超大口徑偏心半球閥密封系統(tǒng)解決方案

蔡毅 吳孔燕 丁巍 劉智 周星彪

【摘要】供水管網(wǎng)是現(xiàn)代社會(huì)必需的基礎(chǔ)設(shè)備，超大口徑閥門是我國(guó)南水北調(diào)工程、城市供水管網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備。此前國(guó)內(nèi)超大口徑閥門設(shè)計(jì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不足，閥門工作中出現(xiàn)了泥沙進(jìn)入彈簧腔導(dǎo)致閥座失效、洪水倒灌導(dǎo)致閥門反向泄漏、閥門關(guān)鍵部件閥芯不耐用等一系列問題。我司研發(fā)的固液相分離技術(shù)、液壓傳動(dòng)強(qiáng)制密封技術(shù)、多重密封技術(shù)、抗氣蝕、耐沖刷等核心技術(shù)能有效解決問題，滿足客戶需求。偏心球閥具有密封可靠、檢修安全、使用壽命長(zhǎng)、智能控制等特點(diǎn)，其價(jià)格僅為同類進(jìn)口產(chǎn)品的一半左右，能替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，打破了此類產(chǎn)品長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷的局面。

【關(guān)鍵詞】超大口徑閥門；偏心半球閥；固液相分離；安全檢修；抗氣蝕和沖刷

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.035

Solution for Sealing System of Oversized Eccentric Hemispherical Valve

CAI Yi1*， WU Kongyan2， DING Wei3， LIU Zhi1， ZHOU Xingbiao1

（1. Special Technology Valve Group Co.， Ltd.， Wenzhou 325103， China； 2. Jiangmen Xinhui Special Sealing Technology Co.， Ltd.， Jiangmen 529080， China； 3. Kaifeng Ruifa High and Medium Pressure Valve Co.， Ltd.， Kaifeng 271000， China）

Abstract： The water supply pipe network is the necessary basic equipment in modern society， and the super large diameter valve is the key equipment of the South–North Water Transfer Project and urban water supply pipe network. Previously， there was insufficient experience in the design and production of large diameter valves in China. During valve operation， there were a series of problems such as sediment entering the spring chamber leading to valve seat failure， flood backflow leading to valve reverse leakage， and the valve core， a key component of the valve， being not durable. Our companys core technologies such as solid-liquid phase separation technology， hydraulic transmission forced sealing technology， multiple sealing technology， anti cavitation， and erosion resistance can effectively solve problems and meet customer needs. Eccentric ball valves have the characteristics of reliable sealing， safe maintenance， long service life， and intelligent control. Their price is only about half of that of similar imported products， which can replace similar imported products and break the long-term monopoly of such products by foreign countries.

Key words： ultra large diameter valve； eccentric hemispherical valve； solid liquid phase separation； safety maintenance； resistance to cavitation and erosion

供水管網(wǎng)是現(xiàn)代社會(huì)必需的基礎(chǔ)設(shè)備，對(duì)保障人民生活安定和城市建設(shè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，被形象地稱作城市的“水動(dòng)脈”。閥門是管路系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用于開閉管路、控制流向、調(diào)節(jié)和控制輸送介質(zhì)的參數(shù)（溫度、壓力和流量），具有截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、分流或溢流泄壓等功能[1]。

我國(guó)供水管網(wǎng)規(guī)?；ㄔO(shè)的開展對(duì)大口徑球閥提出了迫切需求。以南水北調(diào)工程為代表的國(guó)家工程的建設(shè)，以及淮河治理新三項(xiàng)工程，太湖、洞庭湖、鄱陽(yáng)湖的綜合治理工程，黃河寧蒙河段、長(zhǎng)江中下游河勢(shì)控制等大江大河重點(diǎn)河段治理，以上工程的建設(shè)均需要大量的閥門流體裝備配套，所需閥門口徑達(dá)到DN2000。此外，我國(guó)各大城市自來水廠供水量以及污水處理廠污水處理規(guī)模正在逐步加大，管網(wǎng)口徑不斷增加，對(duì)各類大口徑、超大口徑給排水閥門需求迫切。同時(shí)，納入水利基本建設(shè)管理的各類防洪、排澇、灌溉、水力發(fā)電、水土保持、水資源保護(hù)等工程的建設(shè)對(duì)各類大口徑、超大口徑給排水閥的需求十分旺盛[2]。

1客戶使用問題匯總

供水管網(wǎng)系統(tǒng)具有規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性要求苛刻等共性特點(diǎn)。我公司長(zhǎng)期為國(guó)家多項(xiàng)水利工程提供流體裝備，在多次的技術(shù)交流及閥門應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)勘察中發(fā)現(xiàn)均存在以下共性問題：1）泥沙進(jìn)入彈簧腔，導(dǎo)致彈簧失效，進(jìn)而引起閥座卡滯；2）洪水倒灌導(dǎo)致閥門反向泄漏；3）下游檢修，閥門安全性待提高；4）閥座密封不嚴(yán)、不耐磨、壽命短；5）泥沙沖刷球口，閥芯表面沖蝕嚴(yán)重；6）氣蝕導(dǎo)致閥芯表面合金起皮脫落嚴(yán)重。

2針對(duì)性技術(shù)攻關(guān)

技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)國(guó)內(nèi)外最新技術(shù)和設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了反復(fù)研究，結(jié)合用戶使用問題針對(duì)性優(yōu)化和創(chuàng)新，提供了一種新型超大口徑偏心半球閥密封系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了固液相分離技術(shù)、單閥座雙向密封技術(shù)、液壓動(dòng)力強(qiáng)制密封技術(shù)、軟硬結(jié)合三重密封閥座設(shè)計(jì)、抗沖刷和氣蝕組件設(shè)計(jì)、自帶液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，研制成功的球閥具有適用范圍廣、密封可靠、檢修安全、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

2.1固液相分離技術(shù)

石墨盤根由細(xì)小的石墨顆粒組成，水流動(dòng)過程中會(huì)不斷帶走石墨顆粒，一段時(shí)間后石墨顆粒損失較多，泥沙會(huì)穿透石墨進(jìn)入閥座內(nèi)腔卡死閥座。面對(duì)難題科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)了外圓密封+端面非密封組合技術(shù)。閥座外圓安裝橡膠O型圈阻止沙粒進(jìn)入閥座腔，閥座端面均布多個(gè)螺紋通孔，孔內(nèi)安裝內(nèi)六角螺釘。由于普通螺紋沒有密封性，水可以從螺釘和螺紋孔之間的間隙自由進(jìn)出而沙粒被阻止通過。組合采用最常規(guī)的元件和工藝實(shí)現(xiàn)了固液相分離功能，成功解決了泥沙淤積卡死閥座的問題。

固液相分離示意圖如圖1所示：O型圈25、27、30組成3個(gè)封閉空間阻止了泥沙進(jìn)入，閥座支撐圈19頭部設(shè)計(jì)有螺紋通孔，通孔內(nèi)安裝螺釘23。由于普通螺紋沒有密封性，閥座支撐圈19和傳力環(huán)26之間的壓縮空氣可從螺紋間隙順利排出，同理閥門工作時(shí)河水可以從螺紋間隙滲入。由于螺釘?shù)拇嬖?，泥沙無法穿過螺紋進(jìn)入閥座內(nèi)腔，從而實(shí)現(xiàn)了固液相分離。傳力環(huán)26和推力環(huán)28之間的空氣由小孔導(dǎo)向至閥體1外部，小孔在必要時(shí)可作為閥座檢漏使用。推力環(huán)28后方和閥體1之間的空氣通過緊定螺釘29排出。

2.2單閥座雙向密封技術(shù)

介質(zhì)推力單閥座實(shí)現(xiàn)雙向密封。常規(guī)偏心半球閥由于采用強(qiáng)制密封，為了避免反向介質(zhì)推力過大致使閥桿撓度超過范圍，密封比壓降低導(dǎo)致閥門產(chǎn)生泄漏，一般都采用正向單向密封。技術(shù)團(tuán)隊(duì)為滿足國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目要求，即使產(chǎn)品遭受洪水倒灌，也必須提供安全可靠的密封保障，水閥產(chǎn)品引入了燃?xì)忾y門技術(shù)采用了單只閥座實(shí)現(xiàn)雙向密封的設(shè)計(jì)[3]。介質(zhì)正常流向，閥門正常關(guān)閉狀態(tài)，液態(tài)水進(jìn)入閥座內(nèi)腔，閥座頭部?jī)啥藟毫ζ胶夂螅捎谑芰γ娣eS2>S1，合力方向趨近于球體閥門密封有效。當(dāng)遇到突發(fā)情況，洪水倒灌時(shí)介質(zhì)水從內(nèi)六角緊定螺釘處進(jìn)入閥座內(nèi)腔，內(nèi)外壓力平衡后，由于壓力S4> S3，合力方向依舊趨近于球體，閥門密封依舊有效。合理的受力分配完美地實(shí)現(xiàn)了單只閥座具備雙向密封功能，徹底解決了洪水倒灌導(dǎo)致閥門反向泄漏的問題。

2.3液壓動(dòng)力強(qiáng)制密封技術(shù)

大口徑閥門作為管路系統(tǒng)中的核心設(shè)備要求使用壽命不少于30年，檢修周期不超過5年。隨著企業(yè)生產(chǎn)安全意識(shí)的不斷提高，對(duì)設(shè)備檢修的安全保障要求也越來越高。傳力環(huán)26和推力環(huán)28之間設(shè)計(jì)有環(huán)形腔體，腔通過小孔與閥外液壓系統(tǒng)相連。當(dāng)下游需要檢修或者需要緊急密封時(shí)，打開電磁閥后液壓油即可進(jìn)入環(huán)形腔體，逐步對(duì)液壓油加壓，傳力環(huán)26將推動(dòng)閥座趨近閥芯，繼續(xù)加壓至預(yù)定值，可實(shí)現(xiàn)閥座與閥芯強(qiáng)制密封。技術(shù)團(tuán)隊(duì)在本結(jié)構(gòu)中保留了原有機(jī)械偏心的自鎖功能[4]，同時(shí)增加了液壓傳動(dòng)強(qiáng)制密封，強(qiáng)化了密封效果；為管道施工檢修提供更加有力的安全保障。

2.4軟硬結(jié)合三重密封閥座設(shè)計(jì)

大口徑偏心半球閥一般采用PTFE作為密封面，閥門關(guān)閉中依靠閥芯對(duì)PTFE的擠壓實(shí)現(xiàn)密封。密封面長(zhǎng)期擠壓容易材料疲勞導(dǎo)致密封性降低[5]，水中沙粒會(huì)在閥芯的擠壓下嵌入PTFE表面閥門泄漏。技術(shù)團(tuán)隊(duì)采用差異化功能設(shè)計(jì)，將密封面設(shè)計(jì)為三重密封。第一重為金屬密封，主要起到隔離泥沙的作用。第二重密封為高性能工程塑料密封，工程塑料既可以起到密封作用，還具有限位功能防止金屬閥座與閥芯過度擠壓。第三重密封為主密封，密封材料選用防爆橡膠三角圈，三角圈具有很好的安裝工藝性，橡膠有很好韌性和回彈性能。

方案通過金屬密封、工程塑料密封、橡膠圈密封的組合配置，實(shí)現(xiàn)了隔離泥沙、防刮耐磨、抗沖刷抗爆破等多重目標(biāo)，成功解決了泥沙沖刷下閥座密封面不耐用的問題，閥座使用壽命從5年更換升級(jí)為30年免維護(hù)。

2.5抗沖刷和氣蝕組件設(shè)計(jì)

球閥啟閉為90°旋轉(zhuǎn)開關(guān)，啟閉瞬間閥芯在時(shí)鐘3點(diǎn)和9點(diǎn)位置承受著極大壓差。流水由于巨大的壓力變化產(chǎn)生氣泡，氣泡逐漸變大并失壓爆破，對(duì)閥芯金屬密封面產(chǎn)生氣蝕。沙粒也在水流的帶動(dòng)下高速?zèng)_刷相同位置的閥芯表面。氣蝕和沙粒的共同使用閥芯3點(diǎn)和9點(diǎn)逐漸成蜂窩狀導(dǎo)致閥門泄漏量不斷增大[6]。為了解決這一難題，攻關(guān)小組采用以柔克剛的思路對(duì)閥芯的局部進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。如圖2所示，閥芯3點(diǎn)和9點(diǎn)方向開設(shè)有燕尾槽，燕尾槽與通道貫穿。燕尾槽內(nèi)安裝有抗沖刷和抗氣蝕組件，組件四周為金屬結(jié)構(gòu)并與閥芯安裝后氬弧焊連接。組件四周金屬薄壁上設(shè)有多個(gè)矩陣排列的小孔，小孔內(nèi)設(shè)有縱橫交錯(cuò)的纏繞不銹鋼絲。以不休銹鋼絲為骨架，在其間填充滿二次硫化的橡膠填充物，橡膠表面與球面圓弧過渡。

方案通過金屬和橡膠的組合，組件金屬結(jié)構(gòu)提供了足夠的強(qiáng)度，橡膠結(jié)構(gòu)提供足夠的韌性，滿足了耐沖刷和抗氣蝕需求，達(dá)到了結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、耐沖刷、抗氣蝕、模塊化生產(chǎn)等多重目標(biāo)，經(jīng)solidworks有限元模擬分析表明閥芯壽命可提升至原來4.3倍以上。

3產(chǎn)品應(yīng)用情況

改進(jìn)后的超大口徑偏心半球閥作為閥門產(chǎn)業(yè)邁向高端的代表性產(chǎn)品，具有高技術(shù)含量、高附加值等顯著特點(diǎn)。以 DN2000超大口徑偏心半球閥為例，經(jīng)核算本產(chǎn)品平均成本價(jià)為157.75萬元/臺(tái)，出廠平均售價(jià)為219萬元/臺(tái)，利潤(rùn)32.85萬元/臺(tái)，稅金達(dá)到35萬元/臺(tái)，與同口徑壓力級(jí)進(jìn)口閥門56.82萬美元/臺(tái)相比，僅相當(dāng)于進(jìn)口價(jià)格56.68%，為國(guó)家節(jié)省了大量外匯。

2019年至2022年，公司共生產(chǎn)大口徑球閥40余臺(tái)，累計(jì)銷售收入8400余萬元，項(xiàng)目產(chǎn)品“超大口徑偏心半球閥”自研發(fā)成功投產(chǎn)以來，分別中標(biāo)2017年的延安黃河引水工程、2019年的引漢濟(jì)渭工程三河口水利樞紐供水系統(tǒng)、2020年的山西小浪底引黃工程地下泵站核心設(shè)備。產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了智能控制、技術(shù)含量高、性能優(yōu)異，解決了國(guó)家重大工程急需，2021年獲頒浙江省首臺(tái)套產(chǎn)品證書。

4結(jié)束語(yǔ)

閥門作為整個(gè)輸送管路系統(tǒng)的“咽喉”，閥門的產(chǎn)品性能直接關(guān)系到供水系統(tǒng)的先進(jìn)性、安全性和可靠性。超大口徑偏心半球閥的研制成功促進(jìn)了我國(guó)閥門制造水平的進(jìn)一步發(fā)展，提高了國(guó)產(chǎn)化水平，是閥門產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的突破口。項(xiàng)目具有結(jié)構(gòu)新穎、取材方便、堅(jiān)固耐用、性價(jià)比高的特點(diǎn)，可滿足國(guó)內(nèi)龐大的市場(chǎng)需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡(jiǎn)介】

通訊作者：蔡毅，男，1985年出生，工程師，研究方向?yàn)殚y門設(shè)計(jì)，郵箱：caiyilianyi@163.com。

吳孔燕，女，1986年出生，工程師，研究方向?yàn)槊芊庀到y(tǒng)。

（編輯：李鈺雙）