論述了強(qiáng)制密封球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，分析了閥門在全開啟和剛開啟時(shí)的流場數(shù)值模擬狀態(tài)，修改了閥座結(jié)構(gòu)，提高了閥門密封的可靠性。

1、概述

　　強(qiáng)制密封球閥( 簡稱球閥，下同) 在啟閉過程中球體與閥座密封面分離，降低了摩擦力矩，減少了密封面的磨損，有效的提高了密封的可靠性，因此在天然氣站場的計(jì)量裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。

2、強(qiáng)制密封球閥的工作原理

　　球閥由閥體、閥蓋、閥桿、導(dǎo)軌銷、球體銷、球體和閥座等零部件組成( 圖1) 。其閥桿上端帶有螺旋槽，下端為楔型面。當(dāng)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，導(dǎo)軌銷與螺旋槽相配合使閥桿只作上升運(yùn)動(dòng)，閥桿下端與球體銷相配合，帶動(dòng)球體脫離閥座密封面，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，將帶動(dòng)球體旋轉(zhuǎn)90°至閥門全開。反之，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿，閥桿下降，帶動(dòng)球體反向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，此時(shí)球體密封面正對閥座密封面，隨著閥桿的繼續(xù)下降，閥桿楔型面與球體銷產(chǎn)生楔力，推動(dòng)球體密封面緊貼閥座密封面，實(shí)現(xiàn)閥門的密封，達(dá)到零泄漏。強(qiáng)制密封球閥在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中由于密封面脫離，只存在填料與閥桿、閥桿螺紋與閥桿螺母之間的摩擦轉(zhuǎn)矩，因此減小了轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

3、流場分析

　　3.1、流場模型

　　球閥作為切斷類閥門，在試驗(yàn)和使用過程中無法觀察在全開啟和剛開啟時(shí)流體在閥門內(nèi)部的流場分布情況，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用FLUENT 軟件，可對閥門進(jìn)行流場模擬分析，預(yù)測流場分布情況并優(yōu)化結(jié)構(gòu)。首先，采用三維繪圖軟件Solidworks對全開狀態(tài)下的閥內(nèi)流道進(jìn)行建模( 圖2) ，然后將模型導(dǎo)入fluent 中進(jìn)行模擬分析。

1. 導(dǎo)軌銷2. 螺旋槽3. 閥桿4. 球體銷5. 球體6. 閥座

圖1 強(qiáng)制密封球閥

圖2 球閥流道模型

4、閥座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　球閥剛開啟時(shí)，由于流通面積小，在全壓差下流體流速較大，將對球體密封面產(chǎn)生沖刷。若密封面受到均勻沖刷，可對密封面產(chǎn)生自清洗，有利于閥門密封。反之，若密封面受到不均勻沖刷，將造成密封面損壞，嚴(yán)重時(shí)影響密封效果，產(chǎn)生泄漏。因此，提出了閥座結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案( 圖4，圖5) 。

圖4 y = 0 水平截面上速度云圖

圖5 z = 0 水平截面上速度云圖

　　在弧形結(jié)構(gòu)中，靠近閥座密封面處中間部位流速較大，兩側(cè)較小，流場分布不均，因此中間部位產(chǎn)生了局部的沖刷，長期使用時(shí)可能會產(chǎn)生小范圍的凹坑，影響密封效果。在斜形結(jié)構(gòu)中，閥座密封面處的流速與弧形結(jié)構(gòu)方案，流場分布較為均勻，但介質(zhì)未平滑流過，有小范圍壓力波動(dòng)。對比階梯形方案和斜形方案，速度云圖分布幾乎相同，但階梯形方案中在靠近閥座密封面上的流速分布均勻，介質(zhì)平滑流過，速度云圖分布較為合理。綜合y = 0 和z = 0水平截面上速度云圖分析，可得階梯形結(jié)構(gòu)的方案相對較好。

5、結(jié)語

　　從流場模擬結(jié)果分析，強(qiáng)制密封球閥在全開啟時(shí)流場分布均勻合理，未出現(xiàn)大范圍的壓力和流速波動(dòng)。但是，階梯形結(jié)構(gòu)在球體密封面上流速均勻，平滑過渡，在相同的使用條件下增加了密封面的使用壽命。因此在不影響閥座強(qiáng)度的條件下，可采用將閥座結(jié)構(gòu)修改為階梯形，以提高密封的可靠性。