高温氧气用金属硬密封球阀的研究与设计

2025-10-14
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高温氧气用金属硬密封球阀的研究与设计
0 概述
氧气切断阀是煤化工工艺装置中的一类重要阀门,安装于燃烧器供氧
回路中,对预热氧气、氧气蒸汽混合气等进行切断控制。其工作温度最高可达
到 450℃,工作压力最大可达到 5.5MPa,且氧气为强助燃剂,泄漏等级要求为
Ⅵ级。在如此苛刻的工况条件下,金属硬密封球阀是其最好的选择。
1 高温氧气用金属硬密封球阀的设计参数
以煤化工工艺装置中 DN200mm 高温氧气用金属硬密封球阀为例,其工
艺参数如表 1 所示。
表 1 球阀工艺参数
2 高温氧气用金属硬密封球阀的材料选择
高温氧气用金属硬密封球阀的阀体和主要零部件材料的选择很重要,
要依据其工作温度、工作压力和介质特性进行选择,同时还要考虑到材料的加
工工艺性和经济性。由于氧气介质要求管路系统内部不能产生氧化锈蚀,因此
球(氧)阀材料一般采用铬镍不锈钢等耐腐蚀钢。煤气化装置中的氧气用金属
硬密封球阀的阀体材料通常采用 CF8M 或 F316,球体和阀座材料采用 316,密封
面喷涂硬质合金,主要零部件材料采用 316。高温情况下阀体材料采用
INCONEL600 或 625 的铸件或锻件,球体和阀座材料采用 INCONEL600 或 625,密
封面喷涂硬质合金,主要零部件材料采用 INCONEL600 或 625。弹性元件(碟簧
或弹簧)的材料采用 INCONELX-750,保证在高温状况下提供足够的预紧力。
3 高温氧气用金属硬密封球阀的结构设计
高温氧气用金属硬密封球阀结构如图 1 所示。
1—主阀体 2—副阀体 3—下阀杆 4—球体 5—阀座
6—压环 7—弹簧 8—加长阀颈 9—上阀杆
10—填料函 11—填料 12—压套 13—压板
14—支架 15—气动执行机构
图 1 高温氧气用金属硬密封球阀结构
3.1 阀座与球体的密封
根据 ANSIB16.104 标准,粉煤或是渣水介质用的金属硬密封球阀密封
等级要求为Ⅴ级。由于氧气是一种危险介质,任何的外漏和内漏都可能造成燃
烧、爆炸等严重后果,因此密封等级要求为Ⅵ级。球体与阀座间的密封,是控
制氧阀内漏的关键环节,要求达到严格的Ⅵ级密封。球、座的加工精度要求非
常高,圆度要求达到 μm 级,表面粗糙度参数 Ra≤0.2μm。需要精密数控球面
专用磨床加工,再经球座对研,才能达到氧阀的严格要求。
3.2阀杆低泄漏控制
通常金属硬密封球阀阀杆处采用 O 形圈、PTFE 填料或石墨盘根密封。
对于高温氧气用金属硬密封球阀,O 形圈和 PTFE 填料不能满足高温工况要求,
故不能使用。而石墨盘根通常含有杂质,也不能应用于氧气介质。因此高温氧
气用金属硬密封球阀采用石墨环密封,并采用碟形弹簧进行动态加载,实现对
填料磨损时的动态补偿,以保证阀门阀杆处的密封。
3.3 加长阀颈设计
由于介质为高温氧气,设计温度达到 450℃,气动执行机构要远离高
温区域,因此设计加长阀颈,以保证气动执行机构的正常工作。
3.4 气动执行机构的选择
由于高温氧气用金属硬密封球阀的球体和阀座密封面之间是金属对金
属,没有任何润滑剂,如果气动执行机构输出力矩不足,很容易出现球体与阀
座之间卡滞的情况,影响阀门的正常工作,因此,气动执行机构的选择很重要。
在正常气源压力下,气动执行机构提供的输出力矩为阀门在最大压差下计算力
矩的 1.5 倍以上,因此完全能使阀门正常地、稳定地启闭。
4 高温氧气用金属硬密封球阀的设计计算
摘要:
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《高温氧气用金属硬密封球阀的研究与设计》摘要氧气切断阀是煤化工重要阀门用于燃烧器供氧回路切断控制工作温度最高达450压力最大达55MPa且氧气强助燃泄漏等级要求高金属硬密封球阀是最佳选择。1设计参数:以DN200mm球阀为例说明工艺参数。2材料选择:依工作温度、压力和介质特性选材考虑加工工艺性与经济性氧气介质防止氧化锈蚀不同温度下阀体、球体、阀座、主要零部件及弹性元件材料选择不同。3结构设计:密封等级要求高球、座加工精度要求严;阀杆采用石墨环密封和碟形弹簧动态加载;设计加长阀颈使气动执行机构远离高温区;气动执行机构输出力矩为阀门最大压差下计算力矩的15倍以上。4设计计算:包括阀体壁厚、密封比压、总摩擦力矩计算。5生产制造及试验:生产控制严格加工避免尖角死腔严格检验零件清洗防二次污染整机装配在净化房完成且专人专岗试验制定详细程序入库前擦洗干燥密封。通过设计与生产管理公司设计的高温氧气用硬密封球阀用于示范项目运行良好已有6种规格年产250台效益良好。
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