球阀阀座结构分析

    1 概述

    球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体通道。球阀的工作原理是借助驱动装置在阀杆上端施加一定的转矩传给球体，使其旋转90°，完成开启或关闭阀门的动作。球阀阀座的密封原理依其结构而异，常用的阀座结构可分为固定阀座浮动球体与浮动阀座固定球体两大类。当阀座固定球体浮动时，在流体压力作用下球体在流体流动方向产生位移，使它与阀后阀座密封而更紧密地接触，即在该密封面上的比压增大，形成单面密封，同时，阀前阀座密封面上的比压相应减小，往往不保证密封。当阀座浮动球体固定时，流体压力不能使球体产生位移，而是阀座借助于弹簧或流体推力压向球体，建立密封比压。

    2 结构

    2.1 软密封阀座

   （1）普通式

    普通阀座（图1）的特点是在预紧力或流体压力作用下阀座与球体压紧，并使阀座材料产生弹塑性变形而达到密封，其密封效果取决于阀座在流体压力或预紧力的作用下补偿球体圆度和表面微观不平度的能力。因此，阀座与球体之间必须具有足够大的密封比压。

（a）圆弧式（b）锥面式（c）带防火式（d）带内环式

图1 普通阀座

   （2）弹性式

    弹性阀座（图2）借助于弹性元件，如金属弹簧架和弹簧等，在预紧力或流体压力下产生弹性变形，以补偿温差、压力和磨损等外界条件变化对球体密封性能的影响。

（a）单斜面式（b）双斜面双线式（c）V形线型自封式（d）特殊式

图2 弹性阀座

   （3）弹簧组合式

    弹簧组合式阀座（图3）是沿阀门通道横向截面圆周均布一组压缩弹簧或仅用一只碟型弹簧的推力，始终保持阀座压紧球体而达到预紧状态。

（a）压缩弹簧式   （b）碟形弹簧式

图3 弹簧组合式阀座

 ♂

   （4）活塞式阀座

    活塞式阀座（图4）是依靠进口介质压力产生密封力，阀座被推动压紧球体，密封圈产生弹塑性变形实现密封。

（a）截断泄放阀座（b）双倍运动阀座（c）双级密封式阀座

图4 活塞式阀座

    截断泄放阀座在阀腔内的压力异常升高到大于下游端压力时，形成的压差作用产生向外推力，克服弹簧力使阀座与球体脱离，实现阀腔的压力向下游排放，之后在弹簧的作用下，阀座重新与球体贴合。

    双倍运动阀座是当中腔压力大于出口压力时，使阀座压紧球体，密封圈产生弹塑性变形实现密封。该阀使用时，一旦上游密封意外失效产生泄漏，下游阀座实现密封。

    双级密封式阀座对于承受较大密封力的采用橡胶和塑料组合密封结构，橡胶主要起密封作用，塑料起支承和辅助密封双重作用。

   （5）特殊结构式

    特殊结构式阀座（图5）有内或外调节式、波纹管式、注脂密封式、双推动式和组合式。

（a）内、外调节式（b）波纹管式（c）注脂密封式（d）双推动式（e）组合式

图5 特殊结构式阀座

    内调节式阀座是阀座与球体之间的密封比压靠内调整螺母调节，其优点是没有向外的泄漏点。外调节式阀座是阀座与球体之间的密封比压靠外部调节螺塞压紧楔块使伸缩套产生位移进行调整。

    波纹管式阀座一般采用电子束焊或氩弧焊与阀座和导向套相连。设计时，应保证阀座密封中心小于波纹管中径，此结构具有密封性可靠，弹性补偿范围大，三维空间灵活的特点。

    注脂密封式阀座可以增加密封性能，减小阀座的摩擦和磨损，延长使用寿命，并防止球阀在使用过程中，因阀座损坏或火灾而造成事故。可在阀座上增设一组注脂孔。注脂密封仅起辅助密封作用或作为临时应急措施。

    双推动式阀座是当N室与控制压力接通时，阀座与球体压紧并保持密封。当M室通控制压力而N室向外界排出压力时，阀座即后退，使之与球体脱离接触，阀座与球体之间的磨损和摩擦以及操作转矩更小，适合于高中压大口径球阀。组合式由弹簧组阀座与活塞式阀座组合而成。前者起主要密封作用，后者接通控制压力，起辅助密封作用。

    2.2 硬密封阀座

   （1）本体堆焊式

    本体堆焊式阀座（图6）是在某种金属材料上堆焊硬质合金，阀座带有一个弹性尾座，有利于减少密封面的摩擦损伤。

图6 本体堆焊式阀座

 ♂

   （2）多层式

    多层式密封阀座（图7）是多层不锈钢片和多层薄石墨片交替叠放经特殊的加工手段卷压制而成的，提高了高温高压下的性能。

图7 多层式密封阀座

   （3）空心管式

    空心管式密封阀座（图8）内外是衬套，中间是不锈钢管，靠空心的弹力使阀座压紧球体。

图8 空心管式密封阀座

   （4）旋转式

    旋转密封阀座（图9）主要特点是阀门在启闭过程中，阀座可沿通道轴线作旋转运动，其结构在阀座的圆周上分布一圈齿牙，球体每关闭一次，阀座旋转一个齿。这样使阀座沿圆周产生均匀磨损，从而改善了阀座工作状况，延长了阀座的使用寿命。

    3 密封材料

    阀座密封材料主要有特殊高分子和金属密封2类。

图9 旋转式密封阀座

    3.1 特殊高分子材料

    高分子材料分通用高分子材料和特殊高分子材料两大类。通用高分子材料主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、酚醛树脂和呋喃树脂等。特殊高分子材料主要有聚四氯乙烯、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯、聚醚醚酮和聚酰亚胺等。

    （1）聚四氟乙烯

    聚四氟乙烯（PTFE-F4）具有优良的耐热性和耐寒性，并具有不粘性、良好的自润滑性和低摩擦系数（0.05）等特点，但是有冷流倾向。可长期工作在-250~260℃之间，可承受5MPa载荷，密度为2.2g/cm3，导热系数为0.25W/（m.c），线膨胀系数为（10~15）×10-5/℃，抗拉强度为10~30MPa，弹性模量为400MPa，抗压强度为710MPa，弯曲强度为14MPa。能耐浓酸、浓碱、强氧化剂（如王水）和任何浓度沸腾的氢氟酸等介质。

    （2）聚三氟氯乙烯

    聚三氟氯乙烯（PCTFE-F3）具有优良的耐寒性，强度和硬度高，尺寸稳定性好，无冷流倾向。使用温度在-195~120℃，密度为2.1g/cm3，导热系数为0.058W/（m.c），线膨胀系数为（415~710）×10-5/℃，抗拉强度为35~40MPa，弹性模量为1300MPa，抗压强度为50~70MPa，弯曲强度为70MPa。能耐较高温下的无机酸、较低温度下的盐溶液强氧化剂，也能耐室温下的大多数有机介质。

    （3）聚全氟乙丙烯

    聚全氟乙丙烯（PFEP-F46）具有耐高温和耐低温性能，可在-85~205℃范围内长期工作，密度为2.1g/cm3，导热系数为0.25W/（m.c），线膨胀系数为（9.5~19.6）×10-5/℃，抗拉强度为19~20MPa，抗压强度为710MPa，弯曲强度为14MPa。具有与聚四氟乙烯相当的化学稳定性，能耐各种浓度的无机酸、碱、醇、酮、烃类、卤代烃、芬烃、油脂和去污剂等。

    （4）聚酰胺

    聚酰胺（N1010）在常温下具有较高的抗拉强度，良好的冲击韧性，高的硬度和疲劳强度，特别是耐磨性和自润滑性能优异，低摩擦系数（0.03）等特点。密度为1.5g/cm3，导热系数为0.25W/（m#c），线膨胀系数约为10.5×10-5/℃，抗拉强度为196MPa，弹性模量为1300MPa，抗压强度为310MPa，弯曲强度为310MPa，耐化学性能良好，耐弱酸、弱碱和一般溶液，耐油性能优异。

    （5）对位聚苯

    对位聚苯（PPL）具有耐高温性，耐化学腐蚀性，抗溶剂性，自润滑性，耐辐射性，低摩擦系数（0.13）等特点。密度为2g/cm3，线膨胀系数约为5.1×10-5/℃，硬度为80HS，抗拉强度为16MPa，抗压强度为48MPa，弯曲强度为28MPa。能耐硫酸、氢氟酸等强酸强碱的腐蚀。

 ♂

    （6）聚醚醚酮

    聚醚醚酮（PEEK）具有热固性塑料的耐热性，化学稳定性和热塑性塑料的成型加工性能，连续使用温度可达240℃以上，玻璃纤维增强可达300℃以上，密度为1.3g/cm3，抗拉强度为162MPa，弯曲强度为233MPa。除浓硫酸及硝酸外，能耐大多数及无机溶剂的侵蚀，可在200~260℃的蒸汽中长期使用。

    （7）聚酰亚胺

    聚酰亚胺（PI）是一种新型耐高温工程塑料，可在-240~260℃的空气中长期使用，具有优异的电绝缘性、耐磨性、抗高温辐射性能和物理机械性能。抗拉强度为100MPa，弹性模量为4MPa。在室温下能耐稀酸和大多数有机溶剂，但不耐强氧化酸和强酸，也不宜长期浸于水中。

    3.2 金属密封材料

    金属密封表面硬度高且有合适的硬度差。可通过表面硬化来提高硬度，增强耐磨性能。金属密封材料主要有铬基硬质合金、钴基硬质合金、镍合金、碳化钨、不锈钢等（表1）。

表1 金属密封材料

    4 结语

    阀座和密封圈是球阀的关键部件。密封圈应具有优良的稳定性，较小的摩擦系数，不易老化，密封性能好。阀座应具有一定的强度和刚度，间隙适中，受压时不易变形。金属密封阀座应满足高温、高压、强腐蚀、超低温、零泄漏、长寿命、防火安全和耐压耐磨等功能。