定球结构。阀体材料：WCB、CF8、CF3、CF8M、CF3M、ZG1Cr18Ni9Ti、ZG1Cr18Ni12Mo2Ti连接形式：法兰、焊接驱动方式：手动、蜗轮蜗杆传动、气动、电动结构特点：1、流体阻力小、球阀是所有阀门中流体阻力最小的一种，即使是缩径球阀，其流体阻力也相当小。2、止推轴承减小阀杆磨擦力矩，可使阀杆长期操作平稳灵活。3、阀座密封性能好，采用聚四氟乙烯等弹性材料制成的密封圈，结构易于密封，而且球阀的阀封能力随着介质压力的增高而增大。4、阀杆密封可靠，由于阀杆只作彷转动运而不做升降运动，阀杆的填料密封不易破坏5、由于聚四氟乙烯等材料具有良好的自润滑性，与球体的磨擦损失小，故球阀的使用寿命长。6、下装式阀杆和阀杆头部凸阶防止阀杆喷出，如火灾造成阀杆密封破坏，凸阶与阀体间还可形成金属接触，确保阀杆密封。7、防静电功能：在球体、阀杆、阀体之间设置弹簧，能将开关过程产生的静电导出。气动执行机构采用新型系列GT型气动执行器，有双作用式和单作用式（弹簧复位），齿轮齿条传动，安全可靠标准规范：设计制造标准：GB/T21385-2008结构长度标准：GB/T12221-2005连接法兰标准：GB/T9113、ANSIB16.5、JB/T74～90、GB9112～9131、HG20615～20635、SH3406压力温度等级：GB/T12224-2005试验检验标准：GB/T13927-2008金属硬密封球阀阀球和阀座的硬化方式目前金属硬密封球阀球体表面常用的硬化工艺主要有以下几种：（1）球体表面堆焊（或喷焊）硬质合金，硬度可达40HRC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60～65HRC，厚度0.07～0.10mm，镀铬层硬度高、耐磨、耐蚀并能长期保持表面光亮，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60～65HRC，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，硬度最高可达70～75HRC，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。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，为完全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。3硬密封球阀阀球和阀座接触面的硬度配合金属滑动接触面需具有一定的硬度差，否则容易发生咬死现象。在实际运用中，一般阀球和阀座的硬度差在5～10HRC，该硬度差使球阀能具有较好使用寿命。由于球体加工复杂，加工成本高，为保护球体不易受到损坏和磨损，一般选择球体的硬度高于阀座表面的硬度。阀球和阀座接触表面硬度配合使用比较广泛的有两种硬度配合：①阀球表面硬度55HRC，阀座表面45HRC，阀球表面可采用超音速喷涂Stellite20合金，阀座表面可采用堆焊Stellite12合金，该硬度配合是金属密封球阀使用最广范的硬度配合，能满足金属硬密封球阀常规磨损要求；②阀球表面硬度68HRC，阀座表面58HRC，阀球表面可采用超音速喷涂碳化钨，阀座表面可采用超音速喷涂Stellite20合金，该硬度配合广泛使用与煤化工领域，具有较高的耐磨性和使用寿命。在国外有使用阀球和阀座表面硬度相同的配合，阀球和阀座表面均采用超音速喷涂碳化钨工艺，表面硬度均大于72HRC，即使在超高硬度情况下，阀球和阀座接触表面也不易发生咬死，但目前国内阀球制作表面硬度大于72HRC的阀球、阀座没有成熟的研磨工艺，很难保证阀球和阀座的配合，使用较少。4硬密封球阀阀球和阀座硬化注意问题金属硬密封球阀阀球和阀座材料一般都选择不锈钢或耐腐蚀材料，否则硬质合金与阀座（或阀球）结合层容易被介质腐蚀，发生硬质合金层脱落，影响球阀寿命。另外针对不同的阀座（或阀球）材料应选择合适的硬化工艺，在煤化工领域中双相不锈钢材料被广泛使用，双相不锈钢材料具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。双相不锈钢材料是一种既具有铁素体又具有奥氏体组织结构的钢种，铁素体和奥氏体组织结构各占约50%，且二相组织是独立存在的，其性能特点是兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特性。在铁素体不锈钢特性中，当温度在400～500℃范围内，长时间保温会产生强烈的脆化，这种现象一般称为475℃脆化；温度超过400～500℃时，双相不锈钢性能会被破坏。双相不锈钢材料若采用喷焊或堆焊硬质合金工艺方法，该工艺硬质合金和基体发生融溶过程（温度一般均大于900℃），会破坏双相不锈钢材料的金相组织，故双相不锈钢材料不适合用喷焊（或堆焊）硬质合金的硬化工艺。双相不锈钢材料表面硬化工艺适合使用超音速喷涂工艺，硬化工艺必须保证不能对双相不锈钢材料基体金相组织产生破坏。（1）双偏心全关［图2（b）］。球体回转时，由于存在a和b偏心距，球体密封面相对于原几何中心有一个偏移，回转中心到阀座密封面的距离因位置不同而不同，出现长短半径，即R1≥R2。（2）双偏心开启［（图3（a）］。当球体旋转开至一定角度时，因长短半径原因产生凸轮效应，此时球体与阀座开始脱离，球体与阀座无摩擦转动。（3）双偏心全开［（图3（b）］。当球体旋转开至90时，球体与阀座完全脱离，球体与阀座无任何摩擦，球体通道与阀体通道直通。为保证两个通道中心重合，要求两个偏心相等即a=b。此时旋转中心到球心连线与通道中心的夹角恰好45°，由此产生了双偏心球阀的一个特殊问题。由于双偏心球阀的两个偏心考虑结构的需要必须相等，当长半径R1通过球心并恰好落在密封球面区域内，此时R1与密封球面相切，在切点附近就会出现较大范围的滑动摩擦，使球阀出现局部摩擦加剧，加速磨损。由于球阀最佳密封区域一般在R1与通道中心的夹角为45°的位置。双偏心球阀在试验或使用过程中经常会在这个位置出现划伤。1.3三偏心球阀三偏心金属密封球阀是在双偏心金属密封球阀的基础上增加了一个偏心。其结构三维模型见图4。有球面密封和锥面密封三偏心球阀两种。图4密封结构三维模型球面密封的三偏心球阀的密封环是一个球面，这个球面的球心与双偏心球阀的球心不重合有个第三偏心。这个偏心改变了R1与密封球面的几何关系，致使R1即使通过双偏心球心也不会与密封球面相切，这就克服了双偏心球阀的先天不足。将球面密封圈变为锥面密封圈，就可以得到锥面密封的三偏心球阀。2三偏心球阀的优势2.1与普通的软密封球阀相比（1）可以适应于更宽的温度范围。软密封球阀受非金属密封件的耐温性影响，不能用于温度太高的情况。而金属密封则根据不同的材料可以使用于600℃甚至更高。（2）可以用于更高的压力范围。受非金属材料耐压能力和在高压下的稳定性限制，非金属密封的球阀用于CL600或更低的等级。用于较高压力等级时，非金属密封件容易失稳而导致阀门失效。而金属硬密封球阀可用于CL2500级。（3）可获得更长使用寿命。非金属材料与金属材料相比，容易老化。故在使用一段时间后，因非金属材料的性能下降而导致阀门密封性能也下降。另一方面，非金属材料易受损伤。当流体中含有固体颗粒时，非金属密封件很容易被划伤，从而导致密封失效或密封性能下降。2.2与普通的金属硬密封球阀相比（1）固定球设计。普通球阀是浮动球密封，而三偏心球阀全部是固定球设计，而且密封比压通过自身的扭矩建立，故在如何情况下都是可靠的。（2）扭矩密封设计。传统的金属硬密封固定球球阀，通常都是在阀座后面设置预压缩弹簧，在弹簧的作用下，使阀座与球体密封面接触并形成密封比压。如果弹簧刚度偏小，那么形成的密封比压也比较小，密封效果差；如果弹簧刚度较大，会加大密封面的磨损，同时增加开关力矩；另一方面，弹簧受介质温度的影响，其刚度往往会随时间而改变，因此密封效果也会随时间而改变。而三偏心球阀靠扭矩密封，可形成较大的密封比压，而且也不会较大的磨损，同时也不受温度和交变载荷的影响。（3）单阀座双向密封性能。在低温工况下，传统的金属硬密封球为能够释放阀腔中的介质，都采取了复杂的自动泄压机构或采用开孔的方式。前者增加了阀座的复杂性，后者会因为开孔而使球阀具有方向性。三偏心球阀采用了单阀座，故不存在阀腔压力释放的问题。而三偏心结构，使得阀座密封无论在哪个方向都具有良好的密封效果，即具有完全的双向密封功能。3三偏心球阀的设计3.1承压部件的强度和刚度设计对承压部件利用有限元分析进行详细的强度和刚度设计，它包括：（1）阀体的强度和刚度分析（图5）。（2）阀座、密封环的接触应力和刚度分析（图6）。（3）阀杆的强度和刚度分析（图7）。3.2密封圈和阀座密封面的加工三偏心球阀，无论是锥面密封还是球面密封，密封圈的加工是关键，需要专用的工装才能进行。密封面的加工精度直接影响阀门的最终性能。综上所述，金属密封三偏心球阀可以应用于：（1）高温工况（可到600℃）；（2）低温或超低温工况（－196℃）；（3）高压工况（可到CL2500）；（4）临氢工况；（5）含固体颗粒的工况等。随着石化及煤化工的发展，此种阀门的应用会更广泛。硬密封球阀的适用场所低压、小口径管道上用于截断水流和改变水流的分配或需快速启闭的场所。特点：1）、流动阻力小；2）、结构简单；3）、体积小、重量轻；4）、目前球阀的密封面材料选用塑料、密封性好；5）、操作方便，开闭迅速，便于