1、1管线球阀中软密封阀座的合理性设计建议摘要：管线球阀中软密封阀座使用的范围越来越广，客户对于管线球阀的操作力矩和使用寿命有了更高的要求，而决定这些的是密封比压的选择，本文通过 Workbench 的举例说明通过利用软件的模拟而得到合理的数据选择。 关键词：管线球阀 软密封阀座 Workbench 密封比压 球阀因其流阻系数小而被应用的范围越来越广，在没有温度要求和浆料类的介质环境中软密封阀座的球阀越来越为广大客户所青睐。球阀中最重要的设计理念是：“在小的操作力矩下保证球阀的密封性” 。现在生产球阀的厂家中，软密封阀座的设计一般都是在加工中自己摸索出相对传统软密封阀座使用操作力矩比较小的软密封阀
2、座。现在市面上软密封阀座常用的阀座材质为聚四氟乙烯（PTFE） ，下表为聚四氟乙烯的物理性能： 管线球阀应用于石油、天然气及燃气管线中，使用范围越来越广泛，所以如何设计出更合理的产品是所有阀门设计人员应该关注的事情。 一、影响密封副密封性能的因素以及密封比压对密封性能的重要性 1.全通径球阀有两个阀座，想要得到预期的密封性能必须使用密封外力，以加大密封比压，从而得到接触密封，防止阀门产生外漏和内漏。2.密封比压所产生的阀座变形，应在阀座材料的极限弹性变形范围2内，并有不大的残余变形。同时要保证阀座的表面粗糙度，如果阀座表面粗糙，球体圆度偏差较大，则保证密封所需的密封比压就必须加大，从而使残余变
3、形加大，影响阀门使用性能的使用寿命。 3.球阀是借助流体压力、弹性元件作用力或预压缩产生的密封力使球阀与阀座相互靠紧、接触甚至嵌入，以减小或消除密封面之间的间隙而达到密封的接触型密封，也就是线密封。球阀阀座和球体因加工上的累积误差无法消除，暂时所有球阀密封面的接触无法达到面密封的要求。所以密封比压控制的好坏是球阀密封性能最关键的环节。 4.粗糙度对密封性能的影响也很大，当粗糙度高，比压小时，泄漏量增大。而当比压大时，粗糙度对泄漏量的影响显著减小，这是因为密封面上的微观锯齿状尖峰被压平了。软密封面的粗糙度对密封性能的影响比金属对金属的刚性密封要小的多。比压的大小直接影响球阀的密封性、可靠性及使用
4、寿命。 二、密封阀座的结构设计理念 1.由于阀座不是绝对刚性的，它在密封力的作用下，或温度变换等因素的影响下，结构尺寸必然产生变化，这会改变密封副之间的相互作用力，从而使密封性能下降。为补偿结构缺陷，通常在设计中会使用弹性元件或金属弹性支撑垫圈。 2.在球阀使用中，密封面的大小不会影响阀门的密封性能和使用情况，在密封面大的情况下反而要用更大的密封比压来保证密封。所以合理的阀座密封面设计是设计者关注的问题和持续改进的方向。 三、比压对寿命的影响 3在实际设计中，密封比压的选定是根据设计比压的大小而决定。选择比压应使密封可靠，寿命长和结构紧凑。因此，合理的选择设计比压，是设计中一个重要问题。此值对
5、摩擦损伤或使用寿命产生极大的影响。当然，密封副的材料、配对以及吻合度对使用寿命也有影响，但在相同条件下，比压对寿命是一个直接的影响因素。对于球阀，比压与使用寿命的关系，目前还不能得到可靠地数据。但是其他阀门，例如闸阀的试验研究表明，比压的增加将大大的降低擦伤次数或使用寿命。这一现象可从摩擦摩擦磨损机理中的“分子-机械”论得到解释。该理论认为，在单位压力作用下，密封副局部将产生高的接触应力，随着单位应力的升高，接触表面处于弹性、塑性变形的混合状态，并且表面又互相啮合，在相对滑动时，则产生擦伤破坏。 由此可见，在一定的密封面宽度范围内，力求降低比压值，是提高球阀使用寿命的一种可行途径。 四、使用分
6、析软件 Workbench 来查看设计是否合理 在前文中一再强调密封比压的重要性，所以选择合适的密封比压是提高密封副密封性、可靠性和延长使用寿命的根本方法。先举例说明如何运用 Workbench 软件选择出最为理想的密封比压，在生产前解决在装配时会遇到的给密封副多少密封比压的问题。 必需比压是为保证密封，密封面单位面积上所必需的最小压力，它直接影响产品的性能和结构尺寸。必需比压和很多因素有关，主要取决于加工质量、尺寸、工作压力和温度。 例：选用球阀设计与选用已有密封比压数据，选用 PTFE 材料，4材料物理性能选用引言中的数据表。假设在工作压力为 2.5MPa，密封面投影宽度设定为 8mm 时
7、，必需比压为 4.5MPa 的情况下，阀座的总位移量是多少。 经过 Workbench 分析得出如图 2 所示的效果图： 图 2 总变形分析云图 在必须比压 4.5MPa 的压力作用下，阀座最大变形量为 0.027036mm，根据球阀的设计与选用 ，位移量符合设计要求，当球体和密封阀座累积误差加大的情况下，可以适当增加比压已达到好的密封性能。 五、结语 通过 Workbench 软件的辅助分析结果，可以更直观的看到设计所选的密封比压是否符合实际使用要求又能保证密封性。最大限度降低密封比压，不在只是单板的依靠计算值。相对小的密封比压可以大大减小阀门的操作力矩，使操作者更方便的开启和关闭阀门，同时使用寿命也会有所提高。 参考文献 1球阀的设计与选用北京科学技术出版社. 2机械设计手册 化学工业出版社. 3ANSYS Workbench 13.0 从入门到精通 清华大学出版社.
