玻璃纖維增強(qiáng)塑料浮動(dòng)球閥密封性能分析*

彭 康 陳 琦 喻九陽(yáng) 王景勛 夏亞忠 王眾浩 張 焊

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，綠色化工裝備與工程技術(shù)中心 湖北武漢 430200)

球閥作為一種阻斷介質(zhì)流通、調(diào)節(jié)流量的閥門，因結(jié)構(gòu)緊湊、密封性能好、可靠性高、維修方便等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于石油化工、造紙、制藥、電力等領(lǐng)域[1-4]。根據(jù)閥球在閥體內(nèi)有無固定約束，球閥可分為固定球閥和浮動(dòng)球閥。與固定球閥相比，浮動(dòng)球閥在介質(zhì)壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的位移并與出口端閥座緊密貼合，保證球閥不發(fā)生泄漏，因此浮動(dòng)球閥密封也稱為單向密封。因浮動(dòng)球閥只有出口端閥座與閥球之間能夠形成密封面，造成出口端閥座同時(shí)承受介質(zhì)壓力與閥球自身重力，在介質(zhì)壓力較高、球閥口徑較大情況下容易造成閥球的上下滑動(dòng)，影響密封效果[5-6]。這也決定了浮動(dòng)球閥常用于小口徑、中低壓環(huán)境[7-8]。

為了深入研究球閥密封性能的影響因素，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)分析[9-10]。高揚(yáng)[11]通過有限元的方式得出了浮動(dòng)球閥密封比壓在密封面上的分布關(guān)系。王曉明[12]利用CAE技術(shù)對(duì)大型球閥進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲勞分析，并通過試驗(yàn)證明了有限元分析的可靠性。楊鼎瑞[13]計(jì)算了硬密封球閥的密封力、密封比壓等參數(shù)，并通過ANSYS Workbench對(duì)球閥進(jìn)行了開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的分析，得出了密封副在球閥啟閉過程中的形變量的變化關(guān)系。KIM等[14]采用有限元分析方法對(duì)低溫球閥的結(jié)構(gòu)完整性和可操作性進(jìn)行了評(píng)估，并通過特殊加工、熱處理等方式，優(yōu)化設(shè)計(jì)出了能夠?qū)崿F(xiàn)零泄漏的高壓低溫球閥。SONG等[15]提出了有限元分析和優(yōu)化丁腈橡膠球閥密封機(jī)制的方法，得出了丁腈橡膠密封件與球面最佳的接觸面積，優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu)密封比壓更加均勻，在保證密封的同時(shí)最大限度地減少了球面的摩擦磨損。MNIF等[16]研究和分析了聚四氟乙烯球閥的密封失效形式，認(rèn)為球閥密封失效是由于密封件的磨損和密封面的塑性變形導(dǎo)致的。PENG等[17]對(duì)比了2種金屬球閥密封泄漏率的計(jì)算模型，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。FEDOROV和PAVLOV[18]研究了金屬陶瓷合金閥門的密封性能，認(rèn)為必須考慮密封面的制造公差、相對(duì)粗糙度等，才能保證閥門在特定工況下有良好的密封性能。

在氯堿化工管道中，管道口徑較小，介質(zhì)壓力也較小，使用金屬球閥容易被強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等介質(zhì)腐蝕，造成閥門密封失效。以玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)為原料制作的球閥具有強(qiáng)度高、密度小、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代金屬球閥應(yīng)用在氯堿化工管道中。本文作者以GFRP為原料設(shè)計(jì)制造的DN50浮動(dòng)球閥為研究對(duì)象，運(yùn)用ANSYS Workbench分析球閥在關(guān)閉狀態(tài)下旋塞預(yù)緊力、最高工作壓力、閥座摩擦因數(shù)和密封面寬度對(duì)密封性能的影響，通過正交試驗(yàn)確定了上述因素對(duì)密封性能影響的主次順序，為GFRP浮動(dòng)球閥的生產(chǎn)制造提供理論依據(jù)。

1 球閥計(jì)算模型

1.1 球閥密封原理

建立的GFRP浮動(dòng)球閥和密封件三維模型的剖面圖如圖1所示。浮動(dòng)閥球在閥體內(nèi)無固定約束，當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，進(jìn)口端閥球在介質(zhì)壓力作用下出現(xiàn)擠壓變形，進(jìn)口端閥座不產(chǎn)生密封效果；而在出口處，依靠介質(zhì)壓力和旋塞預(yù)緊力FN，閥球與閥座密封面形成密封比壓，完成流體密封。因此只需要建立出口處密封結(jié)構(gòu)即可，結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖1 球閥結(jié)構(gòu)

表1 球閥結(jié)構(gòu)尺寸 單位:mm

1.2 材料屬性和邊界條件

GFRP材料的密度為1.82 g/cm3，彈性模量為2.71 GPa，拉伸強(qiáng)度為121.56 MPa，彎曲強(qiáng)度為70.22 MPa；密封件材料為彈性材料聚四氟乙烯(PTFE)密度為2.2 g/cm3，彈性模量為1.14 GPa。

浮動(dòng)球閥密封件與閥體接觸圓面設(shè)置為固定約束，由于球閥在軸向存在一定位移，閥球內(nèi)部壓力與入口處壓力一致，因此在出口端閥球內(nèi)表面施加介質(zhì)壓力p。為了更加方便研究密封面上應(yīng)力應(yīng)變的變化關(guān)系，建立周向分析路徑和徑向分析路徑，邊界條件和分析路徑如圖2所示。

圖2 球閥約束及分析路徑

1.3 密封判斷標(biāo)準(zhǔn)

為了保證閥球在完全關(guān)閉情況下有良好的密封性能，必須保證貼合面上有一條大于最小密封比壓的應(yīng)力帶，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為

qMF

其中：qMF為臨界密封比壓。

式中：q為計(jì)算比壓，MPa；[q]為密封材料最大許用比壓，MPa;pN為公稱壓力，MPa；bM為密封面寬度，mm。

該密封件閥座材料為聚四氟乙烯，最大許用比壓[q]=20 MPa。密封比壓直接決定密封件與閥球的貼合程度，工程上常用密封比壓作為球閥能否密封的參考標(biāo)準(zhǔn)。

2 球閥密封性能分析

2.1 低壓預(yù)緊力分析

常壓下(0.1 MPa)球閥難以單獨(dú)靠流體壓力完成密封，施加旋塞預(yù)緊力可以使閥球與兩側(cè)閥座緊密配合，產(chǎn)生足夠的密封比壓完成密封。如圖3(a)所示為閥座在無旋塞預(yù)緊力下密封面的受力情況。根據(jù)1.3節(jié)球閥必須密封比壓公式可知，閥座密封面上至少應(yīng)存在一條大于臨界比壓qMF=2.317 7 MPa的閉合應(yīng)力帶，才能使該浮動(dòng)球閥具有合格的密封性能。在無預(yù)緊力條件下，密封面上最大密封比壓為0.708 86 MPa，故在不施加旋塞預(yù)緊力的情況下，該型號(hào)球閥會(huì)因?yàn)槊芊獗葔哼^低而產(chǎn)生泄漏。因此，需要對(duì)閥座施加一定的旋塞預(yù)緊力，以保證其在常壓環(huán)境下具有合格的密封能力。

圖3 無預(yù)緊力下密封面受力以及密封比壓隨預(yù)緊力的變化

旋塞預(yù)緊力越大，閥座與閥球之間的配合越緊密，密封面上的壓力也會(huì)越大，也越有利于密封。但為了保證閥座不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期受壓過大而發(fā)生疲勞失效，需要將旋塞預(yù)緊力控制在一定的范圍內(nèi)。圖3(b)所示為不同旋塞預(yù)緊力下閥座密封面上的最大比壓，隨著預(yù)緊力的不斷增大，閥座密封面上最大比壓呈線性增大趨勢(shì)。圖4所示為不同預(yù)緊力下密封比壓變化關(guān)系。當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到450 N時(shí)，密封面上最大比壓雖然達(dá)到了密封所需最小臨界比壓，但密封面上沒有形成一條大于qMF的閉合應(yīng)力帶；當(dāng)旋塞預(yù)緊力增大到550 N時(shí)，密封面上有效密封寬度為整體寬度的34%，達(dá)到球閥密封最低標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)預(yù)緊力增大至600 N時(shí)，有效密封面寬度上升至71%，雖然也能夠完成球閥密封，但密封面最大密封比壓達(dá)到3.1 MPa，長(zhǎng)期使用容易造成材料疲勞失效，影響球閥密封。因此，旋塞預(yù)緊力為550 N時(shí)，最適合該球閥完成低壓密封。

圖4 不同預(yù)緊力下密封比壓變化關(guān)系

2.2 閥座承壓分析

當(dāng)介質(zhì)壓力大于一定數(shù)值時(shí)，進(jìn)口端閥座和閥球之間的緊密配合消失，球閥密封取決于出口處閥座和閥球之間的配合。結(jié)合圖3(b)與圖5(a)中流體壓力與密封面最大密封比壓關(guān)系，當(dāng)流體壓力為0.26 MPa時(shí)，閥座上最大密封比壓與旋塞預(yù)緊力為550 N時(shí)的最大密封比壓接近?？烧J(rèn)為球閥內(nèi)介質(zhì)壓力高于0.26 MPa后，球閥在出口端與閥座的密封力僅由介質(zhì)壓力所決定。在閥座材料的許用壓力范圍內(nèi)，保證閥座能夠完成密封且能夠持續(xù)長(zhǎng)久運(yùn)行，取決于密封面上最大的密封壓力。如圖5所示，閥座上所受最大應(yīng)力與流體壓力呈現(xiàn)高度線性關(guān)系，當(dāng)介質(zhì)壓力為3.2 MPa時(shí)，密封面最大密封比壓達(dá)到20.567 MPa，超出閥座材料的許用壓力，故該浮動(dòng)球閥的工作壓力不應(yīng)超過3.2 MPa。為保證球閥能夠長(zhǎng)久運(yùn)行，推薦工作壓力范圍為0～3 MPa。

圖5 流體壓力與閥座最大比壓的關(guān)系以及介質(zhì)壓力3.2 MPa下壓力云圖

2.3 摩擦力對(duì)密封比壓的影響

密封面的摩擦因數(shù)是影響球閥密封的關(guān)鍵因素。聚四氟乙烯閥座由于加工精度的不同，其摩擦因數(shù)通常位于0.05～0.2之間。取摩擦因數(shù)μ分別為0.05、0.10、0.15、0.2，在流體壓力3 MPa下分析了閥座密封比壓分布和密封面形變，結(jié)果如圖6所示。在周向角度為0°和180°時(shí)，閥球外表面與閥座內(nèi)表面部分接觸，因此容易造成該區(qū)域比上下兩側(cè)的密封比壓和形變大。當(dāng)摩擦因數(shù)為0.05時(shí)，密封面上最大應(yīng)力為16.2 MPa，最小應(yīng)力為7.06 MPa，最大形變?yōu)?.014 mm；而摩擦因數(shù)增大至0.2時(shí)，最大應(yīng)力為14.1 MPa，最小應(yīng)力為5.83 MPa，最大形變?yōu)?.012 mm，相比摩擦因數(shù)為0.05時(shí)分別降低了12.9%、17.4%、14.2%。而球閥滿足密封要求的臨界密封比壓qMF僅需要5.52 MPa，摩擦因數(shù)為0.2時(shí)密封面所受應(yīng)力與臨界密封比壓最為接近，間隙最小，密封效果最佳?？梢?，增大摩擦因數(shù)能夠明顯減小周向角度0°和180°位置附近的最大應(yīng)力，使得密封面上各處形變更加均衡，可提高密封面材料的利用率。

圖6 摩擦因數(shù)對(duì)密封性能的影響

2.4 密封面寬度對(duì)密封性能的影響

圖7(a)所示為介質(zhì)壓力3 MPa下不同密封面寬度的閥座密封面受力，圖7(b)所示為密封面徑向方向上密封比壓分布。不同密封面寬度的閥座，最大密封比壓位置均在閥座中徑附近；隨著密封面寬度的逐漸增大，密封面上的密封比壓呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)密封面寬度由6.65 mm增大到8.65 mm時(shí)，密封面路徑上最大密封比壓由19.282 MPa減小至15.892 MPa，有效密封面寬度由30%降低至26%；當(dāng)密封面寬度繼續(xù)增大到9.65 mm時(shí)，密封面路徑上最大密封比壓反而增大到16.658 MPa，有效密封面寬度仍保持在25%左右。在保證球閥能夠完成正常密封的情況下，應(yīng)盡量減小閥座所受壓力，而密封面寬度越大，閥座與閥球在閥口附近未接觸區(qū)域也會(huì)越大，從而導(dǎo)致閥座與閥球之間接觸的相對(duì)面積減小，出現(xiàn)部分區(qū)域密封比壓較大的情況，長(zhǎng)期使用還會(huì)導(dǎo)致閥座使用壽命降低。因此綜合考慮球閥的使用壽命和材料利用率，該閥座的最佳密封面寬度為8.65 mm。

圖7 不同密封面寬度下密封比壓變化關(guān)系

2.5 密封性能多因素分析

對(duì)該浮動(dòng)球閥而言，當(dāng)流體壓力低于0.26 MPa時(shí)，密封比壓主要與旋塞預(yù)緊力和密封件型號(hào)參數(shù)有關(guān)；當(dāng)流體壓力高于0.26 MPa時(shí)，閥座不受旋塞預(yù)緊力作用，密封比壓只與密封件型號(hào)參數(shù)有關(guān)。因此設(shè)計(jì)0.1 MPa流體壓力下低壓預(yù)緊力、密封件摩擦因數(shù)、密封面寬度三因素四水平L16(43)正交表，如表2所示，以最大密封比壓作為參考指標(biāo)，分析各個(gè)因素對(duì)密封性能的交互影響。

表2 L16(43)正交試驗(yàn)方案

對(duì)表2中仿真分析結(jié)果進(jìn)行極差分析，其中Ki(i=1～4)表示同一因素下不同水平號(hào)參考指標(biāo)之和，ki(i=1～4)表示同一因素下不同水平號(hào)參考指標(biāo)平均值，Ra為ki最大值與最小值之間的差值?？梢娙蛩貥O差數(shù)值各不相同，表明各個(gè)因素對(duì)于密封比壓的影響存在主次關(guān)系。其中密封面寬度的極差最大，旋塞預(yù)緊力的極差次之，密封面摩擦因數(shù)的極差最小。因此在流體壓力低于0.26 MPa條件下，對(duì)該浮動(dòng)球閥密封性能影響最大的是密封面寬度，其次是旋塞預(yù)緊力，影響最小的為密封面摩擦因數(shù)。

在流體壓力大于0.26 MPa時(shí)，作用在閥座上的旋塞預(yù)緊力為0，此時(shí)對(duì)密封性能影響最大的因素為密封面寬度，其次為密封面摩擦因數(shù)。因此該浮動(dòng)球閥在低壓環(huán)境下工作時(shí)，在不改變密封件型號(hào)的條件下，可以通過簡(jiǎn)單調(diào)整旋塞預(yù)緊力來達(dá)到合格的密封效果，在流體較大的情況下，提高密封效果應(yīng)優(yōu)先考慮密封面寬度，其次為密封面摩擦因數(shù)。

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的GFRP浮動(dòng)球閥在常壓下需至少施加550 N的旋塞預(yù)緊力，才能保證球閥正常密封，最高工作壓力不應(yīng)超過3 MPa。

(2)對(duì)于浮動(dòng)球閥而言，閥座密封面越粗糙，密封比壓越接近臨界比壓，密封面表面應(yīng)力、應(yīng)變就越均勻，同時(shí)能夠減小密封面上的最大密封比壓，提高最高工作壓力和材料利用率。

(3)密封面寬度對(duì)球閥密封性能影響較大，隨密封面寬度的增加，最大密封比壓呈先減小后增大的趨勢(shì)。密封面寬度較小時(shí)會(huì)導(dǎo)致球閥密封性能過剩，密封面寬度太大容易導(dǎo)致閥球與閥座接觸的相對(duì)面積減小，出現(xiàn)局部壓力較大情況，影響閥座使用壽命。綜合考慮球閥的使用壽命和材料利用率，該閥座的最佳密封面寬度為8.65 mm。

(4)GFRP浮動(dòng)球閥整體設(shè)計(jì)參數(shù)的正交試驗(yàn)結(jié)果表明，密封面寬度對(duì)浮動(dòng)球閥密封性能影響最大，其次為旋塞預(yù)緊力，密封面摩擦因數(shù)影響最小。