浮動球閥的密封原理及結(jié)構(gòu)簡介

球閥的問世是第二次世界大戰(zhàn)以后的事，雖然它的發(fā)明可以追溯至20世紀初期，但是這一結(jié)構(gòu) 由于當時材料工業(yè)和機械加工業(yè)的限制，未能完成其商品化的步驟。一直到1943年，美國杜邦公司發(fā)明了一種高分子材料聚四氟乙烯（PTFE）塑料，這種材料具有足夠的抗拉和抗壓強度，一定的彈塑性，良好的自潤滑特性，以及優(yōu)良的耐蝕性能，十分適宜作為密封材料，可獲得十分可靠的密封效果。另一方面，由于車球機和磨球機的進步，可以加工高圓度和表面光潔度的球體作為球閥的啟閉件。這樣，一種全通徑，90°角行程回轉(zhuǎn)的閥門新品種進入閥門市場， 引起廣泛的關(guān)注，逐步取代傳統(tǒng)的閥門產(chǎn)品截止閥、 閘閥、旋塞閥和蝶閥，并不斷地擴大其應用領(lǐng)域，從 小口徑到大口徑，從低壓到高壓，從常溫到高溫、到低溫。目前，球閥的zui大口徑已發(fā)展至60in，zui高壓力等級為4500磅級，zui低溫度可達液氫溫度 -254°C,zui高溫度可達850?900°C，適用于各種介質(zhì)以及氣-固，液-固兩相流，成為zui有發(fā)展前景的一 種閥門類型。

球閥就結(jié)構(gòu)原理言，可以分為浮動球固定閥座球閥，簡稱浮動球球閥（floating ball valve）和固定球浮動閥座球閥，簡稱固定球球閥（trunnion mounted ball valve）兩大類。

按閥體的結(jié)構(gòu)形式分，可以分為上裝式球閥和側(cè)裝式球閥。側(cè)裝式球閥又可分為整體式、兩段式和三段式，即閥體是整體的，閥體由主、副閥體組成的和閥體由一個主閥體、兩個副閥體組成的三種結(jié)構(gòu)形式。

按閥門密封材料分，可以分為軟密封球閥和硬密封球閥。軟密封球閥的密封材料為：聚四氟乙烯 （PTFE）、增強聚四氟乙烯、尼龍等高分子材料和橡膠；硬密封球閥密封材料為金屬。

按閥門的功能分，可以分為二通開關(guān)閥、三通和四通換向閥，以及調(diào)節(jié)型球閥。

按操作方式分，可以分為手動、蝸輪傳動、氣動、氣液聯(lián)動、電動、電液聯(lián)動、液動等。

按閥門的連接方式，可以分為法蘭端連接、焊接端連接和螺紋端連接。焊接端又可以分為承插焊和對焊焊接連接。

另外，根據(jù)用戶的工況需要直接命名的特種球閥，如管線球閥用于長輸管線；夾套球閥用于管線加 熱、保溫；襯塑球閥用于防腐蝕；鎖猹球閥用于煤氣化爐渣液排放，以及用于電廠高溫高壓蒸汽的疏水球閥等。

按球閥啟閉件球體的形狀與大小，可以分為V 形球閥，半球閥，全通徑和縮徑球閥等。

按照使用的介質(zhì)溫度，可分為高溫球閥，低溫球 閥和深冷球閥。

按照閥體材料，可以分為碳鋼球閥，不銹鋼球閥，鈦合金球閥，蒙乃爾球閥，塑料球閥，銅球閥， 鋁合金球閥等。

不管對球閥進行如何分類，從球閥產(chǎn)品的制造和應用角度看，zui重要的是從閥門結(jié)構(gòu)和密封材料來分類，即浮動球球閥和固定球球閥，軟密封球閥和硬密 封球閥是兩個zui重要的分類方法。其次是按服務工況需要直接命名的特種球閥，下面按照這一分類方法進一步來討論球閥的結(jié)構(gòu)原理以及它們的應用。

3.2.1浮動球球閥的密封原理和結(jié)構(gòu)特征

（1）浮動球球閥密封原理

浮動球球閥的啟閉件是一個球體，中間有一個與管道通徑相等的通孔，進口端和出口端各置一個用PTFE制造的密封座，并被包容在一個金屬的閥體 內(nèi)，當球體內(nèi)的通孔與管線通道重合時，閥門處于開啟狀態(tài)；當球體內(nèi)的通孔與管線通道垂直時，閥門處 于關(guān)閉狀態(tài)。閥門從開啟至關(guān)閉，或者從關(guān)閉至開啟球體回轉(zhuǎn)90°角行程（圖3-1）。

當球閥處于關(guān)閉位置時，進口端的介質(zhì)壓力作用在球體上，產(chǎn)生一個推動球體的力，使球體緊壓出口 端的密封座，在密封座的錐面上產(chǎn)生一個接觸應力， 形成一個接觸帶，接觸帶單位面積上的作用力稱為閥門密封的工作比壓g，當這一比壓大于密封所必需的 比壓時，閥門就獲得了有效的密封。這種不是靠外力的密封方式，由介質(zhì)壓力密封的，稱為介質(zhì)自密封。 在設計中，應滿足：

式中qb——密封必需的比壓，與密封材料和球體的加工精度有關(guān)，MPa;[g] 密封材料的許用比壓（[qCIptfe^SO，[9]尼龍=40），MPa。

應該指出，傳統(tǒng)的閥門如截止閥、閘閥、中線蝶閥、旋塞閥是靠外部施加的力，作用在閥座上來獲得可靠的密封，這種借外力施加而獲得的密封，稱之為強制密封。外部施加的強制密封力帶有隨意性和不確定性，不利于閥門的長期使用。球閥的密封原理是作用在密封座上的力，由介質(zhì)的壓力產(chǎn)生的。這一作用力是穩(wěn)定的，是可以控制的，由設計時確定。

①為了保證球體在關(guān)閉位置時，能產(chǎn)生一個介質(zhì)的作用力，事先在閥門裝配時，球體必須緊貼密封座，而且需要過盈，產(chǎn)生一個預緊比壓，這個預緊比壓為0.1倍工作壓力且不小于2MPa。這個預緊比壓的獲得，*靠設計的幾何尺寸來保證。如果設球體 和進口、出口密封座組合后的自由高度為A;左、右 閥體組合后內(nèi)腔容納球體、密封座的寬度為B，則裝配后產(chǎn)生必需的預緊比壓所需的過盈為C，必滿足： A-B=C0這個C值必須由零件加工的幾何尺寸來保證。可以設想這個過盈C是很難確定和保證的。 過盈值的大小直接決定閥門的密封性能和操作力矩。

②應該特別指出，早期國產(chǎn)的浮動球球閥（圖3- 2）由于裝配時過盈值難于控制，常常用墊片調(diào)整，很多制造商甚至在手冊中把這一墊片稱為調(diào)整墊。這樣， 裝配時主、副閥體的連接平面之間存在間隙，這一間隙的存在，由于使用中介質(zhì)壓力波動和溫度的波動，以及外部管線載荷作用，會使螺栓松弛，引起閥門外漏。

③當閥門處于關(guān)閉位置時，進口端的介質(zhì)力作 用在球體上，會使球體的幾何中心產(chǎn)生一個微小的位移，與出口端閥座緊密接觸，增加密封帶上的接觸應力，從而獲得可靠的密封；而進口端閥座與球體相接觸的預緊力將減小，影響進口密封座的密封性能。這 種球閥結(jié)構(gòu)，就是在工作狀態(tài)下，球體幾何中心有微小位移的球閥，稱之為浮動球球閥。浮動球球閥是出口端密封座密封，進口端閥座是否有密封功能是不確定的。

④浮動球球閥結(jié)構(gòu)是雙向的（bi-direction）,即兩個介質(zhì)流動方向均可密封。

⑤球體相接的密封座是高分子材料制造的，球體轉(zhuǎn)動時，可能產(chǎn)生靜電，如無特殊的結(jié)構(gòu)設計—— 防靜電設計，則靜電可能在球體上積聚。

⑥對于由兩個密封座組成的閥門，閥腔可能積聚介質(zhì)，某些介質(zhì)可能由于環(huán)境溫度和使用工況變化而異常升壓，引起閥門壓力邊界的破壞，應予以注意。

（2）浮動球球閥結(jié)構(gòu)特征

進一步分析球閥的結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)閥門做一個簡明的比較。

①全通徑，就是與管線的流道直徑相等，具有zui大的流通能力，zui大的流量系數(shù)Cv值，或者說流阻zui小。這在工程上應用具有十分重要的意義，特別是從節(jié)能環(huán)保的角度而言，球閥是一個節(jié)能產(chǎn)品。對 于一個2in的閥門，球閥與其他結(jié)構(gòu)形式的閥門，如 閘閥、截止閥、蝶閥、旋塞閥，其流量系數(shù)比較如表 3-1 所 7K。

水，在lpsi （0. 07bar）的壓差下，流經(jīng)閥門每分鐘的加侖（美制）數(shù)。

至于球閥的流量特性，即開度與流量系數(shù)的關(guān)系為等百分比特性（圖3-3）。球閥的開度為50%時， 其流量系數(shù)僅為額定值的10%,開度為80%時，僅為額定值的40%。球閥作為調(diào)節(jié)閥使用具有近似于 等百分比流量特性。

②球閥的啟閉閥桿做回轉(zhuǎn)運動，和蝶閥、旋塞 閥一樣，不同于做直線運動的閘閥和截止閥。回轉(zhuǎn)的角度是90°角行程，與直線運動的閥門比較，啟閉方便，便于實現(xiàn)閥門操作的選用電動裝自動化。如果置，直線行程的閥門選用的是多回轉(zhuǎn)電動裝置，做 90°角行程的閥門選用的是部分回轉(zhuǎn)角行程回轉(zhuǎn)的電動裝置。

球閥的兩大特點是球閥的發(fā)展以及在工業(yè)領(lǐng)域中不斷替代傳統(tǒng)閥門的動力。因此，在球閥問世之后其市場的占有量每年以20%的速度遞增，是發(fā)展zui為迅速的一個閥門品種。但在球閥的發(fā)展中，對于閥門高的密封要求和低的操作力矩要求始終是產(chǎn)品追求的兩個目標，而這兩個目標是一對矛盾，這一矛盾的對立與統(tǒng)一，進一步促進球閥的發(fā)展。其中zui重要的發(fā)展是密封座結(jié)構(gòu)的改進。

球閥填塞式密封結(jié)構(gòu)（圖3-4）是早期球閥密封座的標準設計，一個形狀簡單的由PTFE制造的圓環(huán)裝在球體和閥體之間，這種密封座結(jié)構(gòu)稱為“填塞式” 密封（jamseal）。可以設想，這種結(jié)構(gòu)設計很難來控制裝配過盈量C，或者說，裝配時預緊比壓值對過盈 量C的變化十分敏感，制造的球閥不是過盈量太小而容易泄漏，就是過盈量太大而轉(zhuǎn)矩太大，制造不出品質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品。特別是當閥門用在過程工業(yè)中，閥門 要經(jīng)受壓力波動和溫度波動，這時填塞式密封的球閥的缺陷被顯示出來。因為填塞式密封的塑料應變發(fā)生在球體與密封座和閥體與密封座之間，這兩個區(qū)域的 接觸應力大小，決定閥門的密封性能。在閥門使用中，不希望這一接觸應力會產(chǎn)生松弛而引起內(nèi)漏。

因此，希望密封材料像橡膠一樣，受壓時可以發(fā)生較大的變形，來填補金屬表面的微觀不平度，而當應力消除后又能回復其原來的形狀，這種現(xiàn)象被稱為材料的“記憶特性”，一個較好的例子是橡皮筋，可以被拉得很長，應力一旦消失，就回復到其原來的形狀，所以工程上很多場合選用橡膠密封圈作密封材料，但PTFE就不具備這種“記憶特性”，它的彈性范圍很小，塑性范圍很大。而且當應力達到一定程 度，就產(chǎn)生“冷流”現(xiàn)象，就是發(fā)生了宏觀的形狀變化。例如PTFE在常溫下，產(chǎn)生“冷流”的極限應力為42MPa。溫度上升時，這一值迅速降低，當溫度為150°C時，產(chǎn)生“冷流”的極限應力值為4. 7MPa。

另一個缺陷是熱膨脹特性，通常希望密封材料的熱膨脹系數(shù)和金屬材料接近，這樣環(huán)境或者工況溫度

變化時，密封材料的“過盈”量不會發(fā)生明顯的變化，遺憾的是PTFE的熱膨脹系數(shù)是鋼的7. 5倍，這 就使當溫度升高時，密封材料的過盈量增加，閥門的關(guān)閉轉(zhuǎn)矩增加，開關(guān)失靈。當溫度下降時，密封材料收縮，保持密封的過盈量消失，閥門就產(chǎn)生泄漏。

如果把PTFE的“冷流”特性和熱膨脹特性結(jié)合來考慮，問題就變得更加嚴重，就是一旦發(fā)生較大的熱循環(huán)現(xiàn)象，由于PTFE的膨脹比金屬膨脹大得多， 過盈量增加，壓縮應力增加，超過冷流極限，密封材料就產(chǎn)生“冷流”，溫度下降后，其他材料回復到其原來的形狀，而密封材料PTFE例外，產(chǎn)生了“冷 流”，發(fā)生了嚴重的變形，裝配時的密封座PTFE的過盈量消失，閥門就產(chǎn)生了不可恢復的泄漏。

（2）唇式

基本上述情況，就要設計一種密封座的形狀，克服PTFE的“冷流”和熱膨脹特性的缺陷來改善其記憶特性。這種密封結(jié)構(gòu)稱之為具有撓性的唇式密封技

術(shù)（lip~seal）0

有許多種的撓性設計可以來解決這一問題，從而出現(xiàn)各種各樣的密封結(jié)構(gòu)被申請了，這已是20 世紀60?70年代的事。而它的設計技巧和原理并未被工程師們所認識。圖3-5所示是唇式密封座的一種結(jié)構(gòu)，它有一個特別的形狀，有兩個密封接觸點，一 點與球面接觸，另一點與閥座接觸。在介質(zhì)力水平方向作用下，密封座的形狀發(fā)生變化，產(chǎn)生一個恢復原 始形狀的撓曲力。當介質(zhì)力消失后，恢復原來的形狀，獲得了 “記憶特性”，這種密封座稱為撓性唇式密封座。

對于撓性唇式密封座可以做一個壓力和變形的實 驗（圖3-6），圖中的曲線表示2 in球閥密封座的效率曲線。區(qū)域A的面積表示密封座的zui大變形能，區(qū)域B的面積表示壓力去除后變形的回復。同時又可以看到，設計的2in球閥唇式密封座的zui大初始變 尺寸可達到2. 5_。裝配后唇式密封座彈性變形尺寸可達到1. 5mm為了使唇部的變形量不致過大，防止可能發(fā)生的*變形，所以在唇式密封座設計時考慮有一個支撐點來限制其過度變形的發(fā)生。如圖3-7所示。這一改進使密封座具備下列功能：

①球體保持在閥腔中心，球體浮動是微小的；

②裝配后，唇部發(fā)生變形，能儲存彈性變形能， 實現(xiàn)低壓下的密封；

③密封座上有一支撐點，當壓力升高，溫度升高時，平衡部分作用在密封座上的介質(zhì)力；

④防止材料可能產(chǎn)生的“冷流”。

這種截面形狀的唇式密封座裝配前的形狀如圖 3-7 （a）所示。裝配后的形狀如圖3-7 （b）所示，有四個接觸點，B點是與球體接觸的密封點，A點是與閥體接觸的密封點，C點是與球體接觸的支撐點，D 點是與閥體接觸的支撐點。裝配前后唇緣的形狀變化，儲存了材料的彈性變形能，像彈簧一樣。而且當溫度或壓力升高時，進一步吸收彈性變形能，當溫度或壓力下降時，泄放彈性變形能來獲得記憶特性。

另外，還有一個閥腔內(nèi)壓力夾持的問題，就是 ANSI B16. 34-2009《法蘭、螺紋和焊接端閥門》標準中，第2. 3. 3節(jié)提出的介質(zhì)熱膨脹。“在某些情況 下，一些雙密封座的閥門結(jié)構(gòu)可能會同時對中腔至相鄰管線的壓力差造成隔離，當中腔充滿液體或部分充 滿液體，并受到溫度升高的影響，就會造成中腔壓力的異常升高，從而導致壓力邊界的失效。如果發(fā)生這種情況，購方應要求供方提供設計、安裝或操作程序 以確保閥腔中的壓力不超過本標準規(guī)定的材料壓力- 溫度許可值。”

解決這一問題可以在球體上鉆一個孔，當球閥關(guān)閉時，腔體與進口端管道相通，夾持在腔體中的液體可以向進口端排出，但球閥失去雙向流動的優(yōu)點，在某些工程中不能被接受。也可以在殼體上裝一只安全泄放閥，將增加麻煩，因此希望密封座具備自泄放功能。當腔體壓力升高時，自動向進口側(cè)或出口側(cè)排放。

為說明這一結(jié)構(gòu)的實施過程，先參考圖3-7 （a） 所示是未裝配前密封座狀態(tài)；圖3-7 （b）所示是裝配后密封座發(fā)生了變形，變形后根部C與球體接觸， 原來根部與球體的間隙消失，唇緣被壓縮而彎曲，這一變形使整個環(huán)向中心有一個彎矩，B、C兩點是兩條密封線。A、D兩點是在閥體上與密封環(huán)接觸的兩條密封線，腔體內(nèi)的壓力與進口、出口介質(zhì)壓力相隔 離。如果在密封座外緣開泄放槽，如圖3-7 （c）中虛線所示，腔內(nèi)的介質(zhì)合力方向是增加密封的可靠性。 如果再在根部幵泄壓槽，如圖3-7 （d）中虛線所示， 介質(zhì)合力的方向改變，傾向于將唇邊彎曲，當腔內(nèi)壓力異常升高時，唇邊處將使閥門內(nèi)壓力泄放。這就是 為滿足ANSI B16. 34第2. 3. 3節(jié)壓力泄放的要求而

設計的唇式撓性密封座，被廣泛用于現(xiàn)代浮動球球閥的產(chǎn)品中。

另外，在介質(zhì)壓力升高和環(huán)境溫度升高時外緣的 槽和根部的槽減輕了密封座對球體夾持力的增加，亦減少了操作力矩。

閥門在使用中有一個閥體材料的壓力-溫度額定值，這一數(shù)值是由標準ANSI B16.34給出。例如， 一個Class 150的碳鋼A105球閥，在常溫一29? 38°C時的zui高工作壓力為19.6bar，但在200°C溫度 時，zui高工作壓力為13. 8bar。表3-4是Class 150， Class 300，Class 600浮動球球閥閥體壓力-溫度額定值的數(shù)據(jù)。

另外，不同密封材料制作的密封座在使用中也有一個額定值，這個值與壓力、溫度、口徑以及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。因此，這一數(shù)值由制造廠提供，對于一個給定的密封材料和密封結(jié)構(gòu)，一般都以圖表形式來表示產(chǎn)品的壓力和溫度的使用范圍。

圖3-8所示是上海耐萊斯•詹姆斯伯雷閥門有限公司提供的9000系列球閥密封座的壓力-溫度額定值。T表示傳統(tǒng)PTFE，M表示增強PTFE，B表示 PFA塑料，1/表示聚乙烯，L表示PEEK, i?表示旦林，V表示Polymide，一組虛線表示Class 150， Class 300閥體的壓力-溫度額定值。曲線表示水蒸氣 的飽和蒸汽壓（saturated steam） 0

PTFE的發(fā)明對球閥的發(fā)展起著很大的作用，沒有它恐怕不會有球閥的巨大發(fā)展。但隨著時間的推進，PTFE在具有許多優(yōu)點的同時逐漸顯露出一些缺點，如前面提到的“冷流”和熱膨脹，以及壓力-溫 度使用等級的限制。因此，有必要討論密封材料的發(fā)展以及它們的適用范圍

密封材料就大范圍而言可以分為兩類，一類是高分子材料PTFE及其他聚合物，能保障可靠的密封； 第二類是金屬，一般情況只能保障低泄漏率，金屬密封材料將在金屬密封球閥中討論，這里只介紹高分子材料聚合物的軟密封材料。

某些聚合物密封的球閥，工廠試驗可以達到無可見氣泡泄漏，即“零”泄漏。而且在許多場合，在使用的持續(xù)時間內(nèi)保持這一性能。影響密封性能重要的因素是使用的介質(zhì)，如果閥門的使用條件十分嚴峻， 如腐蝕性介質(zhì)，高溫、高壓等則密封性能會受很大影響。

密封性能的壽命受下列因素影響：壓力、溫度、壓 力的波動程度，介質(zhì)流速，閥門操作速度與啟閉頻率。 在實際使用中，這些因素是交叉影響。因此，要獲得長期的使用壽命和嚴酷的工況，就要發(fā)展密封材料。

①聚四氟乙烯（PTFE）純的PTFE是球閥zui基本的密封材料，它既具有一定的耐溫范圍，從低溫 至zui高350下（177°C），又具有優(yōu)良的抗化學穩(wěn)定性

和自潤滑特性，適用范圍較廣。

②填充PTFE填充的或者增強的PTFE塑料， 實際上具有純PTFE的一切特性，而其溫度的適用范圍增大，對4in以下的球閥可擴大至400T （205°C）。 填充的材料一般是玻璃纖維、碳、石墨等。

③金屬增強的PTFE填充的材料銅粉或其他金屬粉末，設計這種密封材料是專門用于較強的壓力波動的場合，主要用于紙漿廠蒸煮器的放料系統(tǒng)。

④特種尼龍?zhí)胤N尼龍密封座適用于FTFE不 能適應的更高壓力的場合，根據(jù)閥門的類型和尺寸大小zui高可以達到4500psi，但它的抗化學穩(wěn)定性較低， 廣泛用于高壓液體、空氣及其他氣體（不包括氧氣） 的系統(tǒng)中。

⑤旦林是聚甲醛的商品名稱，具有類似金屬的硬度、強度和剛性。較寬的溫度和濕度下有很好的自潤滑性，摩擦因數(shù)低，富有彈性，對大多數(shù)溶劑有較好的耐蝕性，其缺點是對強酸、強氧化劑敏感。適用溫度一40?116°C，抗拉強度為69MPa，剪切強度 65MPa,彎曲強度97MPa，線脹系數(shù)為（9.6? 12.8）X10-5 • °0-!,成形方法為注塑，zui高壓力可達

圖3-12是上裝式閥體浮動球球閥的外形圖。閥 體是整體結(jié)構(gòu)，上部開孔具有很好的剛性，與密封座相接的面是兩個有3°傾角的斜面，球體與密封座組成后由上部裝入，為了使密封座與球體組裝后有一個 3°傾角的斜面，球體通道的中心線偏離球體中心，也有一個3°的傾角。球體與閥桿可以在球體與閥蓋之間設置一彈簧，增加密封座的預緊力。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以在線維修，缺點是整體重量大，工藝復雜， 成本高。對于浮動球結(jié)構(gòu)的適用于Classl50， Class300, Class600,通徑 NPS8 以下的規(guī)格。

來源：上海自動化儀表銷售網(wǎng)（www.40017.net）

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