弹簧组弹性阀座结构分析

    1 概述

    弹簧组弹性阀座是一种在阀门流体通道的横截面圆周上均匀布置一组压缩弹簧，利用弹簧的推力使得密封圈与球体紧密接触，达到预紧密封作用的阀门密封结构。

    弹簧组弹性阀座在固定球阀中使用时，在球阀的阀前和阀后都要布置弹性阀座。这样的布置在改变球阀相关几何参数情况下，可以实现球阀的阀前密封、阀后密封及阀前阀后双面密封。而对于这三种密封形式，结构相似但是特点不同，可以满足不同的工作需要。因此弹簧组弹性阀座在固定球阀中，不论高温、低温及普通温度都有应用。

    2 弹簧组弹性阀座

    弹簧组弹性阀座是利用弹簧组达到预紧接触密封，依靠流体压力实现密封的阀门密封结构。具体结构简图如图1所示。

1.阀体2.弹簧3.阀座密封圈4.阀座

5.球体密封圈6.球体

图1 弹簧组弹性阀座 

    其中d₁为阀体接触面中径；d₂为球体接触面中径。d₁与d₂的大小关系是决定弹簧组弹性阀座三种密封形式的关键。当d₁＞d₂时，弹簧组弹性阀座为阀前密封阀座；当d₁＜d₂时，弹簧组弹性阀座为阀后密封阀座；当d₁＞d₂；d₁'＜d₂'时，弹簧组弹性阀座为双面密封阀座。

    2.1 弹簧组弹性阀座阀前密封

    当d₁＞d₂时，弹簧组弹性阀座为弹簧组阀前密封弹性阀座结构如图2所示。此时，阀座的流体受压面积A1大于球体密封圈反向受压面积A2。此时，阀前阀座在弹簧预紧密封力和流体在A1和A2受压面压差推力作用下，球体密封圈紧紧贴到球体上，实现阀门的密封。此时，阀后阀座不起密封作用。

图2 弹簧组阀前密封弹性阀座

    对于阀后阀座的结构，并没有明确的规定。其设计需要根据阀门体腔泄压形式决定。对于泄压流体排放到阀前，这种结构的体腔泄压流体，由于阀体中流体的压力作用，将有很大一部分体腔流体无法排除。对于泄压流体排放到阀后，在阀门关闭时，下游压力降低可以将体腔内大部分的流体排除。而当采用泄压流体排放到阀后结构时，阀后阀座结构形式必须采用腔内阀座受压面积A3大于腔外阀座A4受压面积的结构，如图3所示。

图3 阀后阀座结构

    此结构：d₁'＞d₂'；A₃＞A₄。当中腔压力升高时，流体阀座受压面积A3大于阀座反向受压面积A4，在流体的压差推力作用下球体和球体密封被推开，高压中腔流体排放到阀后管道中去，实现泄压。

    对于阀前阀座密封，其优点：阀门的填料函、阀盖及大部分阀体不用承受流体的压力；阀门体腔不会存在大量介质侵蚀填料、阀盖等；当体腔意外升压时，能将流体迅速排出，避免了对阀门的冲击；阀后也不会形成积液区。所以，阀前阀座密封特别适用于腐蚀性介质和低温液体气化的场合。缺点：密封力作用在球体上，转动球体所需的转矩荷载很大，阀杆受到较大的带动推力；对于密封比压的计算精度要求较高，密封比压过大时，就会造成阀座过载和球体转动转矩较大；密封比压较小时，就会造成阀座密封失效；只能在一定压力范围内使用。

    2.2 弹簧组弹性阀座阀后密封

    当d₂＞d₁时，弹簧组弹性阀座为弹簧组阀后密封弹性阀座结构如图4所示。

图4 弹簧组阀后密封弹性阀座

    当d₁＞d₂时，前阀座流体受压面积A₁小于球体密封圈反向受压面积A₂。此时，流体在A₁和A₂受压面压差推力作用下，将球体密封圈推离球体，产生流体间隙通道，流体进入到球阀的体腔中。而后阀座的流体受压面积A₃小于受压面积A₄。进入中腔中的介质，在受压面A3和A₄上产生压差推力，将后阀座密封圈紧紧贴到球体上，实现阀门的密封。

    对于阀后密封弹簧组阀后密封弹性阀座来说，阀前阀座和阀后阀座结构基本相同。阀前阀座：d₁＜d₂；A₁＜A₂。阀后阀座：d₁'＜d₂'；A₃＜A₄。

    对于阀后阀座密封，其优点：流体进入到体腔中，利用后阀座密封。因此流体压力在球体和阀座上的有效作用力小，球体的转动需要的转矩就小、阀杆轴承受力也小。因此，适用于高压大通径场合。轴承具有自润滑性。缺点：流体始终存在体腔中，对于填料、阀盖的密封、阀体都是不利的；不适合控制腐蚀性流体；不能自动泄压，低温液体气化场合使用，必须设置泄压装置；要充分保证d2＞d1，相比就要缩小流通管径或者增大球体和阀体的尺寸。

    2.3 弹簧组弹性阀座双面密封

    当d₁＞d₂；d₁'＜d₂'时，弹簧组弹性阀座为弹簧组双面密封弹性阀座结构如图5所示。

图5 弹簧组双面密封弹性阀座

    弹簧组双面密封弹性阀座其实为弹簧组弹性阀座阀前和阀后密封的结合。阀前阀座：d1＞d2；A1＞A2；阀后阀座：d1'＜d2'；A3＜A4。这样无论是体腔中没有渗入流体或渗入或多或少的流体产生高于、低于管道内流体压力的现象，都能实现球体密封圈对阀门的密封作用。

    对于双面阀座密封，其优点：密封性能可靠；总会有或多或少的流体进入中腔，产生一定的压力作用在球体、阀座上，球体的转动扭矩荷载小。所以，使用在对于密封要求较高的场所。缺点：双面阀座密封无法实现自动泄压。因此，在控制液化气体时，必须设置泄压装置。

    3 结论

    固定球阀弹簧组弹性阀座是一种涉及高、低和普通温度的密封结构，应用十分广泛。三种形式的密封结构特点各不相同，在应用时必须选择正确。密封压比受受压面积压差推动力、预紧弹簧弹力及滑动摩擦力影响。同时受到受压面积压差推动力影响较大。然而，两受压面中径尺寸一般相差不大。所以设计时必须进行精确的计算。

    （1）固定球阀弹簧组弹性阀座的阀体接触面中径d₁和球体接触面中径d2的大小关系决定了阀门的三种密封形式。

    （2）固定球阀弹簧组弹性阀座的密封比压（即密封的可靠性）主要取决于阀体接触面中径d1和球体接触面中径d₂的比例关系。

    （3）对三种密封结构来说，阀前阀座密封，可以使用在压力P≤10MPa的腐蚀和液化气体中以及阀门通径较大的场合；阀后阀座密封，通常使用于压力P≥16MPa的80～100通径的阀门中；双面密封，特别使用于危险的对密封要求高的场所。