專利名稱：煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及閥門流體裝備技術領域，具體是一種用于煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副。
背景技術：
球閥是以球體作為關閉件的閥門，其主要功能是切斷或接通管道中的流體通道。鑒于球閥流體阻力小、開關迅速且方便而獲得廣泛應用。在煤制油工藝流程中，油煤漿的輸送實質(zhì)上是液體介質(zhì)攜帶固體粒子流經(jīng)管道和閥門，就閥門而言，這是一種漿料(液一固)以一定的角度和速度對閥門過流表面的材料進行沖蝕,使材料表面產(chǎn)生磨損，屬漿體沖蝕磨損。常規(guī)球閥用于輸送油煤漿、水煤漿以及其他含顆粒具有極端磨損特性的介質(zhì)時，往往在球閥最初開啟的一瞬間和最終關閉的區(qū)域，由球體通道孔和閥座通道孔相互交錯構成的介質(zhì)流動通道近似一個極其狹小的橢圓形。由于進口高壓含顆粒介質(zhì)的聚集，一旦出現(xiàn)介質(zhì)以極高的流速通過狹小的橢圓形通道，就會對球體通道口和球體表面的密封部位及相應的閥座密封部位造成嚴重的沖蝕，導致球體通道口薄薄的硬質(zhì)處理表面層受沖龜裂甚至破碎。漿體沖蝕作為液、固二相介質(zhì)的共同作用對閥門材料表面的沖蝕磨損比較復雜，而且液相介質(zhì)往往對被沖蝕材料產(chǎn)生腐蝕作用，所以迄今尚未建立起較為完善的理論模型，而在具體的應用場合，一般采用硬質(zhì)耐磨材料或者對材料表面進行硬質(zhì)涂層等強化處理等措施，以減小漿體沖蝕磨損。減小漿體沖蝕磨損除了采用耐磨材料和表面進行硬化處理外，在閥門設計中，關鍵問題必須對漿體介質(zhì)對過流表面的沖擊角度進行研究，盡管影響漿體對材料沖蝕磨損的因素很多，如沖角、沖擊速度、漿體性質(zhì)(固體顆粒大小、形狀、濃度等)，被沖蝕材料的性能等等，但其中最為重要和有效的是控制漿體介質(zhì)流對材料的沖擊角。在現(xiàn)有球閥設計中，球體通孔就是一個直徑等于公稱通徑的直通道。當球閥全開啟時，球體通道相當于一段圓管。常規(guī)球閥用于輸送油煤漿、水煤漿以及其他含顆粒具有極端磨損特性的介質(zhì)時，往往在球閥最初開啟的一瞬間和最終關閉的區(qū)域，由球體通道孔和閥座通道孔相互交錯構成的介質(zhì)流動通道近似一個極其狹小的橢圓形。由于進口高壓含顆粒介質(zhì)的聚集，一旦出現(xiàn)介質(zhì)以極高的流速通過狹小的橢圓形通道，就會對球體通道口和球體表面的密封部位及相應的閥座密封部位造成嚴重的沖蝕。當球閥由關閉位置開始開啟或關閉時，首先在球孔通道和閥座通孔交會處，形成一個雙圓弧構成的微小縫隙，介質(zhì)在壓力的作用下，由縫隙沖出，一部分介質(zhì)順球面切線方向射入閥體腔，另一部分射向球體直通道壁面，然后繞通道壁做圓周漩流，在壓力P的作用下向外流出，由于開啟或關閉過程非常短暫，介質(zhì)流以高速從進口與出口同樣微小的縫隙，以較大的沖角直接沖向下閥座的密封面，導致下閥座密封面的快速磨損。圖I和圖2是閥門在由關閉轉(zhuǎn)向開啟不同角度時介質(zhì)由球體通道進口到出口的流動狀態(tài)。為減小對球體通道口和球體及相應閥座密封面的沖蝕的方法，近年來以MOGAS公司“雙弧形切口 ”球體通道口設計為典型的例子，在球體通道銑切一段弧形缺口，該設計使在最初的開啟瞬間，由球體通道口和閥座通道孔相互交錯構成的介質(zhì)流動通道面積擴大到3倍，從而使介質(zhì)沖出時角度和流速得以改善，緩解了對上閥座密封面的沖蝕磨損，通過擴散流體，降低流速，從而明顯減小對球體的通道孔口的沖蝕。但是在一些高溫高壓高固的惡劣工作環(huán)境下，該閥門的通道面積擴大倍數(shù)不能滿足使用要求。實際使用過程中，球閥下游開關處關鍵部位被流體沖刷導致的磨損仍十分嚴重。同時，“雙弧形切口”球體通道的加工比較困難，導致閥門的整體成本上升，價格較貴。因此，該閥門在煤制油裝備上未能得到廣泛的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，以解決現(xiàn)有傳統(tǒng)球閥存在磨損大、使用壽命短的技術問題。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，包括球體、上游閥座和下游閥座，上游閥座和下游閥座連接，球體設置在上游閥座和下游閥座之間，下游閥座與球體通過密封副連接，球體通道上游進口直徑小于下游出口直徑，出口直徑等于公稱通徑，通道總體上呈現(xiàn)錐形，形成一錐形角。依照本發(fā)明較佳實施例所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，該球體為浮動球。依照本發(fā)明較佳實施例所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，該上游閥座為彈性閥座。依照本發(fā)明較佳實施例所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，該上游閥座為浮動球閥閥座。依照本發(fā)明較佳實施例所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，該上游閥座和下游閥座與球面的接觸部分呈凹球面，凹球面半徑R近似或等于球體半徑。依照本發(fā)明較佳實施例所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，該球體通道上、下游孔口位置與上、下游閥座的通孔位置一致。依照本發(fā)明較佳實施例所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，該球體通孔上、下游孔口倒圓角rO. 5 I。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明將球體與閥座的密封副設置在介質(zhì)流動的閥下游，采用了球體內(nèi)流動通道為錐形，錐形通道上游直徑小于下游直徑。于是當球閥從關閉到開啟，在上游球體通道口閥座通道孔將構成開啟，但尚未開啟時，由于下游球體通道口大于上游轉(zhuǎn)過的角度，球體下游通道口已經(jīng)和下游閥座通孔交錯構成很大的流動通道。當球體上游通道口和上游閥座構成開啟瞬間的狹小的橢圓通道時，下游的流動通道已經(jīng)很大。所以介質(zhì)很快進入通道口，向下游流去，這時通道的流通面積平均增大幾十倍(和通徑、錐角大小有關)。因為下游通道口的流動面積瞬間增大很大，介質(zhì)不會直接沖向下游閥座的密封面，從而保護了下游閥座和球體這對密封副的密封性能，可顯著提高球閥在極端磨損條件下的使用壽命。

圖I為閥門轉(zhuǎn)向開啟約15°時介質(zhì)由球體通道進口到出口的流動狀態(tài)圖；圖2為閥門轉(zhuǎn)向開啟約35°時介質(zhì)由球體通道進口到出口的流動狀態(tài)圖；圖3為一種煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副的結(jié)構示意圖；圖4為本發(fā)明實施例的球體通道示意圖；圖5為本發(fā)明實施例的球體和閥座裝配結(jié)構圖；圖6為本發(fā)明實施例的面對安裝狀態(tài)的下游閥座示意圖；圖7為本發(fā)明實施例的閥門工作原理圖； 圖8為本發(fā)明閥門轉(zhuǎn)向開啟約15°時介質(zhì)由球體通道進口到出口的流動狀態(tài)圖；圖9為本發(fā)明閥門轉(zhuǎn)向開啟約35°時介質(zhì)由球體通道進口到出口的流動狀態(tài)圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明。請參閱圖3，一種煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，包括球體I、上游閥座2和下游閥座3，上游閥座2和下游閥座3連接，球體I設置在上游閥座2和下游閥座3之間，下游閥座3與球體I通過密封副連接，球體I通道上游進口直徑小于下游出口直徑，出口直徑等于公稱通徑，通道總體上呈現(xiàn)圓錐形，形成一錐形角。具體地，球體I為浮動球，上游閥座2可采用彈性閥座或普通的浮動球閥閥座。根據(jù)流場仿真設計知道，當球閥由關到開的過程中，在小開度時介質(zhì)進入球體通道后，沿圖形通道的圓周旋轉(zhuǎn)，同時在壓力作用下向下游流去。這個過程時間短暫，為使介質(zhì)流最終以橫截面逐漸收斂的流速流向下游，且與下游閥座沖刷接觸最小，所以必須改善介質(zhì)在球體流動通道內(nèi)的流動形態(tài)，使其對下游閥座密封部位的沖蝕最小。本發(fā)明將球體與閥座的密封副設置在介質(zhì)流動的閥下游，采用了球體內(nèi)流動通道為錐形，錐形通道上游直徑小于下游直徑。如圖4所示，其為本發(fā)明實施例的球體通道示意圖。球體的介質(zhì)流動通道進口直徑小于出口直徑，出口直徑等于公稱通徑，通道總體上呈現(xiàn)錐形，存在一個錐形角；介質(zhì)按箭頭方向進入球體通道；⑶<AB AB<EF CO’平行于通道軸線；A0”平行于通道軸線；Z ACO’ = a通道總體錐形角的半錐角；Z ECO’ = ^流體介質(zhì)進入球體通道的擴散角的半角；ZEA0”=y流體介質(zhì)從球體通道流出時收斂角的半角；Z @和Z Y決定EF的尺寸；a ^ y由介質(zhì)工況條件確定。圖5顯示了本發(fā)明的球體和閥座裝配情況-表示出上游閥座彈性元件組合情況上游閥座孔由公稱能徑管道直徑收斂到近似于圖4所示的“CD”。單邊收斂角視具體工況條件確定；上下游閥座與球面的接觸部分呈凹球面，凹球面半徑R近似或等于球體半徑；球體通道上下游孔口位置與上下游閥座能通孔位置基本一致；球體通孔上下游孔口必須倒圓角rO. 5 I。在關閉件球體從開啟到關閉，或從關閉到開啟的操作過程中，面對下游的半球體球面始終不受介質(zhì)的直接沖擊，在由關閉到開啟的過程中，在大開度時僅有少量流向閥體腔內(nèi)的介質(zhì)，以低速和零度角與面向下游的半球表面摩擦，以及當閥體腔內(nèi)存滿介質(zhì)后，閥門開關過程中球面與之呈零度角的摩擦。所以采用下游密封結(jié)構時，不必考慮面對下游的半球體表面密封部位的保護。圖6為面對安裝狀態(tài)的下游閥座，將圓周按順時針從“I點”至IJ“12點”劃分。在球體從開啟到關閉，以及從關閉到開啟的過程中，圖中“6—7—8—9—10 —11 一 12”這180°的半圓是始終與球面貼合，不與介質(zhì)接觸，不存在沖蝕磨損的威脅?！?2-1”和“5-6”是在大開度下與介質(zhì)接觸，由于在大開度下，介質(zhì)總是向阻力小的空間流動，所以這里經(jīng)受介質(zhì)的沖蝕作用極小，沖蝕最嚴重的部位是“3”點，因此希望對“3”點的部位予以保護。為使閥座“3”點得到保護，球體流通通道總體上是進口直徑小于出口直徑，通道呈錐形，半錐角為圖4所示a。由于球體通道進口直徑小于出口直徑，所以當球體從關閉位置向開啟方向轉(zhuǎn)動一定角度，球體出口孔邊緣到達下游閥座的通孔邊緣時，球體進口孔邊緣仍處于上游閥座密封面的中間位置，當繼續(xù)開啟，下游閥座的通孔邊緣已經(jīng)和球體出口孔邊緣脫開，即下游已經(jīng)開啟。當球體進口孔邊緣到達上游閥座通孔邊緣，即上游處于將開啟未開啟狀態(tài)，這時下 游開啟量已經(jīng)很大，再繼續(xù)開啟，則上游開始開啟，介質(zhì)由上游閥座通孔進入球體通道，經(jīng)圓周旋轉(zhuǎn)并向下游流動。由于①下游開啟量已經(jīng)很大，②同時介質(zhì)在球體通道被收斂的通道聚焦，③介質(zhì)總是向阻力小的空間流動，④開啟時間極短暫，所以這時介質(zhì)很快向下游沖去，來不及沖向下游閥座“ I一 2 — 3— 4— 5 ”的密封面。球體通道形狀呈先擴散后收斂是為了控制在球體通道內(nèi)沿通道壁旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)最終向下游通道中心聚焦。本專利球閥的球體和閥座密封副的工作原理圖如圖7所示，圖示為上游閥座、下游閥座和球體的組裝關系雙點劃線A—B一F一D一C一E為閥門處于關閉位置時球體通道形狀；實線A’ -B’ -F’ -D’ -C，-E’為閥門處于全開啟位置球體能道形狀；虛線A’C’和B’D’是通道總體錐形，A’B’〈C’D’ ；箭頭表示介質(zhì)流向；球體逆時針旋轉(zhuǎn)為閃門開啟方向；球面虛線為處于關閉位置的球面；球心為“O”。C’D’也是上游閥座孔口邊緣的直徑；A’ B’也是下游閥座孔口邊緣的直徑；CD是球體上游通孔直徑；AB是球體下游通孔直徑。閥門由關到開過程①閥門由全關閉位置逆時針向開啟方向轉(zhuǎn)動0角，球體下游通孔口的B點到達A’點，這時下游通道口處于將開未開位狀態(tài)。②這時C點轉(zhuǎn)過同樣的0角到達上游閥座中間的D”點，而D”還未到達上游閥座通孔邊緣的D’點，所以上游通道仍處于關閉狀態(tài)。③繼續(xù)開啟A 0角，當A 0 = Z D’ 0D”時，球體上游通孔口的C點到達上游閥座通孔口邊緣D’點，這時上游通道處于將開啟未開啟狀態(tài)。④這時經(jīng)過A 0角后，球體下游通孔口的B點到達B”位置，也就是當上游尚未開啟而處于將開啟未開啟狀態(tài)時，下游已經(jīng)開啟。⑤繼續(xù)開啟時，介質(zhì)從上游流入球體通道，下游球體通道口和下游閥座通孔邊緣已經(jīng)形成較大的流通面積介質(zhì)順暢地由此流出閥門，緩解了對下游閥座“3”點鐘的沖擊。在閥門開啟前，下游閥座孔邊緣和球體通道下游孔口之間形成的下游提前開啟流通面積大小和球體通孔整體錐度有關，即圖4所示“ a ”值。圖8和圖9所示為本專利閥門轉(zhuǎn)向開啟約15°和35°時介質(zhì)由球體通道進口到出口的流動狀態(tài)速度云圖。與圖I和圖2相比，在相同外界條件的情況下采用本專利閥門得到的最大速度均有所減小，即一定程度緩解了煤漿對閥座表面的沖蝕作用。該仿真說明球體通道結(jié)構的改變有助于緩解煤漿對上游閥座密封面的沖蝕磨損。
以下列舉具體應用實施例對本發(fā)明的技術效果進行具體說明。實施例I本發(fā)明所述球閥應用于投煤量為0. I噸/天的試驗裝置，使用性能良好，使用壽命大幅度提高，比同類產(chǎn)品多運行使用3個實驗周期(每個周期約20多天)。上述使用中的工況條件工作壓力P=20MPa ;工作溫度為400°C。工作介質(zhì)為煤制油過程中反應產(chǎn)物經(jīng)過高溫高壓分離后的殘渣，其主要物質(zhì)為含未反應的催化劑、灰粉和殘渣，含固量超過60%，催化劑的硬度非常高，對閥座的磨損很嚴重。實施例2使用該球閥作為硅粉系統(tǒng)的耐磨球閥。工況條件正常關閉狀態(tài)閥前壓力
2.2MPa (G)、物料溫度小于200°C、閥前后壓差0. 3MPa。開啟狀態(tài)閥前壓力2. 35MPa (G)、閥后壓力I. 9MPa (G)、物料溫度小于200°C、每天工作15 36次。工作介質(zhì)硅粉和少量氫氣，硅粉粒度40 200目。傳統(tǒng)球閥壽命僅I. 5 2個月，本發(fā)明專利所述球閥工作壽命超過6個月。實施例3本發(fā)明專利所述球閥用于改造項目用的耐磨球閥。工況條件進口壓力0. 6MPa(G);操作溫度320°C。工作介質(zhì)硅粉，硅粉粒度小于40目。原來使用的球閥壽命約為30天，本發(fā)明專利所述球閥的工作壽命約為9個月。
本發(fā)明將球體與閥座的密封副設置在介質(zhì)流動的閥下游，采用了球體內(nèi)流動通道為錐形，錐形通道上游直徑小于下游直徑。于是當球閥從關閉到開啟，在上游球體通道口閥座通道孔將構成開啟，但尚未開啟時，由于下游球體通道口大于上游轉(zhuǎn)過的角度，球體下游通道口已經(jīng)和下游閥座通孔交錯構成很大的流動通道。當球體上游通道口和上游閥座構成開啟瞬間的狹小的橢圓通道時，下游的流動通道已經(jīng)很大。所以介質(zhì)很快進入通道口，向下游流去，這時通道的流通面積平均增大幾十倍(和通徑、錐角大小有關)。因為下游通道口的流動面積瞬間增大很大，介質(zhì)不會直接沖向下游閥座的密封面，從而保護了下游閥座和球體這對密封副的密封性能，可顯著提高球閥在極端磨損條件下的使用壽命。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施實例而已，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，任何未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施實例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術方案的范圍。
權利要求
1.一種煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，包括球體、上游閥座和下游閥座，所述上游閥座和下游閥座連接，所述球體設置在所述上游閥座和下游閥座之間，其特征在于，所述下游閥座與所述球體通過密封副連接，所述球體通道上游進口直徑小于下游出口直徑，出口直徑等于公稱通徑，通道總體上呈現(xiàn)錐形，形成一錐形角。
2.如權利要求I所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，其特征在于，所述球體為浮動球。
3.如權利要求I所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，其特征在于，所述上游閥座為彈性閥座。
4.如權利要求I所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，其特征在于，所述上游閥座為浮動球閥閥座。
5.如權利要求I所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，其特征在于，所述上游 閥座和下游閥座與球面的接觸部分呈凹球面，凹球面半徑R近似或等于球體半徑。
6.如權利要求I所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，其特征在于，所述球體通道上、下游孔口位置與所述上、下游閥座的通孔位置一致。
7.如權利要求I所述的煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，其特征在于，所述球體通孔上、下游孔口倒圓角rO. 5 I。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種煤制油裝備球閥的球體和閥座密封副，包括球體、上游閥座和下游閥座，上游閥座和下游閥座連接，球體設置在上游閥座和下游閥座之間，下游閥座與球體通過密封副連接，球體通道上游進口直徑小于下游出口直徑，出口直徑等于公稱通徑，通道總體上呈現(xiàn)錐形，形成一錐形角。本發(fā)明具有磨損小、使用壽命長的優(yōu)點。
文檔編號F16K5/06GK102720857SQ20121019955
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權日2012年6月15日
發(fā)明者葉柏盛, 孫樂申, 孫方宏, 徐英華, 陸軍, 雷學林 申請人:上海交通大學, 上海柏威流體控制技術有限公司