球阀密封结构的分析及研究

1 前言

    全通径球阀具有流体阻力小，节省能源，流向不受限制，启闭快等优点。其综合技术性能比相同用途的闸阀、截止阀、旋塞阀和蝶阀均*。管路上采用高参数球阀作为启闭阀门来替代传统的闸阀、截止阀和旋塞阀已是近年来的发展趋势。设计制造出性能可靠、高参数、低成本的球阀是众多阀门研究、制造、选型和使用人员的共同愿望。

    2 球阀的发展

    因为球阀的球体与阀座密封的贴合面小于旋塞阀的塞子与塞体密封的贴合面，所以球体压向环形阀座的密封力和阀门的启闭力比旋塞阀大大减轻。约在1930年，国外即将旋塞阀的塞子改为球体，成为早期研究的球阀样品。当时的球阀采用金属整体球与金属阀座密封副，由于球体与阀座在密封时需相互贴紧，但是贴紧后，金属与金属之间又会咬死，球体旋转时扭矩增大，若强制旋转球体，密封面间会拉伤，所以阀门密封也就失效。由于这一矛盾无法解决，使球阀一直处于研究状态，未能工业化推广使用。直到1950年，世界上出现了高分子合成材料后，将球阀的阀座改用聚四氟乙烯、橡胶和尼龙等软质材料，软密封阀座的球阀才工业化推广使用。

    1970年后，软密封阀座的球阀在我国也得到较大的推广使用。但是聚四氟乙烯、橡胶和尼龙等软密封阀座不适用于高温介质，并且不适用于防火型阀门，所以限制了球阀替代闸阀、截止阀和旋塞阀的使用范围。要提高球阀的可靠性和技术参数、延长使用寿命，采用金属密封副是球阀发展的必然趋势。

    为了减轻球阀金属密封副之间拉伤的矛盾，大约在1964年，国外研制出金属弹性阀座、金属浮动阀座和弹性加浮动阀座等球阀密封结构。这些结构虽能提高球阀的技术参数，并减轻拉伤问题，但金属密封副之间又出现易磨损、高温变形、弹簧槽中结渣、球体与阀座易卡死及寿命短等矛盾。1985年“撑开式阀门密封结构” （85204475.5）问世，在国内外首先提出将钢制整体球改为可撑拢的钢制组合球，当组合球需密封时，球瓣平行移动，向进、出口两端撑开，贴紧金属阀座。当组合球需旋转时，球瓣脱离金属阀座，金属密封面之间出现间隙后，组合球体旋转。受撑拢式组合球结构的影响，国内外先后出现了球体倾斜摆动密封结构类、组合球撑拢密封结构类和开发的球体沿基面滚动密封结构类球阀（尚未公开）。

    3 各类球阔分析

    目前，球阀已发展成10多种密封结构的产品。如软阀座密封结构、弹性阀座或浮动阀座密封结构、球体倾斜摆动密封结构和组合球撑拢密封结构等。

    3.1 软阀座密封结构

    软阀座密封球阀一般装有钢制整体球和聚四氟乙烯制成的软阀座，阀座依靠装配时的预紧力紧贴在球体上，固定球球体下端带有定位轴。驱动阀杆，带动球体逆时针旋转90°，球体的流道孔与进出口端流道孔*相通时，阀门开启。顺时针旋转90°，阀门关闭（图1）。

    软阀座密封球阀的优点有：① 全通径，流体阻力小，节省能源。②流向不受限制，阀门可任意位置安装。③ 阀门安装空间小。④ 开关迅速，只需旋转90°。⑤ 因系软（阀座）硬（球体）密封副，所以密封容易实现。⑥ 困球体正常贴紧软阀座，旋转时，球体表面在阀座表面滑动，故密封副间不结渣。⑦结构简单，制造成本低。

    软阀座密封球阀的缺点有：①聚四氟乙烯软阀座不耐中高温（≤200℃），如遇火灾事故，阀座即烧坏，不能工作。②因阀座贴紧球体的预紧力很大，所以球体旋转开关时，扭矩特别大，大口径和高压差时，不但要装旁通阀，还需减速启闭装置，启闭速度慢。如果是浮动球，球体在进口介质压力作用下还会压向出口端软阀座，该球阀启闭扭矩更大。③阀座贴紧密封面，球体旋转时，密封面间产生磨损，磨损后很难补偿。④软阀座密封面不耐高压差的介质冲蚀，特别是开关过程中zui严重，加之阀杆和球体旋转开关中不能自锁定位，所以该阀只能全开或全关，不能调节流量。⑤ 如遇阀腔中异常升压，阀腔中的升压很难与进口或出口端的压力平衡，所以易发生事故。⑥无上密封装置。

    3.2 弹性阀座与浮动阀座密封结构

    弹性阀座与浮动阀座的球阀一般由钢制整体球和钢制弹性阀座或钢制浮动阀座组成。钢制浮动阀座上一般镶嵌软阀座。浮动阀座球阀的球体下端带有定位轴。依靠弹性阀座上的弹性槽或浮动阀座后的弹簧作用，使弹性阀座或浮动阀座贴紧在球体上。驱动阀杆带动球体逆时针旋转90°，球体上的流道孔与进出口流道孔*相通时，阀门开启。顺时针旋转90°，阀门关闭（图2）。

    弹性阀座与浮动阀座的优点有：①全通径，流体阻力小，节省动力能源。②流向不受限制，阀门可任意位置安装。③阀门安装空同小。④开关迅速，只需旋转90°。⑤因浮动阀座上镶嵌了软阀座后，形成软（阀座）与硬（球体）密封副，所以密封容易实现。⑥因阀座贴紧球体，所以密封面间不结渣。⑦弹性阀座硬密封球阀和不镶嵌软阀座的浮动阀座球阀能适应中温介质。⑧如遇阀腔中异常升压，阀腔压力可与出口端压力自动平衡，预防事故。⑨弹性阀座硬密封球阀结构简单，制造成本低。

    弹性阀座与浮动阀座的缺点有：①弹性阀座或浮动阀座后面的弹簧在高温时容易失效，所以不适应高温介质，更不适应火灾事故。如浮动阀座上镶嵌软阀座，使用温度更低（≤200℃）。②浮动阀座后面的弹簧槽或弹性阀座上的弹性槽中易结渣，结渣后浮动阀座不能浮动，弹性阀座失去了弹性，易卡死金属球体，使球阀无法启闭，如强制旋转球体，密封表面即被拉伤，阀门失效。③浮动阀座上的软密封圈不但不适应中高温介质，在磨损后，很容易出现二次泄漏。④浮动阀座上镶嵌软阀座后有了前级密封，但很难检验软阀座后面的金属后级密封，当前级密封失效后，后级密封是否有效很难保证。⑤浮动阀座上镶嵌的软阀座密封不耐有压差的介质冲蚀，特别是开→关过程中zui严重。⑥弹性阀座或浮动阀座均贴紧球体，所以球体旋转时扭矩大，磨损严重，寿命短。大口径和高压差时还需装旁通阀。⑦因阀杆和球体旋转过程中，不能锁紧定位，所以不能调节流量，没有上密封装置。

    3.3 球体倾斜摆动密封结构

    球体倾斜摆动球阀分整体球、组合球和弹性槽结构。倾斜摆动整体球球阀为钢制整体球和钢制阀座。球体下端为万向节机构，上端为凸轮机构。阀杆通过凸轮机构将整体球依万向节的中心向阀门出口端摆动倾斜，压紧阀座，形成单向密封，球阀关闭（图3）。当整体球脱离阀座依万向节中心向中轴线摆动，再逆时针旋转90°，阀门开启。

    倾斜摆动组合球球阀或弹性槽球球阀装有钢制组合球或带弹性槽整体球及钢制阀座。球体下端为万向节机构或定位轴，上端为撑拢机构。阀杆通过撑拢机构将组合球或弹性槽整体球依万向节的中心或弹性槽终端向阀座摆动倾斜，压紧阀座，球阀关闭（图3）。当组合球或弹性槽球脱离阀座依万向节中心或弹性槽终端向中轴线摆动，再逆时针旋转90°，球阀开启。

    倾斜摆动密封结构的优点为：①全通径，流体阻力小，节省动力能源。②适应高温高压介质。③启闭扭矩轻。④启闭速度比闸阀、截止阀快。⑤如遇阀腔中异常升压，阀腔压力容易与进口端压力自动平衡，可预防异常升压事故。⑥倾斜摆动组合球球阀流向不受限制，可任意位置安装。⑦不需安装旁通阀。

    倾斜摆动密封结构的缺点为：①整体球或组合球均按万向节机构中心或弹性槽终端向阀座倾斜角度摆动，压向阀座密封。一般是阀座环形面下点与球体zui先接触，上点zui后接触，使阀座环形面的下点先密封，上点后密封。开启时，上点先脱开，下点后脱开，因而造成密封比压不均衡，受压力介质冲蚀不平衡，zui终使阀门的使用寿命减少。②倾斜摆动整体球球阀只能形成单向密封，流向受到限制，安装方向也受限制。③倾斜摆动组合球或弹性槽球球阀万向节机构的夹槽中或弹性槽中易结渣，结渣后球体无法收撑，球阀无法使用。④该球阀比软密封球阀结构复杂，特别是倾斜摆动组合球球阀体积大，制造难度大，很难保证精度。⑤无上密封装置。

    3.4 组合球撑拢密封结构

    组合球撑拢密封球阀的球体一般由球瓣、楔体或插板组合而成，楔体与球瓣用燕尾槽连接，插板与球瓣用斜槽和斜槽中的滚柱连接，组合球两边有钢制阀座。组合球下端装有定位轴，上端装有上密封装置。阀杆带动楔体或插板、滚柱下行，撑开与其连接的球瓣，平行移动压向阀座，球阀关闭（图4）。反之，楔体或插板、滚柱上行，收拢与其连接的球瓣离开阀座，进出口两端压力平衡，组合球逆时针旋转90°，球阀开启。

    组合球撑拢密封球阀是集普通球阀、闸阀和截止阀优点于一体的产品。①保留了一般球阀全通径，流体阻力小，节省能源，流向不受限制和可任意位置安装的主要优点。② 采用截止阀密封可靠和使用寿命长的密封原理，撑开球瓣贴紧阀座如同截止阀阀瓣平行移动压向阀座形成密封一样，无擦伤、磨损小，不怕密封面上贴附颗粒介质。组合球旋转开启阀门时，球瓣与阀座间已有间隙，在不接触状态下旋转，所以更无磨损。而且不论通径大小，压力及温度高低，均能达到甚至超过有关验收标准对密封性能的要求，做到零泄漏。③采用了闸阀楔形闸板方法撑拢球瓣，不但可靠，刚性好，而且在密封面磨损后可得到寿命补偿。④采用了闸阀的明杆启闭方法，使球阀的启闭扭矩跟闸阀一样轻。⑤能适应高温高压介质，具有高参数及防火的功能要求。⑥具有一般球阀没有的上密封功能。⑦大口径和高压差时，不需装旁通阀。⑧可调节流量，作调节阀使用。

    组合球撑拢密封球阀的缺点是：①结构复杂，制造困难。②体积较大，成本较高。③启闭速度较一般球阀慢。

    4 结语

    应多家阀门制造厂及设计院和阀门用户要求，笔者对上述各种球阀密封结构进行了初浅的分析和比较，仅供参考。上述球阀密封结构技术，有很多项系国内外技术，望采用时不要侵犯知识产权。