金属密封球阀阀座密封结构的分析

    1 概述

    金属密封球阀具有耐高温，耐磨损，耐冲蚀，流阻小，开关迅速，使用寿命长和可靠性高等优点，广泛用于煤化工、多晶硅、精细化工、石油化工、冶金、电力、矿山等行业。随着工况介质从单相流到多相流，气固型和液固型等二相流介质的增多，促进了金属密封球阀阀座与阀体密封结构的多样化。不同的工况设计使用不同的密封结构，既能解决适应不同工况介质要求，又能解决阀门开启扭矩大，特别是在高温情况下材料膨胀引起阀门扭矩大的问题，保证阀座与阀体间的密封，从而保证阀门的密封。本文介绍几种浮动球球阀和固定球球阀阀座密封结构，密封机理以及适用的工况和使用环境。

    2 浮动球球阀阀座密封

    2.1 常温对称型

    （1）O形圈密封

    常温对称型O形圈密封阀座（图1）为左右阀座对称的双向密封结构，该密封结构主要由阀座、球体、O形圈和碟形弹簧等组成。此结构解决了部分软密封球阀用于调节工况时出现的问题。如渗透性较强的二甲苯介质等输送时需要进行调节，而常规软密封球阀在球体经常处于半开状态时，软阀座容易出现印痕，甚至磨损拉伤，导致介质泄漏。采用金属阀座后，通过喷涂、研磨和精加工等技术保证了密封面之间的密封性能。O形圈则保证了阀座背部的密封。O形圈密封阀座一般适用温度-29～200℃。

图1 常温对称型O形圈密封阀座

    （2）石墨环密封

    常温对称型石墨环密封阀座（图2）为左右阀座对称的双向密封结构。该密封结构主要由阀座、球体和石墨环等组成，此结构主要用于煤灰渣浆，耐盐酸、铁盐等腐蚀性介质、耐煤灰渣浆颗粒冲蚀磨损等工况。在金属阀座背部安装石墨环，由左右阀体压紧使石墨环变形保证阀座背部密封。石墨环密封阀座适用温度-29～200℃。

图2 常温对称型石墨环密封阀座

    2.2 中温对称型石墨环密封

    中温对称型石墨环密封阀座（图3）为左右阀座对称双向密封结构。此密封结构主要由阀座、球体、石墨环和碟形弹簧等组成。阀座背部由石墨环保证密封。此结构在多晶硅、石油化工、硅粉和催化剂等介质工况得到较好的运用。因为石墨环高温时膨胀的方向对压缩量影响较大，所以该结构一般适用温度-29～400℃。

图3 中温对称型石墨环密封阀座

    2.3 高温单向金属密封

    高温单向金属密封（图4）阀座为金属单向密封结构。该结构主要由球体和固定阀座等组成。阀座放置在出口端，采用特殊工艺，保证了与阀体之间密封。阀门进口端一般采用浮动阀座，利用碟形弹簧提供了阀门的预紧密封压力，从而保证球体与固定阀座之间的密封性能。此结构适用于介质不允许接触石墨的环境，及多晶硅、石油化工和冶金等行业。因为高温状态下金属的膨胀系数较小，该结构适用温度-29～538℃。

图4 高温单向金属密封阀座

    2.4 高温单向压圈固定式密封

    高温单向压圈固定式密封阀座（图5）为金属单向密封阀座，该结构主要由球体、阀座、螺钉和压圈等组成。固定式压圈放置在阀门出口端，采用压圈固定阀座在阀体上，阀体与阀座采用配磨工艺，保证了阀体与阀座之间的密封性能。此结构适用于介质不允许接触石墨的环境，如石化、化工、电站、钢铁和水处理等行业的高温、腐蚀性和磨损性的气体、液体和浆料等介质。此结构适用温度-29～538℃。

图5 高温单向压圈固定式密封阀座

    2.5 高温单向石墨环密封

    高温单向石墨环密封阀座（图6）为单向密封结构，该结构主要由球体、阀座、碟形弹簧和石墨环等组成。控制石墨环尺寸，使其高温膨胀的范围较小。该结构运用在石化、化工、电站和水处理等行业的高温、腐蚀性和磨损性的气体、液体和浆料等介质工况，特别是气体携带硅粉等颗粒的工况，由于阀座背部石墨环的密封性能，避免了泄漏引起的冲刷导致阀座等零件快速损坏。在实际的使用过程中，也取得了较好的效果。该结构适用温度-29～538℃。

图6 高温单向石墨环密封阀座

    3 固定球球阀阀座密封

    3.1 常温O形圈

    常温O形圈密封阀座组件（图7）主要由球体、阀座、碟形弹簧和O形圈等组成，结构简单，安装方便，背部密封性能好，但是不具备防火功能。此结构适用温度-29～200℃，且为不要求防火功能的工况。

图7 常温O形圈密封阀座

    3.2 中温石墨环密封

    中温石墨环密封阀座组件（图8）主要由球体、阀座、碟形弹簧和石墨环等组成。阀座由碟形弹簧压紧石墨环提供预紧力保证密封性能。此结构在多晶硅、石油化工、硅粉和催化剂等工况介质下得到较好的运用。受石墨膨胀影响，适用温度-29～400℃。

图8 中温石墨环密封阀座

    3.3 高温石墨环密封

    高温石墨环密封阀座组件（图9）主要由球体、阀座、碟形弹簧和石墨环等组成。此结构将石墨环放置在阀座背部，且石墨环高温膨胀的方向与碟形弹簧产生力的方向不在一条线上，而是错位或者垂直，即石墨环膨胀量不影响碟形弹簧的压缩量。这样既解决了高温阀座背部的密封问题，又解决了高温时球体和阀座卡阻问题。该结构适用于石化和化工介质等工况，特别适用于气体携带硅粉等颗粒的工况，使用温度-29～538℃。

图9 高温石墨密封阀座

    3.4 防火型密封

    常温和高温防火型阀座密封组件（图10）主要由球体、阀座、碟形弹簧、O形圈、石墨环等组成。该结构通过石墨环增加了防火功能。当O形圈在失火状态烧毁时，阀座背部由石墨环密封。该结构一般适用于渣水和灰水等含有颗粒介质的工况，且温度一般在-29～200℃。

图10 常温防火型密封阀座

    将图10中O形圈换成石墨环，形成两道石墨环密封阀座（图11）。调整后的结构同样适用于渣水和灰水等含有颗粒介质的工况，使用温度-29～538℃，运用范围更广泛。

图11 高温防火型密封阀座

    4 结语

    采用不同的阀座密封结构，可以满足不同工况要求，使阀门在高温、高压、冲蚀和磨损等环境能够正常运行。