球閥球體與閥桿一體化設計與分析
針對普通浮動球閥閥桿跟球體連接處因間隙配合導致應力分布不均勻，且容易導致硬化層剝落等缺點，設計了球桿一體化固定式球閥。主要在球桿跟球體的連接工藝上作了詳細分析和改進，使閥桿與球體焊接在一起，然后在閥桿和球體連接件上噴焊Ni60。在應力、安全性能和適應環(huán)境方面也進行了相應的分析，發(fā)現球桿一體化球閥比普通浮動球閥開關時所用的扭矩小;而且閥桿跟球體焊接成一個整體，防止了閥桿沖出體外的可能;另外，此種設計開啟精度高、壽命長。這些優(yōu)越性優(yōu)化了閥門的控制和安全性能，解決了閥門容易密封失效難題，從而推動了閥門行業(yè)的進一步的發(fā)展，為閥門行業(yè)提供了一個很好的研發(fā)方向。
閥門是流體管路的控制裝置，其基本功能是接通或切斷管路介質的流通，改變介質的流動方向，調節(jié)介質的壓力和流量，保護管路設備的正常運行。隨著現代工業(yè)的不斷發(fā)展，閥門需求量不斷增長。一幢現代高樓需要大量的閥門，一個現代化的石油化工裝置就需要上萬只各式各樣的閥門。球閥是20世紀50年代問世的一種新型閥門，具有外型尺寸小、質量較輕、密封性好、流體阻力小、開關迅速方便、便于氣控和電控、使用壽命長、安全可靠性高、維修方便等優(yōu)點而受到廣泛的歡迎，真空技術網(http://genius-power.com/)認為因此在各行各業(yè)的管道上被廣泛采用。很多單位和機構開始研究高質量的球閥，無論從閥體、球體、閥桿、球座、密封元件、驅動裝置等，都得到了很大程度的發(fā)展。隨著球閥的廣泛使用，對其設計提出了更高的要求，本文就球體與閥桿一體化方面進行合理的設計與分析，使球閥的部分性能得到了優(yōu)化，使之能更加安全，穩(wěn)定的工作。
1、存在問題
現在普遍使用的球閥大都是球體與閥桿是兩個獨立的零件，如圖1所示。通過連接處的間隙配合，使之達到開啟閉合的效果，這樣的連接形式，使用時間久了就會轉動不準確，帶來很大的危害。例如在煤制油、油改煤以及煤氣化等煤化工系統(tǒng)處于介質(煤渣)高硬度、高壓力及高溫度的工況下，閥門應具有耐磨、耐沖刷及快速切斷等功能。閥門啟閉頻繁且速度快(30min動作一次，5～10s/次)，在這種情況下閥門的轉動必須準確，否則會對密封性、使用壽命、流量和流速有嚴重的影響。對圖1所示的球閥來說，閥桿與球體接觸部位應力過大，很容易引起硬化層的剝落，從而使轉動精度降低。例如，本來是閥桿旋轉90°而終止，由于硬化層的脫落，結果球體有可能旋轉了88°，這樣會帶來一定的阻力，會使閥門的壽命大大縮短，而且硬化層的脫落會導致密封失效。
圖1 一種常用球閥結構示意圖
當啟閉閥門時，閥桿與球體的作用部位就會形成比壓，由于閥桿與球體之間的連接是間隙配合，導致在接觸面上的比壓分布也是不均勻的(圖2)，越靠近閥桿的邊緣部分擠壓應力δzy越大，這樣造成邊緣部分因應力過大而提前使表面層脫落。相比之下，中間部分所受到的應力會相應減少。
圖2 閥桿頭部比壓分布
由于存在應力分布不均勻現象，會對閥門的使用壽命造成一定的影響。
在特定的環(huán)境中，閥桿有沖出體外的可能。閥桿沖出體外，導致閥桿的轉動不能帶動球體的轉動，這樣就不能使球閥進行正常的工作，嚴重時會造成重大事故。對于上述這些情況，把球體與閥桿做成一個整體，使閥桿球體一體化，就會避免這種因間隙配合引起的種種失效，同時也不會使閥桿沖出體外。
2、優(yōu)化設計
閥桿球體一體化，做成固定式硬密封球閥，這樣可以優(yōu)化普通球閥的一些性能，使之能夠更加高效、安全地進行工作。下面以4"QS347Y-600Lb對分硬密封球閥為例(圖3)，進行分析。
圖3 4"QS347Y-600Lb對分硬密封球閥
2.1、球桿一體的具體加工方法
對于閥桿，材料應符合GB/T1220的規(guī)定，選用17-4PH不銹鋼，它是馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，其性能特點是易于通過變動熱處理工藝調整強度級別，并且該材料衰減性能好，抗腐蝕疲勞及抗水滴性能強，適合制作像閥桿這樣的軸類零件。鍛件要進行固溶處理，使合金中各種相充分溶解，強化固溶體，并提高韌性及抗蝕性能，消除應力與軟化，以便繼續(xù)加工或成型，經熱處理后硬度要達到40~42HRC。
對于球體，材料應符合ASTMA182的規(guī)定，選用F304不銹鋼，它是一種通用性的不銹鋼材料，防銹性能比200系列的不銹鋼材料要強。耐高溫方面也比較好，304不銹鋼具有優(yōu)良的不銹耐腐蝕性能和較好的抗晶間腐蝕性能。對氧化性酸，在實驗中得出：濃度≤65%的沸騰溫度以下的硝酸中，304不銹鋼具有很強的抗腐蝕性，對堿溶液及大部分有機酸和無機酸亦具有良好的耐腐蝕能力。球體與閥桿一樣，也要進行鍛件的固溶處理，改善鋼和合金的塑性和韌性，為沉淀硬化處理作好準備。
球體與閥桿連接部位的尺寸Φ48與閥桿過盈配合0.15~0.20mm，具體加工方法為：將球體加熱到400℃，保溫20min，然后將閥桿精確地插入球體，使之冷卻后進行焊接，球體與閥桿的焊接部位如圖4所示，并及時回火消除應力。這樣，閥桿與球體就被焊接成了一個整體，然后噴焊Ni60，Ni60的化學成分和主要性能見表1。
表1 Ni60自熔合金的化學成分和主要性能
圖4 球體與閥桿焊接部位示意圖
Ni60粉噴焊層硬度在60HRC左右，與滲碳、滲氮、滲硼、鍍鉻和某些堆焊合金等表面硬化處理后的硬度相當，并具有優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化的綜合性能，已被廣泛用于冶金、機械、礦山、石油、化工、輕工、汽車等領域易損部件的修復和保護，能幾倍乃至幾十倍地提高使用壽命，取得了顯著的經濟效益和社會效益。同樣，在球體與閥桿上噴焊Ni60是對其表面進行強化，使之具有較高的硬度和優(yōu)良的耐磨性等綜合性能。
Ni60噴焊工藝流程如圖5所示，其中表面處理與預熱尤為重要。噴焊層與基體的結合強度，除取決于自熔合金粉末性能和噴焊工藝操作外，還與被噴工件表面處理是否符合要求有直接關系。對于預修復工件的表面疲勞層、滲碳層、氧化層、鍍鉻層、銹斑、油污等需先除去。處理方法(手工)：用角向磨光機或電動磨頭清理至露出基體金屬本身光澤為宜。對噴焊工件進行預熱，是為了蒸發(fā)工件表面的水份，并使基體有一定的預膨脹，提高粉末噴敷沉積率，同時有助于焊層重熔時與基體的結合。預熱溫度取決于工件大小及基體的抗氧化性能，一般較小或基體易氧化的工件采用150~200℃預熱。
圖5 Ni60噴焊工藝流程
2.2、重要參數的計算
球桿一體化固定式硬密封球閥的一些重要參數的計算方法如下。
2.2.1、閥體壁厚S'B
(1)
式中：S'B為計算厚度，mm;p為計算壓力，MPa;Dn為計算內徑，mm;[σL]為許用拉應力，MPa;C為腐蝕余量，mm。
當閥體實際厚度SB≥S'B時，強度合格。
2.2.2、密封比壓q
q=DMJ(PS-PN)/(4bM) (2)
式中：DMJ為密封面平均直徑，mm;PS為整定壓力(設計選定約1.1PN)，MPa;PN為公稱壓力，MPa;bM為密封面寬度，mm;qMF為密封面上必須的比壓，MPa;[q]為密封面許用比壓，MPa。
密封比壓應當滿足qMF<q<[q]。
2.2.3、閥桿的總力矩MF
MF=MQC+MFT+MZC (3)
MQC=MQC1+MQC2 (4)
MFT=0.5QTΦ桿 (5)
MZC=0.3927D2JHPNfzDQJ (6)
式中：MQC1為閥座對球預緊力產生的摩擦力矩，N·mm;MQC2為介質工作壓力產生的摩擦力矩，N·mm;QT為填料與閥桿的摩擦力，N;Φ桿為閥桿直徑，mm;DJH為閥座套筒外徑，mm;fz為摩擦因數;DQJ為軸頸直徑，mm。
2.2.4、斷面扭應力
�、駭嗝媾�(方頭)：
由于閥桿頭部與閥體接觸，承受很大的扭應力，為滿足性能的要求，應當計算斷面扭應力，使之小于許用扭應力。斷面位置如圖6所示。
τN1=MF/W1 (7)
�、驍嗝媾�(閥桿)：
閥桿與閥桿頭部的部位直徑突然變小，最容易發(fā)生扭曲、變形，從而產生扭轉切應力。所以要計算閥桿與頭部的扭應力，同樣使之要小于許用扭應力。斷面位置如圖6所示。
圖6 閥桿頭部斷面位置
τN2=MF/W2 (8)
式中：W1、W2為抗扭斷面系數。
3、優(yōu)化分析
3.1、連接處應力分析
圖1所示浮動球閥，因為是間隙配合，所以在接觸面上的比壓分布是不均勻的。擠壓應力δzy應小于材料的許用擠壓應力值[δzy]，為滿足要求，只能加大閥桿與球體接觸部位的尺寸。但加大閥桿與球體接觸部位的尺寸將減弱球體的強度，而且會使閥桿與球體接觸部位應力過大，很容易引起硬化層的局部剝落，并逐步擴展到了整個球的表面，導致密封失效。
對于球桿一體化固定球閥來說就避免了這些問題，它與普通的球閥相比較有以下優(yōu)點。
(1)閥前流體壓力在球體上產生的作用力全部傳遞給軸承，消除了由于進口壓力推動球體與密封座形成的巨大密封負荷而造成過大的扭矩，不會使球體向閥座移動從而使閥座不會承受過大的壓力，所以固定球閥的轉矩小，閥座變形小，密封性能穩(wěn)定，使用壽命長，適用于高壓、大口徑場合。
(2)又因為球體與閥桿焊接為一個整體，球體與驅動裝置開啟的角度大小完全一致，使開啟、閉合更加準確無誤，避免了像普通浮動球閥那樣，球體跟閥桿隨著使用時間的延長，其間隙配合帶來的轉動不準確，甚至出現“假轉”現象的弊端。
3.2、安全性能
對普通的球閥，特別對于老式上裝式閥桿的球閥，用它來輸送液化氣時，當球閥處于關閉狀態(tài)時，積存在閥座之間的閥體體腔內的液化氣會因吸收外界熱量而大量氣化，造成體腔內壓力異常升高。這種異常升壓現象可能會使閥桿沖出體外，如圖7所示。造成嚴重的事故，導致人員傷亡。而球體一體化閥門，因為球體跟閥桿焊接成一個整體，就從根本上避免了這種閥桿沖出體外的可能性，這樣就保證了工作環(huán)境的安全性和閥門的可靠性。
圖7 異常升壓使上裝式閥桿沖出體腔外的情形
3.3、適應環(huán)境
煤制油(用煤液化法制油)是重點發(fā)展的一項新技術，國家已批準在內蒙古建設一套年產500萬噸煤直接液化項目。煤直接液化裝置工藝條件十分苛刻，對閥門提出的要求非常高。此種球桿一體化硬密封球閥耐磨，且抗沖擊能力強，并且能夠在介質溫度420~500℃、工作壓力17~30MPa的工況下工作。滿足了這種煤化工項目的要求，從而促進了煤制油工藝發(fā)展。
球桿一體化固定式球閥的這些優(yōu)越性優(yōu)化了閥門的控制和安全性能，解決了閥門容易密封失效的難題。從而推動了閥門行業(yè)的進一步的發(fā)展，為閥門行業(yè)提供了一個很好的研發(fā)方向。
4、結束語
為適應我國國民經濟的快速發(fā)展，適應各行各業(yè)不同介質和管路提出的新要求，在閥門行業(yè)廣大科技人員的努力下，球閥結構不斷地被改進，但是此種設計也有一定的不足之處。例如，加工工藝復雜、成本高、對加工設備的性能要求相對較高等，所以其設計有待進一步研究及優(yōu)化。我們應努力開發(fā)科技含量高、滿足工程參數需要、安全性好、可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強、易于管道清掃、啟閉迅速的球閥。只有這種高性能的產品才具有廣闊的市場和重要的經濟價值。
