高温硬密封球阀故障分析及解决方案

硬密封球阀在使用工况上比软密封球阀要严苛很多，高温、强腐蚀以及粉尘、颗粒、泥浆等介质对硬密封球阀的持续使用造成了相当大的障碍。在硬密封球阀的使用过程中，常常应为工况或者人为的原因导致阀门出现故障而被迫维修。了解阀门故障产生的原因，并找到预防故障的方法，对于阀门行业工作者和产品使用者来说，都是必要且有效的。

三精阀门公司针对性的对硬密封球阀进行分析。并从客户使用过程中发现的问题，拓展硬密封球阀产品设计及附属配备应注意的问题，并提出改善的方向。

    从产品的使用角度来分类，硬密封球阀故障大致可以分为以下两类：非技术类故障以及技术类故障。

    1 非技术类故障

    此类故障是与技术无关的，即并非阀门内部结构出现问题或者内部零件运行发生故障。因此，其故障原因一般是由外界条件导致。

    1.1 阀门选型的错误

    有的客户在选择阀门型号的时候，由于对产品使用工况缺乏了解，或者处于成本的考虑，选择的阀门不能满足工况下工作温度、工作压力、介质腐蚀性、冲蚀性的要求，导致阀门一旦投入使用，就迅速出现故障。

    因此，在选型过程中，客户方或者设计院一定要把产品的使用可靠性放在第一位，因此成本原因选择过于低端的产品，产生故障造成损害，反而得不偿失。这一点在工况严苛的硬密封球阀选型中，尤为重要。

    1.1.1 球座密封面喷涂硬质合金面选材错误

    硬密封球阀的性能关键在于钢球、阀座的表面硬化处理。为了保证金属对金属的密封，硬密封球座之间密封比压力远大于普通球阀，这使金属材料间容易出现咬合或者拉伤，这两种情况都会直接导致球阀无法正常使用。目前应用最广泛，效果最好的球座表面硬化方法是喷涂硬质合金技术（主要是镍基合金和铬基合金），硬密封球阀的钢球和阀座喷涂层很大程度上决定了球座密封面的使用性能和寿命，因此在实际复杂的工况中，要根据实际情况选择硬质合金层。

    硬质合金层的选择大致有两个方向：一是追求其硬度，高硬度合金层耐磨损，耐冲蚀性能较强，常用于存在细小，坚硬的固体颗粒介质工况（如煤化工、多晶硅行业）；二是追求其耐腐蚀性能，有些强腐蚀性介质下，耐腐蚀合金层可以有效保护球座内部基材，从而延长寿命，常用于强腐蚀性介质工况（如石化、造纸行业）。硬密封球阀材料选型中，其球座密封面喷涂硬质合金层的材料是重中之重，一定不能选择与工况、使用介质条件不匹配的硬质合金。

    1.1.2 阀门一些内件选材与工况温度不符

    硬密封球阀中，有一些内件的选材是与其使用工况温度或介质温度密切相关的，比如填料、密封垫圈、阀杆护套等等．选择硬密封球阀一般有两种原因，一是工况温度较高，软密封阀座无法承受，二是介质磨蚀能力、冲蚀能力较强，软密封阀座不够坚硬．可见硬密封球阀不等于高温球阀，在某些工况中，它的使用温度并不一定很高。

    当介质温度低于200℃时，填料、密封垫圈（包括体盖密封垫圈、下阀杆密封垫圈、中法兰密封垫圈等），阀杆护套等都可以选择用合成塑料。这种配置与软密封球阀中相关配件的配置类似。

    当介质温度高于200℃时，填料需要选用石墨（石墨耐温性能强，高温下性能基本无变化），密封垫圈一般选用金属丝包裹在石墨圈外围（用石墨密封，金属丝定型），阀杆护套也要换成金属材料。

    所以，在硬密封球阀的选型过程中，工况温度或介质温度是一定要作为必要因素之一来决定选型方向的。错误的内件选择，轻则造成成本浪费，重则导致阀门失效，无法使用。

    1.2 附属件的选型故障

    阀门的附属件包括驱动装置、驱动装置配套装置以及连接驱动装置的支架、联接轴等配件。硬密封球阀的驱动装置按照其动力来源可分为：杠杆手柄、钢管手柄、涡轮执行器、手轮离合减速器（用来切换手动操作或自动操作）、自动执行器（包括气动执行器、电动执行器、电液动执行器等）。

    对于杠杆手柄、钢管手柄，齿轮机构等依靠手动操作的驱动装置，根据产品的工作扭力值计算力矩，然后选择合适的长度或则规格即可，当然材料的抗扭抗拉强度也是需要考虑的。

    对于自动执行器的选型相对复杂一些。拿气动执行器举例，气动执行器分为单作用型和双作用型。双作用型气动执行器开关都有弹簧力作用，扭力一致．单作用型的气动执行器开启的时候要克服弹簧弹力作用，关闭的时候靠弹簧力关闭，这样，其输出扭矩是一个范围扭力值，增加了选型的难度，一般安装气动执行器，需要在阀门的工作扭力值基础上，乘以一个安全系数，防止由于范围性变化的执行器输出扭矩出现操作力不够的情况发生。

    一般在出厂的时候，未到实际工况，其实际工作扭力值是无法准确测量的，常用的标准是根据空载扭力值乘以一个介质系数来估算其工作扭力值。对于硬密封球阀，要根据工况的不同选择这个介质系数，如果是颗粒、粉尘、泥浆介质，这个系数就要取得尽量大些，一般在1.5～2这个范围内选择。

    除了执行器本身的选型需要注意以外，其附属配件也要根据实际情况选型，如相关电磁阀、减压阀、阀位开关等等，如一个进气量很大的气动执行器，却配备一个气流量很小的电磁阀，这样气动执行器进气会很慢，阀门关闭变慢，密封面受冲蚀的时间就越长，不利于阀门使用寿命。而且，自动装置的阀门的显著优势就在于启闭时间快，很多客户要求在N秒内完成启闭动作，这就对相关配件的合理配置提出了更高的要求。

    1.3 其他非技术型故障

    除了以上常见的选型错误导致的非技术型故障，在硬密封球阀的实际使用过程中，由于安装的方向、步骤等没有按照规范，也可能产生使用故障，因此在阀门的使用过程中，应遵照说明书，把该连接的位置连接好，确保万无一失。

    2 技术类故障

    前文提到的非技术类故障都是人为因素造成的，来源于主观原因，如果是足够谨慎或者经验足够丰富，是完全可以避免的，其故障产生原因与阀门内部结构并无关系。而技术类故障。顾名思义，它是由于目前硬密球阀的技术还不够完善造成的，很多时候我们只能尽量去减小它所带来的影响，而很难彻底消除。当然，如果一个使用寿命为3个月的硬密封球阀，经过故障排除或者预防，能够将寿命延长至半年，那即使故障不能彻底杜绝，也已经可以被认为是成功的。

    2.1 密封面破坏引起的泄漏

    对于球阀，甚至对于阀门来说，密封面都是影响整个阀门工作的最重要部位。从球阀的工作原理来看，球阀是启闭件，其操作过程是钢球在阀座上开启或者关闭的过程，如果在开启或者关闭的过程中造成密封面的破坏，那密封面处就可能泄露，造成阀门的内漏，阀门即为失效。

    2.1.1 阀座弹簧的合理选用

    硬密封球阀与软密封球阀的最大区别在于，钢球与阀座都是金属材料，不同于软密封钢球是金属，而阀座是非金属。因此，密封机理也有所不同，软密封球阀密封原理是：钢球与阀座之间的密封力导致非金属阀座发生形变，将阀座与钢球之间凸凹不平的线接触转变成接触，同时软密封阀座被挤压变形后，与钢球表面进一步契合，补偿钢球表面的凸凹不平处，如果钢球与阀座的挤压变形大一些或小一些，对密封性能影响不大；而硬密封球阀的密封原理是，钢球与阀座之间的密封力很难使金属阀座发生形变，因此，需要用更大的密封力（相较于软密封球阀来说）来使阀座密封面产生形变，从而达到钢球和阀座的契合，从而达到密封，但这种形变仅仅是细微的，如果钢球阀座的挤压力稍有变化，则可能无法密封。从两种机理的不同不难得出两个结论：一、硬密封球阀钢球和阀座间挤压力更大；二、硬密封球阀对于密封的调节功能要弱于软密封球阀。

    由于硬密封球阀钢球和阀座间挤压力更大，在球阀进行启闭转换时，金属钢球和金属阀座之间产生滑动摩擦，根据材料力学可以得知，硬度相近的金属间进行滑动摩擦很可能会拉伤密封面（在密封面产生划痕）。在硬密封球阀中，一般采用在阀座后加弹簧（碟簧或柱簧）来对比压力进行微调。这样，一定程度上使密封力在一定范围内，都能达到密封。

    2.1.2 阀座压环的调节作用

    前文分析了弹簧的调节作用，弹簧的弹性与压缩量是呈线性或者二次曲线函数关系的，且有效值范围很短，所以仅仅在极细微小的范围内进行调节。当阀门出现泄漏而且比压力高出标准或者低于标准阀位较大时，需要通过安装在阀座后面的阀座压环厚度来调节。

    2.1.3 工况原因造成的密封面泄漏

    事实上，对于硬密封球阀的作用，造成最大的困扰不是技术上的问题，即使设计的足够精密，在实际使用过程中，仍然会处一些问题，这种问题一般出现在煤化工行业，多晶硅行业，这些工况的共同特征是，介质不是由单一的气体或液体组成，其中有大量的固体颗粒，这些固体颗粒对钢球和阀座的流道口造成强烈的冲刷，甚至穿过流道口进入密封面，就能对密封面造成致命性的破坏。

    对于这种情况导致的阀门返修情况占了维修量的20%以上。英密封球阀的钢球和阀座密封面要求很高，一旦划痕超过0.1mm，基本上就没有再研磨利用的可能，使用一旦出现这种情况，往往就是球座同时报废．所以应尽量把这种情况减少到最低。

    将阀座密封面两侧修出两个阶梯，即为“双刮刀“结构，两侧的阶梯就像两把刮刀，在钢球启闭的过程中，可以有效的刮除吸附在钢球上的固体颗粒，避免其进入密封面。当然，这种阀座一般仅用于工况固体颗粒较多的情况，对于水、汽介质，刮刀结构减小阀座强度，且增加加工成本，没必要。

    2.2 扭力值过大

    经统计，密封面泄漏在故障总量中占到20%，而扭力过大问题，在故障中至少占40%的几率．硬密球阀由于其特殊的密封机理，扭力本来就比同规格软密封球阀要大3－4倍，在泥泞，粉尘等吸附能力超强的介质工况下，固液混合物吸附在钢球和阀座密封面的外部，造成钢球启闭时扭力极大，甚至出现“卡死“现象，如果强行启闭，甚至造成阀杆扭坏。

    目前并没有找到完善的解决办法．大多数情况都是拆卸维修，刮除泥浆。预防方面，可以从以下几个方面着手：

    ①“双刮刀”结构，刮除泥浆，远离密封面。

    ②流道口形状尽量做成流线型，棱角处更容易积聚泥沙。

    ③采用自动驱动器驱动，一是加快启闭速度，减少泥浆冲蚀、黏附密封面时间。二是安全作用，因为驱动器的扭力是有上限的，当钢球卡死，不至于强行扭坏阀杆或割伤密封面。

    3 结语

    综上所述，硬密封球阀生产精度要求高，工况恶劣，要想使硬密封球阀能够少出故障，保持较长寿命，需要把握以下几个方面：

    ①设计、选型要结合实际工况，选择合适的材料，结构。

    ②生产过程要严格把握精度，出厂做好每一步测试。

    ③使用过程中要严格按照产品生产说明书。

    ④常做检查维护，如果出现问题及时维修或更换，以免出现安全事故。

    硬密封球阀在目前石油，化工等行业应用越来越广泛，也逐步朝着大规格、高压力的方向前进，在实际的生产的使用中，还会遇到各种问题需要解决，相信每一个阀门行业的工作者都会感到充满挑战和机遇。