介紹了氧氣切斷球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所需滿足的苛刻工況要求;采用有限元分析方法對(duì)閥體、球體、閥座、支撐板、閥桿等承壓件的強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析;介紹了對(duì)球體磨削、零部件裝配等關(guān)鍵制作步驟的控制過程;結(jié)果表明，研制成功的氧氣切斷球閥可以滿足苛刻工況要求，實(shí)現(xiàn)了氧氣切斷球閥的國產(chǎn)化生產(chǎn)制造。

　　氧氣切斷球閥廣泛應(yīng)用于各種煤化工、石化、鋼鐵、冶金、空分等行業(yè)。由于氧氣切斷球閥所處工況屬易燃、易爆環(huán)境，任何外漏和內(nèi)漏都有可能造成激烈燃燒、爆炸等嚴(yán)重后果，因此，對(duì)氧氣切斷球閥的設(shè)計(jì)、選材、加工、制造、脫脂、裝配、包裝等環(huán)節(jié)都提出了嚴(yán)格的要求。過去由于受到裝備和工藝的限制，國內(nèi)無法生產(chǎn)氧氣切斷球閥，長期依賴進(jìn)口，導(dǎo)致閥門價(jià)格昂貴，供貨周期較長，且維修極為不便，不利于我國能源計(jì)劃的順利實(shí)施和閥門制造業(yè)的發(fā)展。因此氧氣切斷球閥的國產(chǎn)化具有十分重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。筆者擬重點(diǎn)介紹針對(duì)氧氣切斷球閥國產(chǎn)化所進(jìn)行的研究、設(shè)計(jì)和制造。

1、氧氣切斷球閥苛刻工況要求

　　(1)材料選擇。選擇金屬材料時(shí)，金屬的可燃性是關(guān)鍵考慮的問題，而金屬材料的化學(xué)成分、部件厚度、溫度、氧氣壓力、氧氣純度是影響金屬可燃性的主要因素。根據(jù)在使用條件下金屬的可燃性，對(duì)氧氣流速有所限制。如果阻燃金屬材料在系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力下能夠阻燃，則不需要限制流速。選擇非金屬材料時(shí)，需評(píng)估與氧氣的兼容性。在1個(gè)火種鏈中，非金屬材料往往起到鏈接的作用，因此非金屬材料燃燒產(chǎn)生的熱和自燃溫度(AIT)是2個(gè)重要的參數(shù)。

　　(2)密封要求。氧氣切斷球閥的密封需要滿足ANSIB16.104計(jì)算。由于計(jì)算公式是由密封面的平均直徑得出的平均密封比壓，不能反映密封面的密封比Ⅵ級(jí)要求，故主閥體與副閥體連接處密封和閥桿填料處密封需按標(biāo)準(zhǔn)ISO15848-1或SHELLMESCSPE77/312進(jìn)行微泄漏測(cè)試。

　　(3)防火和防靜電功能。氧氣切斷球閥設(shè)計(jì)需考慮失火安全(firesafe)，一旦失火，閥門的外漏和內(nèi)漏不能超過API607規(guī)定的泄漏標(biāo)準(zhǔn)。軟密封的氧氣切斷球閥的球體被非金屬材料所夾持，有可能產(chǎn)生靜電，必須與閥體導(dǎo)通，在24VDC下，電阻值<10Ω。同時(shí)，氧氣切斷球閥閥體兩端需設(shè)計(jì)靜電連接導(dǎo)出組件與接地電纜連接。

　　(4)自動(dòng)泄壓功能。氧氣切斷球閥必須具備閥腔自動(dòng)卸壓功能。當(dāng)閥門關(guān)閉后，閥腔內(nèi)壓力高于關(guān)閉壓力時(shí)，能自動(dòng)卸壓至壓力低的一側(cè)。

　　(5)內(nèi)部表面光潔度。氧氣在氧氣切斷球閥內(nèi)高速流動(dòng)時(shí)，若碰到毛刺、凹槽、凸肩等將發(fā)生高速摩擦，產(chǎn)生熱量，一旦碰到碳化物還有可能發(fā)生爆炸事故。因此流道內(nèi)壁和切斷球閥內(nèi)件的幾何形狀應(yīng)圓滑過渡，表面光滑。內(nèi)部表面光潔度必須滿足ISO8501-1Sa2的要求。

　　(6)清潔要求。如果氧氣切斷球閥內(nèi)腔存在油脂、灰塵、鐵屑、鐵銹、水銹、焊渣等極小的固體顆粒雜質(zhì)，在氧氣通過氧氣切斷球閥時(shí)，可能造成激烈的燃燒、爆炸等嚴(yán)重后果，因此，凡接觸氧氣的零部件必須清潔干凈。氧氣切斷球閥運(yùn)輸和安裝時(shí)需作禁油處理，氧氣切斷球閥需有明顯的禁油標(biāo)記。

　　(7)密封試驗(yàn)。由于氧氣切斷球閥輸送的介質(zhì)是氧氣，高壓和低壓密封試驗(yàn)介質(zhì)都必須采用氮?dú)狻２捎玫獨(dú)庠囼?yàn)可以保證最小的污染和腐蝕。

2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　氧氣切斷球閥的結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 氧氣切斷球閥結(jié)構(gòu)形式

1—主閥體;2—副閥體;3—球體;4—閥座;5—碟形彈簧;6—傳動(dòng)銷;7—軸承;8—支撐板;9—減磨墊;10—閥桿;11—支架;12—低泄漏脫脂組合填料;13—有機(jī)玻璃防塵板;14—執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接板;15—執(zhí)行機(jī)構(gòu);16—靜電連接導(dǎo)出組件

　　氧氣切斷球閥主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

　　(1)主閥體和副閥體均采用鍛件，以克服鑄件固有缺陷(如氣孔、夾渣、疏松等)。主閥體和副閥體采用高強(qiáng)度螺栓連接，連接處設(shè)置密封墊片，以保證無外泄漏。

　　(2)球體上下的支撐軸由支撐板固定在副閥體上，采用固定球支撐板結(jié)構(gòu)。球體與支撐板采用低磨擦系數(shù)軸承，實(shí)現(xiàn)低扭矩設(shè)計(jì)。

　　(3)球體和閥座表面進(jìn)行特殊硬化處理，可大幅提高耐磨性和抗高壓氧氣吹掃能力。球體流道孔邊緣經(jīng)過鈍化，以保證硬化表層不會(huì)脫落。球體直徑比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的球體直徑大，允許有5%～7%的額外行程，可大幅降低流道孔邊緣磨損，并消除因執(zhí)行機(jī)構(gòu)不準(zhǔn)確關(guān)閉而造成的意外泄漏。球體磨削后與閥座配對(duì)研磨，以確保球體與閥座金屬密封面100%密合。

　　(4)在低壓下，通過碟形彈簧的預(yù)緊力和介質(zhì)的壓力實(shí)現(xiàn)密封，在高壓下通過介質(zhì)的壓力實(shí)現(xiàn)密封。碟形彈簧在確保密封性能的同時(shí)還能避免碟形彈簧前后聚集顆粒異物，也避免了圓柱螺旋彈簧容易進(jìn)入顆粒而發(fā)生推力不均勻，使氧氣切斷球閥產(chǎn)生內(nèi)泄漏。

　　(5)球體與閥桿通過圓柱銷并采用過盈配合聯(lián)接，聯(lián)接后球體與閥桿近似1個(gè)整體，完全保證球體與閥桿同心，且操作力矩穩(wěn)定。

　　(6)采用低泄漏脫脂組合填料，泄漏率滿足ISO15848或SHELLMESCSPE77/312微泄漏測(cè)試要求。同時(shí)為提高閥桿表面的光潔度，采用毫克能表面加工設(shè)備的毫克能刀具進(jìn)行精加工，加工后閥桿表面光潔度提高3級(jí)以上，粗糙度Ra達(dá)到0.2以下，且閥桿表面顯微硬度提高20%以上。

　　(7)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接板外設(shè)置有機(jī)玻璃防塵板，以防止灰塵和油污等雜質(zhì)進(jìn)入閥桿和閥體內(nèi)，不會(huì)對(duì)閥門造成污染，不存在安全隱患。

　　(8)靜電連接導(dǎo)出組件可將氧氣切斷球閥與地面連通，避免靜電的聚集。

　　(9)氧氣切斷球閥輸送介質(zhì)是氧氣，球體和閥座脫脂處理后在啟閉過程中屬于干摩擦，選擇的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)大于2。

3、承壓件有限元分析

　　在傳統(tǒng)閥門設(shè)計(jì)中，由于計(jì)算方法的限制，只能根據(jù)材料力學(xué)中提供的一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，這種方法不能全面反映閥門的應(yīng)力狀態(tài)，也不能給設(shè)計(jì)人員指出閥門的薄弱環(huán)節(jié)和改進(jìn)方向。因此采用有限元分析作為氧氣切斷球閥的輔助設(shè)計(jì)是必要的，可為閥門設(shè)計(jì)提供幫助。承壓件有限元分析按照ASME第Ⅷ卷進(jìn)行，采用有限元分析的承壓件有：①閥體強(qiáng)度有限元分析見圖2;②球體強(qiáng)度有限元分析見圖3;③閥座強(qiáng)度有限元分析見圖4;④支撐板強(qiáng)度有限元分析見圖5;⑤閥桿強(qiáng)度有限元分析見圖6。

圖2 閥體強(qiáng)度有限元分析

圖3 球體強(qiáng)度有限元分析

圖4 閥座強(qiáng)度有限元分析

圖5 支撐板強(qiáng)度有限元分析

圖6 閥桿強(qiáng)度有限元分析

4、關(guān)鍵制造過程控制

　　(1)球體磨削。高的密封性能和低的操作扭矩是球閥設(shè)計(jì)工作者追求的2個(gè)既定目標(biāo)，而這一目標(biāo)的解決取決于磨球機(jī)的進(jìn)步。為使球體磨削后的圓度≤0.002mm，需采用進(jìn)口高精度數(shù)控磨球機(jī)進(jìn)行包絡(luò)線磨削加工。

　　(2)裝配。氧氣切斷球閥零件裝配前的脫脂采用特殊流程，分為生產(chǎn)前期、超聲波1次清洗、超聲波深度清洗、超聲波脫脂4個(gè)步驟。所有氧氣切斷球閥均需在專用無脂閥門裝配車間裝配，采用脫脂手套、特殊裝配工具裝配。裝配后采用高壓氮?dú)庾鳛樾阅軠y(cè)試介質(zhì)，試驗(yàn)后在脫脂檢驗(yàn)室采用紫外線熒光燈檢查，以確保氧氣切斷球閥清潔無油污。

5、結(jié)語

　　氧氣切斷球閥苛刻的使用工況，對(duì)氧氣切斷球閥的設(shè)計(jì)、選材、加工、制造、脫脂、裝配、包裝等環(huán)節(jié)都提出了嚴(yán)格的要求。研制中采用有限元分析對(duì)承壓件進(jìn)行有限元分析，同時(shí)對(duì)球體磨削和裝配關(guān)鍵制造過程進(jìn)行控制，使研制的氧氣切斷球閥滿足苛刻工況要求。通過工業(yè)應(yīng)用證明，國內(nèi)完全有能力實(shí)現(xiàn)氧氣切斷球閥的國產(chǎn)化，并證明氧氣切斷球閥的研制是成功的。