1 概述
球阀通过启闭件球体绕阀杆轴线旋转90°实现阀门的开启和关闭，在管路上主要用于切断、分配和改变介质流向。球阀结构简单、密封性好，并且在一定的公称尺寸范围内具有体积小、重量轻、材料消耗少、安装尺寸小等优点。球阀的驱动力矩小、操作简单、易实现快速启闭和远程控制，是近十几年来发展最快的阀门品种之一。
根据密封材料划分，球阀分为非金属密封球阀和金属密封球阀。非金属密封球阀密封副为非金属材料，容易实现密封，早已成为成熟的产品。金属密封球阀的密封副为金属材料，对于温度和流体介质领域适用范围更广，广泛应用于苛刻工况。金属材料的密封性较难达到非金属材料密封的等级，特别是在高压或高温工况下，金属密封球阀球体和阀座的弹性变形无法避免，由于弹性变形导致的密封失效在设计阶段难以预判。本文采用有限元模拟分析和流体模拟分析法，以Class2500 NPS2金属密封固定球阀为例，对金属密封固定球阀的密封性能机理进行分析，为减少高压或高温下球体和阀座的弹性变形提供参考依据。
2 密封原理
固定球阀球体以上下轴或支撑板固定，采用浮动式结构阀座，在弹簧力和介质压力共同作用下，经过精密研磨的金属阀座密封面紧贴球面实现密封。
图1所示为固定球阀阀座密封部位局部放大视图。阀门处于关闭状态时，以石墨密封圈或O型密封圈为界将流体截断，此时阀座受到弹簧预紧力F、流体压力P产生的介质力G、密封圈摩擦力f以及球体对阀座的反作用力，起密封作用的密封力为向右的合力（F+G-f）。当密封力产生的密封比压大于密封的必需比压时则实现密封。
3 泄露原因分析
通过对密封原理进行分析，总结金属密封固定球阀泄漏的主要原因。
（1）O型圈或石墨密封圈部位泄漏。
（2）阀座密封面与球面研磨程度不够，密封副不吻合。
（3）球体不圆或密封面粗糙。
（4）球体、阀座、固定轴强度不足产生塑性变形。
（5）球体与阀座在介质压力下产生弹性变形导致密封副剥离。
对于前4种泄露原因，一般厂家都有处理经验，比较容易解决。但是泄露原因（5）不易发现，尤其是在高压或高温工况下，进行低压气体密封试验[9]时效果良好，压力越高泄漏量越大，但是当压力卸除后球体与阀座又恢复至初始形态，检测球体圆度和密封面吻合度都合格。此种情况通常先推测阀座背面O型圈或石墨圈泄漏，往往忽略了高压或高温下球体与阀座都发生了不同步的弹性变形，从而导致密封面剥离的情况。而弹性变形复杂，不同部位变形量不同，无法直接计算，一般需要借助计算机有限元模拟加以分析验证。以NPS2-CL2500金属密封固定球阀为例进行分析，主要参数如下[10]：
球体材质 F304+NI60
阀座材质 F304+NI55
球体直径 Sφ90mm
流道直径 φ42mm
密封面内径 φ54mm
密封面外径 φ62mm
阀座受介质作用力外径 φ68mm
阀座小台阶外径 φ58.6mm
阀座大台阶外径 φ88mm
弹簧力 1100N
4 密封性有限元分析
利用计算机可以模拟工件的实际受力情况，对其位移、应力、应变进行分析，常用的分析方法有计算机有限元模拟分析[5]和流体模拟分析，分别利用两种分析方法对球体与阀座的弹性变形进行研究[11]。
4.1 有限元模拟分析法[12]
4.1.1 简化模型
在进行有限元分析前，首先根据应力及变形的特点对模型进行简化。
（1）阀体的刚度很大，变形量甚微，省略阀体结构分析。
（2）球体由上、下轴进行固定，假定上、下轴刚度足够大，省略上、下轴的结构。
（3）弹簧、O型圈和石墨密封圈对球体与阀座的接触无影响，可以省略。
简化后的模型如图2所示。由于球体处于固定状态，可以单独进行分析，但阀座是浮动状态，不适合单独进行分析，球体与阀座组合分析更接近实际情况，因此分别对球体以及球体与阀座组件进行分析。
4.1.2 球体静态分析
（1）建立新算例，选择静应力分析。
（2）网格划分，选择基于曲率的网格，用可变化的单元大小来生成网格，有利于细小特征处获得精确的结果。网格密度采用较高等级，求解结果更精确，但是网格划分和求解时间较长，对电脑配置要求也较高。本示例模型尺寸较小，所以采用高精度网格，对于大规格模型建议采用软件默认的中等密度网格。
（3）应用材料，球体基体材料设置为A182 F304。
（4）添加载荷，所有与介质接触部位添加压强42MPa。
（5）添加夹具，夹具设置为以上下轴孔承压面固定，符合实际情况。
球体静态分析结果如图3所示。从分析结果可以看出，上轴孔位置应力集中，最大应力超过屈服强度，球面应力小，产生弹性变形，且变形不均匀，最大变形发生在水平球口位置，变形量约为0.01805mm。
4.1.3 球体、阀座组合静态分析
（1）建立新算例，选择静应力分析。
（2）网格划分规则与球体静态分析相同。
（3）应用材料，球体与阀座基体材料设置为A182 F304，忽略密封副涂层。
（4）设置连接，选择密封副设置全局接触，无穿透，摩擦系数为0.25。
（5）添加载荷，所有与介质接触部位添加压强42MPA，阀座添加弹簧力1100N。
（6）添加夹具方式与球体静态分析相同。
球体、阀座组合分析结果如图4所示。从图中可以看出，球体上轴孔位置应力集中，最大应力超过屈服强度；球面应力小，产生弹性变形，并且变形不均匀；水平球口位置变形量为0.02116~0.02151mm，上、下位置变形量为0.01155~0.01639mm；阀座承受应力未超过屈服强度，同样产生弹性变形；密封面水平位置变形量为0.03571~0.03635mm，上、下位置变形量为0.02973~0.04044mm；阀座弹性变形可以弥补球体的弹性变形以实现密封。
4.2 流体模拟分析法
流体模拟分析是以流体载荷加载对工件进行分析，必须要以球体、阀座组合，才能形成一个可容纳流体的空间。
（1）设置向导，将介质设置为水或者气体，并设置密度等参数。
（2）创建封盖，形成一个密闭空间。
（3）设定边界条件，设置介质压力大小及方向。
（4）设置目标。
（5）运行。
（6）将结果导出到Simulation。
（7）新建Simulation应力分析。
（8）设置材料。
（9）设置自动查找相接触面组。
（10）夹具设置同球体静态分析。
（11）添加载荷，选择保存的流动效应。
流体模拟分析结果如图5所示。球体上轴孔位置应力集中，最大应力超过屈服强度；球面应力小，产生弹性变形，并且变形不均匀；水平球口位置变形量为0.01273~0.01281mm，上下位置变形量为0.00912~0.00974mm；阀座承受应力未超过屈服强度，同样产生弹性变形，密封面水平位置变形量为0.02218~0.02284mm，上下位置变形量为0.01991~0.02408mm；阀座弹性变形可以弥补球体的弹性变形以实现密封。
5 结语
本文采用有限元模拟分析和流体模拟分析法，分别对金属密封固定球阀的球体以及球体与阀座组件进行分析，由于参数设置不同，分析结果有细微差别，但是分析结果趋势一致。针对高低温工况下，由于弹性变形所导致的泄漏，可以通过本文的方法得到一定的分析验证，为优化设计和工艺提供参考
TAGS