具有流量控制功能防冲刷磨损球阀的设计与开发

黄风洞

　　分析了常规金属密封球阀用于含硬固体颗粒介质的管路系统进行流量控制时的损坏原因，介绍了3 种具有流量控制功能防冲刷磨损的球阀及流量控制系统的结构与设计。产品已获国家专利( 专利号: ZL 201120216593. 7、ZL 201120470509. 4、ZL 201420294111. 3) 。

1、概述

　　随着工业的发展，阀门的使用工况越来越复杂，在很多工业领域，如煤制油、煤化工、多晶硅、有机硅、催化汽油吸附脱硫、延迟焦化、电厂排渣等装置，管路系统中的介质含有大量的硬固体颗粒。对于闸阀、截止阀等传统阀类，由于固体颗粒介质会在阀腔中沉积，导致阀门无法关闭和密封。另外，阀门开启时密封面暴露在介质中，硬固体颗粒介质会直接冲刷和磨损密封面，阀门使用寿命极短，因此，目前国内外针对该类工况一般选用金属密封球阀。

　　金属密封球阀在全开启状态下，阀座密封面及球体密封面处于受保护状态，不会被硬固体颗粒介质冲刷和磨损。在开启和关闭过程中金属密封球阀能够自动刮除密封面上的固体介质，从而确保可靠密封，另外，耐磨球阀的密封面采用耐磨材料，因此，阀门用于含硬固体颗粒介质的管路系统进行开关控制时，具有理想的使用效果和使用寿命。但是，当含硬固体颗粒介质的管路系统需要进行流量控制时，常规金属密封球阀的使用寿命却很短，大量的使用表明，常规金属密封球阀仅适用于含硬固体颗粒介质管路系统的开关控制，而不适用该类管路系统的流量控制。

2、常规金属密封球阀用于管路系统流量控制时的分析

　　通常金属密封球阀用于含硬固体颗粒介质管路系统的开关控制。但是，某些工况需要用耐磨球阀进行管路系统的流量调节与控制。常规金属密封球阀在硬固体颗粒介质的管路系统进行流量调节和流量控制时寿命很短，甚至使用数小时阀门就完全损坏。为了控制管路系统的流量，球阀处于部分开启状态(图1) ，此时，流经球阀的介质在通道截面1 处由于节流而使流速增大，高速流动的固体颗粒介质

　　直接冲刷在球体的A 部位以及阀体的B 部位，导致A、B 部位的磨损与损坏。图2 是常规金属密封球阀用于含硬固体颗粒介质的管路系统进流量调节时的损坏情况。

图1 金属密封球阀处于部分开启状态

图2 金属密封球阀受到冲刷和磨损的状态

　　当常规金属密封球阀用于管路系统进行流量调节时，阀门内部介质经节流后流速增大、流向改变，导致硬固体颗粒介质直接对球体和阀体的高速冲刷，是常规金属密封球阀磨损和损坏的原因。

3、具有流量控制功能防冲刷磨损球阀及流量控制系统的结构设计

　　通过改变球阀的开度来达到控制管路系统流量的目的，但是，球阀在改变开度的同时也改变了介质在局部区域的流速和流向，导致高速流动的介质直接对球体及阀体的冲刷，因此，通过对球阀结构设计的改变，尽可能减少高速流动介质对球体及阀体的直接冲刷，从而延长球阀的使用寿命。图3 是一种适用于流量控制的耐磨球阀，该结构设计是将球体出口一侧去除一部分，当球阀通过改变开度来控制流量时，经过球体进口侧的高速流体的流向不会有很大的改变。因此，认为介质对于球体及阀体的冲刷会大大减少，从而有效减少了球体及阀体的磨损和损坏，实际使用表明，该结构的球阀用于含硬固体颗粒介质的管路系统进行流量控制时，使用寿命提高了10 多倍。

　　图3的耐磨球阀可以通过改变球体的开度来调节管路系统的流量，但是，采用该结构的耐磨球阀进行流量调节与控制时，介质的流动方向还是有一些改变，从而会对球体及阀体有一定程度的冲刷和磨损。因此，针对定流量管路控制系统，设计开发了另一种具有流量控制功能的防冲刷磨损的耐磨球阀(图4) ，该结构的球阀采用半球结构设计，在球体上设置了一个小孔，该小孔的尺寸根据需要控制的流量进行设置，当球阀全开启时，通道完全畅通，此时介质的流动基本不会对阀门产生冲刷和磨损。当需要进行管路系统的流量控制时，球体上的小孔处于阀门通道的正中位置，此时，经过该小孔的节流，高速流经小孔的介质处于球阀通道的正中部位，故不会对阀体及球体产生冲刷和磨损。采用该结构的耐磨球阀替代常规耐磨球阀，成功应用于煤气化装置的渣水排放，实际使用表明，阀门的使用寿命提高了几十倍。

图3 具有流量控制功能防冲刷磨损的耐磨球阀

图4 具有流量控制功能防冲刷磨损的耐磨球阀工作状态

　　在工程管路系统中的介质含有大量硬固体颗粒，当管路系统压力较高时需要通过阀门来控制管路中介质的流量，避免因流量过大而发生事故，而当管路中的压力降低到规定的压力后，要求管路畅通使介质迅速排放。为了满足使用要求，设计开发了采用金属密封球阀的防冲刷磨损的管路流量控制系统( 图5) 。图中A 是管路的进口侧，B 是管路的出口侧，在主管线耐磨球阀的进出口两侧设置旁路管线，在旁路管线上安装流量限制孔板和旁路管线耐磨球阀。孔板设置在旁路管线的进口一侧，在旁路管线的出口一侧设置耐磨球阀。孔板的限流孔设置在孔板的中心位置，孔板限流孔的孔径根据流量确定。通常要求旁路管线的通道面积数倍于孔板的限流孔面积。为了确保孔板的耐磨性能，孔板通常采用硬质合金、陶瓷等耐磨材料制造。

　　主管线耐磨球阀和旁路管线金属密封球阀关闭时，管路系统处于关闭状态。当进口侧压力较高，开启阀门时需要控制管路系统的流量。先将旁路管线耐磨球阀全开启，此时，进口侧的高压介质通过旁路管线流到出口侧，孔板的限流使流量得到了控制。由于旁路管线的通道面积远大于孔板的通道面积，受孔板的限制，旁路管线的流速也得到了限制，避免了旁路管线因为介质流速较大而被冲刷磨损。孔板的限流，介质流经孔板时会产生较高的流速，由于限流孔设置在孔板的中心，因此经过孔板的高速介质不会直接冲刷到管壁，从而确保了旁路管线不会被冲刷磨损。当进口侧压力通过旁路管线泄放而降低到规定的压力时，可以将主管线耐磨球阀打开，此时能够保证主管路畅通，使介质得到迅速的排放。

　　系统在进行主管线的开关控制以及流量控制时，主管线耐磨球阀和旁路管线耐磨球阀均只需要全开全关操作，而不需要部分开启，因此，可以防止球阀因为部分开启而导致介质对球体及阀体的冲刷磨损。管路流量控制系统满足了工况对于系统开关及流量控制的要求，并能够有效防止阀门使用时被冲刷磨损。该流量控制系统已成功应用于垃圾处理发电系统，使用结果表明，采用该流量控制系统替代单一的耐磨球阀，可提高阀门的使用寿命几十倍。

图5 防冲刷磨损的管路流量控制系统

4、结语

　　常规金属密封球阀用于含硬固体颗粒介质的管路系统进行开关控制时具有良好的使用寿命，但用于该管路系统进行流量控制时使用寿命很短。针对常规金属密封球阀用于流量控制时的损坏原因及不同流量的控制要求，设计开发的3 种具有流量控制功能防冲刷磨损耐磨球阀以及流量控制系统，成功应用于多种含硬固体颗粒的管路系统中，能够有效防止硬固体颗粒介质的冲刷和磨损，使用寿命长。

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