0 引言
球阀作为阀门压力管道、压力溶器、锅炉等设备中主要部件之一，用于控制介质流通或切断，它广泛应于天然液化气、电力、轻工、建筑、冶金等各个行业领域。橡胶O形密封圈（以下简称O形圈）作为一种低廉成本，适用于装在各类阀门中，在规定的温度、压力、以及不同的液体和气体介质中，于静止或运动状态下起密封保护作用。而当球阀处于关闭位置时，应达到规定的密封要求（或渗漏量要求），设计中选用O形圈作密封元件，能成功阻止渗漏，达到完全密封效应，特别是对于球阀在启闭过程中，阀杆做旋转运动时，O形圈的运动摩擦力很小，选用O形圈作密封元件，实现零泄漏要求。所以O形圈是球阀中应用最普遍、密封效果最佳的密封元件之一。
1 应用范围
球阀是一种在不同工况环境下，可通过手动驱动装置、气动驱动装置或电动驱动装置实现启闭的阀门，在球阀生产制造中，O形圈又是一种适合多种密封形式的密封元件，它的动态密封和静态密封在各类球阀的密封性能中发挥重要的作用。以两片式球阀为例，如图1所示。O形圈在端面上和阀杆中能有效阻止各类介质的泄漏，确保阀门系统正常运转。O形圈安装在两端面上它属静态密封效果，安装在阀体中孔与阀杆上属动态密封效果。两种密封效果都完全满足球阀的设计需求。
图1 两片式球阀
（1）静态密封
O形圈属于挤压密封，挤压型密封结构的基本特点依靠密封件发生弹性变形、在密封接触面上造成接触压力，当接触压力大于被密封介质的内压时，则起到密封作用，反之导致渗漏。两片式球阀的左、右端体为金属对金属接触，属于静态密封结构，为了减小或消除它们之间的密封面间隙，在设计时选择O形圈作密封元件，当介质压力较小时呈静止状态，所需密封力很小，此时靠装配时的预紧力在O形圈弹力的作用下，即可保证左、右端体密封；当介质压力不断升高时，密封比压也随着增大，O形圈骤然膨胀，此时O形圈有效地阻止了两端缝隙间的泄漏点，球阀的密封性能因而得到保证（如图2）。
图2 静态密封
（2）动态密封
当球阀作启、闭动作时，无论采用何种驱动方式，阀杆都要作旋转运动，为防止介质通过中孔间隙窜出，在阀杆处勾一凹槽嵌入O形圈（如图3），虽然阀杆作往复转动90°，但由于O形圈的摩擦小和良好的自润滑性，它们相互配合起到良好的密封效果。为了保证阀座与阀芯形成良好的密封副，同样在阀座内加工一凹槽，把O形圈安装其中（如图4），当阀腔介质压力升高时，在弹簧力的推动下，阀座向阀芯产生位移，在O形圈高弹性能的作用下，保证了管道内腔的密封性，此时O形圈在管道中启动态密封效果，前两种结构形式中，O形圈同属于动态密封结构。
图3 动态密封
图4 零泄漏密封
（3）零泄漏密封
球阀的密封结构分为金属密封和软密封两种结构型式，相对于软密封结构而言，金属密封结构的阀门泄漏率较高，按API阀门泄漏等级规定，如果金属密封结构的泄漏等级要达到Ⅵ（相当于零泄漏量），温度要求小于200℃以下，此时不管是静态密封，还是动态密封的球阀选用O形圈作密封件，完全满足各项设计参数。对于燃气球阀来说，为了防止气体介质通过各种渠道渗漏，造成易燃易爆，在各泄漏点处嵌入O形圈，能有效地防止阀体渗漏的间隙值小于0.001μm，从而实现零泄漏，所以它特别适用于需要用气体、粉尘等介质的特殊工况场合。
3 材料选用
O形圈材料种类繁多，有氟橡胶（FKM）、丁腈橡胶（NBR）和硅橡胶（VMQ）、乙丙橡胶（EPDM）、天然橡胶（NR）等等，在球阀中常用的O形圈材料一般采用氟橡胶、丁腈橡胶和硅橡胶等，对于要求温度高的球阀，比如大于等于200℃以上的球阀，建议选用其它形式的密封元件。球阀中应用的O形圈材料不但与温度、介质、压力有关，而且受使用工况环境和各项综合因素的影响而产生相应的变化。
（1）温度
温度是影响O形圈使用范围的主要因素之一，在球阀设计过程中，选用的O形圈适用温度一般为－29～180℃，高温或低温工况的球阀，要另外选择特殊合成材料为能料制成的密封件，才能达到密封性能的使用要求。
在常用的橡胶材料中，参阅标准中的规定。氟橡胶具有优越的耐高温性能，普通氟橡胶工作温度范围－25～240℃，而特殊牌号的全氟醚橡胶可承受300℃的恒温或340℃的瞬间高温而不发生硬化和膨胀失效。因此，对于其它工况高温下使用的球阀，可适当考虑选用全氟醚橡胶。
橡胶在低温工况下使用会脆化而失去密封效果作用，所以，低温球阀一般不推荐使用。硅橡胶是橡胶材料中耐低温能力最强的材料之一，虽然它可达到－100℃，但它的拉伸强度低，抗磨损性能差。一般不能用于旋转动密封部位。所以，对于低温工况的球阀不适合选用，从有关资料得知，硅橡胶的使用温度为－60～220℃，它在保持硅橡胶耐温性能的基础上，增强了耐化学性能和机械力学性能。
（2）介质
球阀作为阀门中五大阀之一，适用于不同工程行业。针对不同的介质，选择合适的橡胶材料和适当能料的O形圈是非常必要的。如氟橡胶O形圈具有抗燃性和良好的气密性、耐臭氧性及优良的抗腐蚀性。硅橡胶O形圈更适用于粉尘、颗粒介质的球阀。丁腈橡胶O形圈对耐油、酸碱、磨、化学侵犯等环境中有良好的密封、减震作用。因此，酸性介质、油、水、气、氧化性和还原性等其它混合化学的介质在球阀中都可选择合适的O形圈。
（3）压力
根据O形圈的化学原理；O形圈的硬度一般为邵氏50～90，当阀门压力管道较低时，为节约环保，应优选硬度为邵氏50～70的O形圈，当阀门压力管道较高时，为安全角度考虑，应推荐选取硬度为邵氏70～90的O形圈，当管道压力大于等于150LB或1.0MPa时，应把O形圈嵌入在金属凹槽内，防止O形圈随着压力的变化而被挤压变形。另外，高压时，O形圈易发生破损。即O形圈在高压的作用下，经过长时间高压气体分子渗入内部，当O形圈外部压力瞬间降低时，内部高压气体分子就容易急速扩散而撑破O形圈，如阀座处的密封O形圈，当球阀作旋转开启时，阀腔内部压力瞬时泄放介质，会发出巨大的声音，此时，取出O形圈就发现已破裂，说明球阀密封性能已失效。由此可见，在此情况下，阀座密封建议使用致密封性高的O形圈，或适时更换O形圈密封，才能确保阀门管道的正常工作。
4 失效分析及处理方法
通过长期的使用和试验实践，引起O形圈失效的综合因素有三种。
（1）与介质不相容
在日常球阀产品设计中，所选的O形圈与流道介质不相溶，会造成腐蚀、溶胀变形和断裂，出现这样的问题，将严重影响球阀产品质量。比如：硝酸、硫酸和氯化钠等酸碱性浓度大的介质，在球阀设计时，就要慎重考虑O形圈的应用是否合适。
（2）疲劳失效
在燃气阀门管道使用的三片式燃气防火球阀中。如果球阀的压力为4.0MPa，而使用工况的实际压力为6.3MPa，把球阀安装在压力管道中运行一段时间发现支承圈处的O形圈密封失效，经分析，由于实际工作压力使用范围大于管道系统波动范围，而且它们相互之间的压力非常相近，启闭频率高，致使O形圈往复收缩，O形圈达到规定寿命极限。导致O形圈疲劳失效，为了保障管道系统工作的正常动转，必须制订定期更换O形圈的时间表或减少球阀的启闭次数。
（3）永久变形失效
应用在球阀上的所有密封件材料中，橡胶O形圈比聚四氟乙烯（PTFE）和柔性石墨的硬度相对而言较低，但它的回弹性比前两者高。若把它应用在高温高压的阀门管道中，橡胶受热受压扭曲，极易产生永久变形失效。如果球阀产品应用在低压天然煤气管道中，选取65邵氏硬度的O形圈作密封元件，产品运行若干时间段后，取出阀座密封处的O形圈发现它表面虽然光滑，但断截面已变为方形沟槽状，毫无回弹性，造成严重密封失效。此时若更换80以上邵氏硬度的O形圈作阀座密封元件，在同等条件下，O形圈的密封性能完好。
5 结语
在球阀设计研发中，选用O形圈作密封元件时，一定要综合考虑其温度、介质和压力等不同工况及工作环境变化对O形圈的影响，其次，O形圈的位置放置、结构型式、安装和维护也不可忽视。只有这样，才能延长O形圈的使用寿命，提高O形圈的使用率，确保球阀产品在压力管道中正常运行。
