氧气切断球阀的研制

1、氧气切断球阀的研制中国泵业网 氧气切断球阀广泛应用于各种煤化工、石化、钢铁、 冶金、空分等行业。由于氧气切断球阀所处工况属易燃、易爆环境， 任何外漏和内漏都有可能造成激烈燃烧、爆炸等严重后果，因此，对 氧气切断球阀的设计、选材、加工、制造、脱脂、装配、包装等环节 都提出了严格的要求。过去由于受到装备和工艺的限制，国内无法生 产氧气切断球阀，长期依赖进口，导致阀门价格昂贵，供货周期较长， 且维修极为不便，不利于我国能源计划的顺利实施和阀门制造业的发 展。因此氧气切断球阀的国产化具有十分重要的社会意义和经济意 义。笔者拟重点介绍针对氧气切断球阀国产化所进行的研究、设计和制造。1氧气切断球阀苛刻工况

2、要求（1）材料选择。选择金属材料时，金属的可燃性是关键考虑的问 题，而金属材料的化学成分、部件厚度、温度、氧气压力、氧气纯度 是影响金属可燃性的主要因素。根据在使用条件下金属的可燃性，对 氧气流速有所限制。如果阻燃金属材料在系统设计压力下能够阻燃， 则不需要限制流速。选择非金属材料时，需评估与氧气的兼容性。在1个火种链中，非金属材料往往起到链接的作用，因此非金属材料燃 烧产生的热和自燃温度（AIT ）是2个重要的参数。（2）密封要求。氧气切断球阀的密封需要满足 ANSIB16.104计算。由于计算公式是由密封面的平均直径得出的平均密封比压，不能反映 密封面的密封比切级要求，故主阀体与副阀体连接

3、处密封和阀杆填料 处密封需按标准ISO15848 1或SHELLMESCSPE77/312进行微泄漏 测试。(3) 防火和防静电功能。氧气切断球阀设计需考虑失火安全(firesafe), 旦失火，阀门的外漏和内漏不能超过 API607规定的泄 漏标准。软密封的氧气切断球阀的球体被非金属材料所夹持，有可能产生静电，必须与阀体导通，在 24VDC下，电阻值V 10Q。同时， 氧气切断球阀阀体两端需设计静电连接导出组件与接地电缆连接。(4) 自动泄压功能。氧气切断球阀必须具备阀腔自动卸压功能。当阀门关闭后，阀腔内压力高于关闭压力时，能自动卸压至压力低的 一侧。(5) 内部表面光洁度。氧气在氧气切断球

4、阀内高速流动时，若碰 到毛刺、凹槽、凸肩等将发生高速摩擦，产生热量，一旦碰到碳化物 还有可能发生爆炸事故。因此流道内壁和切断球阀内件的几何形状应 圆滑过渡，表面光滑。内部表面光洁度必须满足ISO8501 1Sa2的要 求。(6) 清洁要求。如果氧气切断球阀内腔存在油脂、灰尘、铁屑、铁锈、水锈、焊渣等极小的固体颗粒杂质，在氧气通过氧气切断球阀 时，可能造成激烈的燃烧、爆炸等严重后果，因此，凡接触氧气的零 部件必须清洁干净。氧气切断球阀运输和安装时需作禁油处理，氧气切断球阀需有明显的禁油标记。(7) 密封试验。由于氧气切断球阀输送的介质是氧气，高压和低 压密封试验介质都必须采用氮气。采用氮气试验可

5、以保证最小的污染 和腐蚀。2结构特点氧气切断球阀的结构形式见图1。I 主阀体；2副阀体；3球体；4阀座；5碟形弹簧；6传动销；7轴承；8支撑板；9减磨垫；10阀杆；II 支架；12低泄漏脱脂组合填料；13有机玻璃防尘板；14执行机构连接板；15执行机构；16静电连接导出组件 氧气切断球阀主要结构特点如下。图1氧气切断球阀结构形式I 主阀体；2副阀体；3球体；4阀座；5碟形弹簧；6传动销；7轴承；8支撑板；9减磨垫；10阀杆；II 支架；12低泄漏脱脂组合填料；13有机玻璃防尘板；14执行机构连接板；15执行机构；16静电连接导出组件 氧气切断球阀主要结构特点如下。（1）主阀体和副阀体均采用锻件

6、，以克服铸件固有缺陷（如气孔、 夹渣、疏松等）。主阀体和副阀体采用高强度螺栓连接，连接处设置密封垫片，以保证无外泄漏。（2）球体上下的支撑轴由支撑板固定在副阀体上，采用固定球支 撑板结构。球体与支撑板采用低磨擦系数轴承，实现低扭矩设计。（3）球体和阀座表面进行特殊硬化处理，可大幅提高耐磨性和抗 高压氧气吹扫能力。球体流道孔边缘经过钝化，以保证硬化表层不会 脱落。球体直径比传统设计的球体直径大， 允许有5% 7%的额外行 程，可大幅降低流道孔边缘磨损，并消除因执行机构不准确关闭而造 成的意外泄漏。球体磨削后与阀座配对研磨，以确保球体与阀座金属 密封面100%密合。(4) 在低压下，通过碟形弹簧的

7、预紧力和介质的压力实现密封，在高压下通过介质的压力实现密圭寸。碟形弹簧在确保密圭寸性能的同时 还能避免碟形弹簧前后聚集颗粒异物，也避免了圆柱螺旋弹簧容易进 入颗粒而发生推力不均匀，使氧气切断球阀产生内泄漏。(5) 球体与阀杆通过圆柱销并采用过盈配合联接，联接后球体与阀杆近似1个整体，完全保证球体与阀杆同心，且操作力矩稳定。(6) 采用低泄漏脱脂组合填料，泄漏率满足ISO15848或SHELLMESCSPE77/312微泄漏测试要求。同时为提高阀杆表面的光 洁度，采用毫克能表面加工设备的毫克能刀具进行精加工，加工后阀杆表面光洁度提高3级以上，粗糙度Ra达到0.2以下，且阀杆表面 显微硬度提高20

8、%以上。(7) 在执行机构连接板外设置有机玻璃防尘板，以防止灰尘和油污等杂质进入阀杆和阀体内，不会对阀门造成污染，不存在安全隐患。(8) 静电连接导出组件可将氧气切断球阀与地面连通，避免静电的聚集。(9) 氧气切断球阀输送介质是氧气，球体和阀座脱脂处理后在启闭过程中属于干摩擦，选择的执行机构的安全系数大于23承压件有限兀分析在传统阀门设计中，由于计算方法的限制，只能根据材料力学中提供的一些经验公式进行估算，这种方法不能全面反映阀门的应力状 态，也不能给设计人员指出阀门的薄弱环节和改进方向。因此采用有限元分析作为氧气切断球阀的辅助设计是必要的， 可为阀门设计提供 帮助。承压件有限元分析按照 AS

9、ME第忸卷进行，采用有限元分析 的承压件有：阀体强度有限元分析见图 2;球体强度有限元分析 见图3;阀座强度有限元分析见图4;支撑板强度有限元分析见 图5;阀杆强度有限元分析见图6。图2阀体强度有限元分析图3球体强度有限元分析图4阀座强度有限元分析图5支撑板强度有限元分析图6阀杆强度有限元分析4关键制造过程控制(1)球体磨削。高的密封性能和低的操作扭矩是球阀设计工作者 追求的2个既定目标，而这一目标的解决取决于磨球机的进步。 为使 球体磨削后的圆度 0.002mm需采用进口高精度数控磨球机进行包 络线磨削加工。(2)装配。氧气切断球阀零件装配前的脱脂采用特殊流程，分为 生产前期、超声波1次清洗

10、、超声波深度清洗、超声波脱脂4个步骤。 所有氧气切断球阀均需在专用无脂阀门装配车间装配，采用脱脂手 套、特殊装配工具装配。装配后采用高压氮气作为性能测试介质，试 验后在脱脂检验室采用紫外线荧光灯检查，以确保氧气切断球阀清洁 无油污。5结语氧气切断球阀苛刻的使用工况，对氧气切断球阀的设计、选材、 加工、制造、脱脂、装配、包装等环节都提出了严格的要求。研制中 采用有限元分析对承压件进行有限元分析， 同时对球体磨削和装配关 键制造过程进行控制，使研制的氧气切断球阀满足苛刻工况要求。 通 过工业应用证明，国内完全有能力实现氧气切断球阀的国产化，并证明氧气切断球阀的研制是成功的。球体磨削后的圆度 0.002mm需采用进口高精度数控磨球机进行包 络线磨削加工。（2）装配。氧气切断球阀零件装配前的脱脂采用特殊流程，分为 生产前期、超声波 1 次清洗、超声波深度清洗、 超声波脱脂 4 个步骤。 所有氧气切断球阀均需在专用无脂阀门装配车间装配，采用脱脂手 套、特殊装配工具装配。装配后采用高压氮气作为性能测试介质，试 验后在脱脂检验室采用紫外线荧光灯检查， 以确保氧气切断球阀清洁 无油污。5 结语氧气切断球