超大口径偏心半球阀密封系统解决方案

蔡毅 吴孔燕 丁巍 刘智 周星彪

【摘要】供水管网是现代社会必需的基础设备，超大口径阀门是我国南水北调工程、城市供水管网的关键设备。此前国内超大口径阀门设计生产经验不足，阀门工作中出现了泥沙进入弹簧腔导致阀座失效、洪水倒灌导致阀门反向泄漏、阀门关键部件阀芯不耐用等一系列问题。我司研发的固液相分离技术、液压传动强制密封技术、多重密封技术、抗气蚀、耐冲刷等核心技术能有效解决问题，满足客户需求。偏心球阀具有密封可靠、检修安全、使用寿命长、智能控制等特点，其价格仅为同类进口产品的一半左右，能替代同类进口产品，打破了此类产品长期被国外垄断的局面。

【关键词】超大口径阀门；偏心半球阀；固液相分离；安全检修；抗气蚀和冲刷

【DOI編码】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

供水管网是现代社会必需的基础设备，对保障人民生活安定和城市建设发展起着至关重要的作用，被形象地称作城市的“水动脉”。阀门是管路系统的关键部件，用于开闭管路、控制流向、调节和控制输送介质的参数（温度、压力和流量），具有截止、调节、导流、防止逆流、分流或溢流泄压等功能[1]。

我国供水管网规模化建设的开展对大口径球阀提出了迫切需求。以南水北调工程为代表的国家工程的建设，以及淮河治理新三项工程，太湖、洞庭湖、鄱阳湖的综合治理工程，黄河宁蒙河段、长江中下游河势控制等大江大河重点河段治理，以上工程的建设均需要大量的阀门流体装备配套，所需阀门口径达到DN2000。此外，我国各大城市自来水厂供水量以及污水处理厂污水处理规模正在逐步加大，管网口径不断增加，对各类大口径、超大口径给排水阀门需求迫切。同时，纳入水利基本建设管理的各类防洪、排涝、灌溉、水力发电、水土保持、水资源保护等工程的建设对各类大口径、超大口径给排水阀的需求十分旺盛[2]。

1客户使用问题汇总

供水管网系统具有规模大、结构复杂、安全性要求苛刻等共性特点。我公司长期为国家多项水利工程提供流体装备，在多次的技术交流及阀门应用现场勘察中发现均存在以下共性问题：1）泥沙进入弹簧腔，导致弹簧失效，进而引起阀座卡滞；2）洪水倒灌导致阀门反向泄漏；3）下游检修，阀门安全性待提高；4）阀座密封不严、不耐磨、寿命短；5）泥沙冲刷球口，阀芯表面冲蚀严重；6）气蚀导致阀芯表面合金起皮脱落严重。

2针对性技术攻关

技术团队对国内外最新技术和设计理念进行了反复研究，结合用户使用问题针对性优化和创新，提供了一种新型超大口径偏心半球阀密封系统，系统集成了固液相分离技术、单阀座双向密封技术、液压动力强制密封技术、软硬结合三重密封阀座设计、抗冲刷和气蚀组件设计、自带液压系统设计等关键技术，研制成功的球阀具有适用范围广、密封可靠、检修安全、使用寿命长等特点。

2.1固液相分离技术

石墨盘根由细小的石墨颗粒组成，水流动过程中会不断带走石墨颗粒，一段时间后石墨颗粒损失较多，泥沙会穿透石墨进入阀座内腔卡死阀座。面对难题科研团队创新性地开发了外圆密封+端面非密封组合技术。阀座外圆安装橡胶O型圈阻止沙粒进入阀座腔，阀座端面均布多个螺纹通孔，孔内安装内六角螺钉。由于普通螺纹没有密封性，水可以从螺钉和螺纹孔之间的间隙自由进出而沙粒被阻止通过。组合采用最常规的元件和工艺实现了固液相分离功能，成功解决了泥沙淤积卡死阀座的问题。

固液相分离示意图如图1所示：O型圈25、27、30组成3个封闭空间阻止了泥沙进入，阀座支撑圈19头部设计有螺纹通孔，通孔内安装螺钉23。由于普通螺纹没有密封性，阀座支撑圈19和传力环26之间的压缩空气可从螺纹间隙顺利排出，同理阀门工作时河水可以从螺纹间隙渗入。由于螺钉的存在，泥沙无法穿过螺纹进入阀座内腔，从而实现了固液相分离。传力环26和推力环28之间的空气由小孔导向至阀体1外部，小孔在必要时可作为阀座检漏使用。推力环28后方和阀体1之间的空气通过紧定螺钉29排出。

2.2单阀座双向密封技术

介质推力单阀座实现双向密封。常规偏心半球阀由于采用强制密封，为了避免反向介质推力过大致使阀杆挠度超过范围，密封比压降低导致阀门产生泄漏，一般都采用正向单向密封。技术团队为满足国家重点项目要求，即使产品遭受洪水倒灌，也必须提供安全可靠的密封保障，水阀产品引入了燃气阀门技术采用了单只阀座实现双向密封的设计[3]。介质正常流向，阀门正常关闭状态，液态水进入阀座内腔，閥座头部两端压力平衡后，由于受力面积S2>S1，合力方向趋近于球体阀门密封有效。当遇到突发情况，洪水倒灌时介质水从内六角紧定螺钉处进入阀座内腔，内外压力平衡后，由于压力S4> S3，合力方向依旧趋近于球体，阀门密封依旧有效。合理的受力分配完美地实现了单只阀座具备双向密封功能，彻底解决了洪水倒灌导致阀门反向泄漏的问题。

2.3液压动力强制密封技术

大口径阀门作为管路系统中的核心设备要求使用寿命不少于30年，检修周期不超过5年。随着企业生产安全意识的不断提高，对设备检修的安全保障要求也越来越高。传力环26和推力环28之间设计有环形腔体，腔通过小孔与阀外液压系统相连。当下游需要检修或者需要紧急密封时，打开电磁阀后液压油即可进入环形腔体，逐步对液压油加压，传力环26将推动阀座趋近阀芯，继续加压至预定值，可实现阀座与阀芯强制密封。技术团队在本结构中保留了原有机械偏心的自锁功能[4]，同时增加了液压传动强制密封，强化了密封效果；为管道施工检修提供更加有力的安全保障。

2.4软硬结合三重密封阀座设计

大口径偏心半球阀一般采用PTFE作为密封面，阀门关闭中依靠阀芯对PTFE的挤压实现密封。密封面长期挤压容易材料疲劳导致密封性降低[5]，水中沙粒会在阀芯的挤压下嵌入PTFE表面阀门泄漏。技术团队采用差异化功能设计，将密封面设计为三重密封。第一重为金属密封，主要起到隔离泥沙的作用。第二重密封为高性能工程塑料密封，工程塑料既可以起到密封作用，还具有限位功能防止金属阀座与阀芯过度挤压。第三重密封为主密封，密封材料选用防爆橡胶三角圈，三角圈具有很好的安装工艺性，橡胶有很好韧性和回弹性能。

方案通过金属密封、工程塑料密封、橡胶圈密封的组合配置，实现了隔离泥沙、防刮耐磨、抗冲刷抗爆破等多重目标，成功解决了泥沙冲刷下阀座密封面不耐用的问题，阀座使用寿命从5年更换升级为30年免维护。

2.5抗冲刷和气蚀组件设计

球阀启闭为90°旋转开关，启闭瞬间阀芯在时钟3点和9点位置承受着极大压差。流水由于巨大的压力变化产生气泡，气泡逐渐变大并失压爆破，对阀芯金属密封面产生气蚀。沙粒也在水流的带动下高速冲刷相同位置的阀芯表面。气蚀和沙粒的共同使用阀芯3点和9点逐渐成蜂窝状导致阀门泄漏量不断增大[6]。为了解决这一难题，攻关小组采用以柔克刚的思路对阀芯的局部进行了重新设计。如图2所示，阀芯3点和9点方向开设有燕尾槽，燕尾槽与通道贯穿。燕尾槽内安装有抗冲刷和抗气蚀组件，组件四周为金属结构并与阀芯安装后氩弧焊连接。组件四周金属薄壁上设有多个矩阵排列的小孔，小孔内设有纵横交错的缠绕不锈钢丝。以不休锈钢丝为骨架，在其间填充满二次硫化的橡胶填充物，橡胶表面与球面圆弧过渡。

方案通过金属和橡胶的组合，组件金属结构提供了足够的强度，橡胶结构提供足够的韧性，满足了耐冲刷和抗气蚀需求，达到了结构稳固、耐冲刷、抗气蚀、模块化生产等多重目标，经solidworks有限元模拟分析表明阀芯寿命可提升至原来4.3倍以上。

3产品应用情况

改进后的超大口径偏心半球阀作为阀门产业迈向高端的代表性产品，具有高技术含量、高附加值等显著特点。以 DN2000超大口径偏心半球阀为例，经核算本产品平均成本价为157.75万元/台，出厂平均售价为219万元/台，利润32.85万元/台，税金达到35万元/台，与同口径压力级进口阀门56.82万美元/台相比，仅相当于进口价格56.68%，为国家节省了大量外汇。

2019年至2022年，公司共生产大口径球阀40余台，累计销售收入8400余万元，项目产品“超大口径偏心半球阀”自研发成功投产以来，分别中标2017年的延安黄河引水工程、2019年的引汉济渭工程三河口水利枢纽供水系统、2020年的山西小浪底引黄工程地下泵站核心设备。产品实现了智能控制、技术含量高、性能优异，解决了国家重大工程急需，2021年获颁浙江省首台套产品证书。

4结束语

阀门作为整个输送管路系统的“咽喉”，阀门的产品性能直接关系到供水系统的先进性、安全性和可靠性。超大口徑偏心半球阀的研制成功促进了我国阀门制造水平的进一步发展，提高了国产化水平，是阀门产业升级换代的突破口。项目具有结构新颖、取材方便、坚固耐用、性价比高的特点，可满足国内庞大的市场需求，具有广阔的市场前景。

【参考文献】

[1]李维纬.西山水库引水兼泄水系统的金属结构研究[J].黑龙江水利科技，2020，48（7）：87-88，236.

[2]柳杨.城乡供水管网中阀门的作用和类型[J].山西农经，2016（15）：86.

[3]吴军.DBB与DIB型固定球阀的密封结构与方向性分析[J].化工设备与管道，2016，53（5）：77-82.

[4]张鸽.双偏心半球阀密封结构的改进[J].科技信息，2012（24）：424.

[5]姚怀宇，蒋诚航，金志江，等.阀门失效的研究进展[J].流体机械，2021，49（10）：74-83，90.

[6]李少争，余晓明，孔明，等.偏心半球阀流场的可视化仿真分析[J].阀门，2015（4）：15-17.

【作者简介】

通讯作者：蔡毅，男，1985年出生，工程师，研究方向为阀门设计，邮箱：caiyilianyi@163.com。

吴孔燕，女，1986年出生，工程师，研究方向为密封系统。

（编辑：李钰双）