闡述了提升式金屬密封旋塞閥的工作原理、結構設計、有限元分析和主要零部件制造工藝。該閥門已獲國家專利( 專利號: ZL201120070326.3) 。

1、概述

　　旋塞閥具有結構簡單和流阻小等特點，但普通旋塞閥靠塞子和閥體直接接觸密封，存在啟閉力矩大、密封面易磨損和密封性能差等缺點。普通的襯套旋塞閥、油潤滑旋塞閥和將軍閥等不適用于高溫工況。根據工況條件研制的提升式金屬密封旋塞閥，解決了旋塞閥不能用于高溫的問題。

2、性能

　　提升式金屬密封旋塞閥采用樞軸固定整體式塞子、硬質合金堆焊閥座和雙滾輪導槽設計，實現了閥門開啟無摩擦提升并旋轉的功能，降低了閥門操作過程中密封面擦傷、磨損和粘結破壞的幾率，具有結構新穎、工藝先進、操作省力、啟閉迅速、密封性好、維護方便、可高溫吹掃和全方位安裝等優點，特別適合于高溫蒸汽管道和高壓差泵出口使用，也適用于延遲焦化系統、渣油催化裂化裝置和乙烯裂化裝置等場合。

3、工作原理

　　提升式金屬密封旋塞閥主要由底蓋、下支撐板、閥體、塞子、上支撐板、閥蓋、閥桿、支架、橫銷、滾輪、閥桿螺母和驅動裝置等組成( 圖1) 。閥桿上部為梯形螺紋，閥桿下部和塞子通過T 形槽連接，閥桿中部有一橫銷，銷兩端各套有一只滾輪。支架上部設有兩條成180° 分布的導槽，導槽包括直槽和螺旋槽。開啟閥門時，驅動裝置( 如手輪) 帶動閥桿螺母轉動，滾輪沿直槽滾動上升，閥桿和塞子一起上升，塞子和閥體密封面軸向無摩擦分離。閥桿螺母繼續轉動，滾輪沿螺旋槽滾動，閥桿和塞子逆時針旋轉90°，閥門全開。關閉閥門時，驅動裝置帶動閥桿螺母轉動，滾輪沿螺旋槽滾動，閥桿和塞子順時針旋轉90°，閥桿螺母繼續轉動，滾輪沿直槽滾動，閥桿和塞子一起下降，塞子與閥體密封面開始接觸直至貼緊密封。

4、結構設計

　　閥門設計采用API 599 并參考API 600 標準，密封副采用金屬密封結構，適用于高溫工況。因提升式金屬密封旋塞閥的密封比壓是由外部執行機構提供的力矩控制，屬于強制密封閥門。

1. 底蓋2. 下支撐板3. 閥體4. 塞子5. 上支撐板6. 閥蓋7. 閥桿8. 支架9. 橫銷10. 滾輪11. 閥桿螺母12. 手輪

圖1 提升式金屬密封旋塞閥

　　4.1、閥體

　　閥體端部為法蘭連接，流道為文丘里規則型，即流道截面積從閥門出入口到閥座密封處為逐漸縮小，但流道高度方向的尺寸略有擴大。殼體最小壁厚滿足在壓力試驗( 1. 5 倍最大允許工作壓力) 載荷下，避免永久變形和滿足非圓形通道的應力集中的要求。

　　根據實際檢驗和測試，應力集中對閥體變形影響最大的部位在閥體中腔和密封面區域，因而影響閥門的密封性能。針對高壓閥體，在其外部設置了整體鑄造加強筋( 圖2 和圖3) 或者增加閥體壁厚，確保閥體在高壓時有足夠的剛性。閥體密封面設計成內部凸起結構，使其工藝性好，方便機加工和磨頭磨削，在閥門全關時中腔適合采用吹掃工藝。

圖2 閥體加載靜態應力分布

圖3 閥體加載靜態位移分布

　　4.2、塞子

　　塞子為整體式結構，剛性好，有利于閥門在高壓差工況應用。塞子通孔設計成近似矩形，塞子設計有上下樞軸，與上下支撐板的高精度內孔配合。支撐板外圓與閥體上下法蘭端部的內孔精密配合，使作用于塞子的介質壓力通過支撐板傳遞到閥體上，避免塞子在高壓力和高壓差工況下受高速流體沖刷導致振動，增強塞子的穩定性。另外，當閥門安裝要求閥桿水平或傾斜時，這種結構也消除了塞子因自重對閥門性能產生的不利影響。通過分析，塞子的應力和變形集中在塞子中部和塞子通孔邊緣處，設計時應著重考慮( 圖4 和圖5) 。

圖4 塞子加載靜態應力分布

圖5 塞子加載靜態位移分布

　　塞子材料一般選用鑄造碳鋼堆焊硬質合金。對于Class 600 以上壓力等級，宜采用鍛造碳鋼堆焊硬質合金，或采用鑄造馬氏體不銹鋼加熱表面硬化工藝，熱處理后硬度控制在35 ～ 40HRC，研磨后防止侵蝕和粘結。閥體和塞子密封面全部堆焊硬質合金，既防止咬合，又延長閥門使用壽命。

　　4.3、閥桿

　　閥桿結構參照楔式閘閥閥桿設計方法，考慮閥桿中部有橫銷通孔，適當加大閥桿直徑。因為閥門行程短，所以閥桿的絲桿部分只有同規格閘閥的1 /10 ～1 /5。因而金屬密封旋塞閥開啟速度快。

　　4.4、閥蓋和底蓋

　　閥蓋密封結構設計為凹凸面或環連接，以滿足不同壓力等級的要求。對于大口徑閥門，采用支架和閥蓋分體式設計。另外，金屬密封旋塞閥閥蓋的閥桿孔處設有上密封座，與閥桿端部的90°錐面配合，形成閥門的上密封副，滿足在線更換填料的要求，維護方便。閥門支架上部設有導槽，導槽與滾輪配合，即可完成塞子升降和旋轉兩個動作。支架上端法蘭按GB /T12222 設計，可用于安裝各種執行機構。底蓋上設有排放孔，可用于排除和吹掃體腔內污物。

5、制造與檢驗

　　提升式金屬密封旋塞閥的閥體和塞子的錐形密封面結構形狀特殊，加工精度要求高，是制造的關鍵點和難點。首先采用大型數控立式車床加工錐面，然后再用高精度數控磨削中心用同一個砂輪磨削閥體和塞子的密封錐面，使表面粗糙度達Ra 0. 2μm。經過對旋塞閥樣機按API 598 要求進行了多次殼體強度、高低壓密封和上密封試驗項目的測試，測試項目全部合格，樣機試制成功。

6、結語

　　提升式金屬密封旋塞閥適用于高溫高壓差工況，可以達到零泄漏，提升了旋塞閥的產品性能。