球阀阀座密封结构的探讨

    一、前言

    球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体通道。而阀座是球阀中最重要的部件之一，球阀关闭时，它起到阻止介质从上游流到腔体、从腔体流到下游的作用。

    阀座的密封形式很多，常用的阀座密封可分固定阀座浮动球体和固定球体浮动阀座两大类。固定阀座浮动球体，是在流体压力作用下球体在流体流动方向产生位移，使它与后阀座密封而更紧密地接触，形成单面密封。固定球体浮动阀座，是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。可形成双面密封。固定球体浮动阀座双可分双截断和排放（DBB）、双隔离和排放（D1B）等结构。

    二、典型的阀座密封结构

    1.普通式软密封阀座

    普通阀座（见图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，能够补偿球体不圆度和表面微观不平度的程度，因此，阀座与球体之间必须具有足够大的密封比压Q_b，并应满足Q_b＜Q≤[Q]。

图1 普通式阀座

    2.弹性式软密封阀座

    弹性阀座（见图2）除了与普通阀座一样外，还由于阀座本身的特殊结构或借助于弹性元件，如金属弹簧架、弹簧等方法，在预紧力或流体压力下产生弹性变形，以补偿温差、压力、磨损等外界条件变化对球体密封性能的影响。

图2 弹性式阀座

    3.弹簧组合式阀座

    弹簧组合阀座（见图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形弹簧的推力，始终保持阀座压紧球体而达到预紧状态。

图3 弹簧组合式阀座

    4.活塞式阀座

    （1）双截断泄放阀座（DBB）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；一旦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，如图4所示。

图4 双截断泄放阀座

    （2）双隔离泄放阀座（D1B）进口压力产生的密封力，使阀座压紧球体，密封圈产生弹塑性变形实现密封；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。它在使用时，一旦上游密封意外失效产生泄漏，下游阀座实现密封，如图5所示。

图5 双隔离泄放阀座

    （3）双重密封式阀座对于承受较大密封力的橡胶密封阀座，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，如图6所示。

图6 双重密封式阀座

    5.特殊结构型阀座

    （1）内、外调节式阀座    内调式阀座（见图7a），是阀座与球体之间的密封比压，靠内调整螺母调节的，它的优点是没有向外的泄漏点。外调式阀座（见图7b），是阀座与球体之间的密封比压，靠外部调节螺塞来压紧楔块，使伸缩套产生位移来实现调整。

图7 内、外调节式阀座

    （2）波纹管式阀座波纹管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，具有密封性可靠，弹性补偿范围大，如图8所示。

图8 波纹管式阀座

    （3）注脂密封式阀座为了增加密封性能，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，如图9所示。注脂密封仅起辅助密封作用或作为临时应急措施。

图9 注脂密封式阀座

    （4）双推动式阀座当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力矩更小，适合于高中压大口径球阀，如图10所示。

图10 双推动式阀座

    （5）组合式阀座该阀座（见图11）实际上是由弹簧组阀座与活塞式阀座相结合而成，前者起主要密封作用，后者接通控制压力，起辅助密封作用。

图11 组合式阀座

    6.硬密封阀座结构

    （1）本体堆焊密封阀座堆焊阀座（见图12）就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12 本体堆焊密封阀座

    （2）多层次密封阀座 多层次密封阀座（见图13）就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而成的，提高了高温高压下的性能。

图13 多层次密封阀座

    （3）空心管密封阀座 空心管密封阀座（见图14）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14 空心管密封阀座

    （4）旋转式密封阀座旋转阀座（见图15）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系列齿牙，球体每关闭一次，阀座旋转一个齿。这样设计的目的是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。

图15 旋转式密封阀座

    三、阀座密封材料

    影响密封性能的因素很多，也很复杂。主要有：密封面的质量、材料、结构、尺寸及流体的性质、温度等。阀座密封材料主要有两大类，一类是特殊高分子材料，二类是金属密封材料。

    1.特殊高分子材料

    高分子材料，它可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。这里介绍特殊高分子材料所采用的阀座密封材料。

    （1）聚四氟乙烯（PTFE）聚四氟乙烯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因数（0.05）等特点，具有“冷流倾向”。可长期工作在－250～260℃之间，可承受5MPa载荷，抗伸强度为10～30MPa，弹性模量为400MPa，抗压强度为7.0MPa，弯曲强度为14MPa。能耐浓酸、浓碱、强氧化剂（如王水）以及任何浓度沸腾的氢氟酸等所有其他介质，故有“塑料之王”之称。

    （2）聚三氟氯乙烯（PCTFE）聚三氟氯乙烯具有优良的耐寒性，强度和硬度都相当高，尺寸稳定性好，没有“冷流倾向”。使用温度在－195～120℃，抗伸强度为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、盐溶液，较低温度下的强氧化剂，也能耐室温下的大多数有机介质。

    （3）聚全氟乙丙烯（PFEP）聚全氟乙丙烯具有耐高温、低温性能，可在－85～205℃范围内长期工作，抗伸强度为19～20MPa，抗压强度为7.0MPa，弯曲强度为14MPa。具有与聚四氟乙烯相当的优异的化学稳定性，能耐所有的各种浓度的无机酸、碱、醇、酮、烃类、卤代烃、芬烃、油脂以及去污剂等。

    （4）聚酰胺（简称N1010）聚酰胺俗称尼龙，在常温下具有较高的抗伸强度，良好的冲击强度，高的硬度和疲劳强度，特别是耐磨性和自润滑性能优异，低摩擦因数（0.03）等特点。密度为1.5g/cm³，热导系率为0.25W/（m·℃），线胀系数约在10.5×10^-5/℃，抗伸强度为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，耐油性能极为优异。

    （5）对位聚苯（简称PPL）对位聚苯具有耐高温性、耐化学腐蚀及抗溶剂性、自润滑性和耐辐射性，低摩擦因数（0.13）等特点。密度为2g/cm³，线胀系数约5.1×10^-5/℃，硬度为80HS，抗伸强度为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（简称PEEK）聚醚醚酮具有热固性塑料的耐热性，化学稳定性和热塑性塑料的成形加工性能，最突出的性能是耐热性，最高连续使用温度可达240℃以上，玻璃纤维增强可达300℃以上，密度为1.3g/cm³，抗伸强度为162MPa，弯曲强度为233MPa。耐腐蚀性，除浓硫酸及硝酸外，能耐大多数酸及无机溶剂的侵蚀，可在200～260℃的蒸汽中长期使用。

    （7）聚酰亚胺（简称PI）聚酰亚胺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力学性能，抗伸强度为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。

    2.金属堆焊密封材料

    金属密封即金属对金属密封，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。主要采用热喷涂、电弧喷涂、喷焊、堆焊、表面渗氮、化学镀HCr、化学镀镍以及镀镍磷合金等工艺。常用材料主要有铬基硬质合金（见表1）、钴基硬质合金（见表2）焊条。

表1 铬基硬质合金

表2 钴基硬质合金

    四、各种结构阀座的应用及工况

    （1）软密封阀座

    球阀的截止作用是靠金属球体在介质的作用下，与塑料阀座之间相互压紧来完成的（浮动球球阀）。阀座密封圈在一定的接触压力作用下，局部地区发生弹塑性变形。这一变形可以补偿球体的制造精度和表面粗糙度，保证球阀的密封性能。

    软密封球阀通常是采用橡胶、尼龙和聚四氟乙烯等塑料作为阀座密封圈材料，因此它的使用温度受到阀座密封圈材料的限制，而且带颗粒状的介质使得密封圈损坏。故在选择球阀的结构和性能上，要考虑球阀的耐火、防火和粉末状，特别是在石油、化工、冶金等行业，在易燃、易爆介质的设备和管路系统中使用球阀，更应注意耐火和防火。

    （2）硬密封阀座

    硬密封球阀的最大特点就是它的密封副都是金属与金属密封，阀座堆焊了硬质合金，表面硬度高达60HRC，使用温度高达500℃，工作介质可以是泥浆、黑灰水、煤炭粉等固体硬颗粒介质，在石油、石油化工、化工、电力以及城市建设中，工作温度在200℃以上的管路系统可选用。

    （3）阀座防火结构

    管线球阀的防火结构设计中，阀座防火结构的设计是关键，它能够有效保证在火灾事故时，减少介质的内漏和外漏。保证在消防队员到达事故现场前，不因阀门使火灾事故扩大。在火灾情况下，阀座泄漏的途径一般有三种：介质通过阀座与球体之间；阀座注脂孔与阀体之间；阀座与阀体之间产生泄漏。解决的办法在O形圈与中腔之间设计一道防火圈和球体与阀座之间设计防火圈。

    （4）特殊阀座

    随着能源竞争的加剧和长输管道工业的发展，在原油管输技术方面，针对稠油开采量的增加及原油开采向深海发展的现状，世界各国都在大力进行高黏易凝原油长距离管道常温输送工艺的试验研究；天然气管道正向大口径高压力方向发展。作为在长输管道上承担重要任务的管道球阀，它的内部工作环境就会变得更加恶劣，要求其更加耐磨、耐蚀、耐冲刷。这就需要有特殊的阀座相配套，才能满足市场开发的需要。

    五、结语

    硬阀座和软密封圈是球阀最关键的部件，密封圈应具有优良的化学稳定性、较小的摩擦因数、不易老化以及稳定的密封性能。阀座应具有一定的强度和刚度，配合间隙适中，受压时不易变形。特别是金属硬密封阀座，对阀座密封功能提出苛刻的要求，需满足高温、高压、强腐蚀、超低温、零泄漏、长寿命、防火安全、耐压和耐磨等功能。