固定球閥密封結(jié)構(gòu)概述

趙廣宇

（海軍駐上海電站輔機廠軍事代表室，上海 200240）

1 概述

球閥的使用非常廣泛，在高溫、高壓、大口徑、高密封性、長壽命，以及一閥多功能等方面，球閥是主導(dǎo)的閥門類型之一。

球閥分為浮動球球閥和固定球球閥。浮動球球閥的密封結(jié)構(gòu)比較簡單，是在閥體內(nèi)安裝兩個閥座密封圈，在兩個閥座密封圈之間夾緊一個帶有通孔的球體，球體在閥桿的帶動下，在閥座密封圈中作90°轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)閥門的啟閉功能。閥座密封圈在預(yù)緊力和介質(zhì)壓力的作用下，將球體壓向出口端的閥座密封圈，實現(xiàn)閥門的完全密封。但浮動球球閥僅適用于小通徑和低壓工況下工作的球閥。

固定球球閥的球體由上下固定軸支撐于閥腔內(nèi)，球體繞閥桿的軸線旋轉(zhuǎn)90°實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。固定球球閥優(yōu)點較為突出：結(jié)構(gòu)簡單，密封性能好，在較大的壓力、溫度范圍內(nèi)，能實現(xiàn)完全密封；操作簡便，可以實現(xiàn)快速啟閉及自動化控制。同時，快速啟閉閥門時，無沖擊現(xiàn)象；啟閉件能在密封邊界位置上實現(xiàn)自動定位，不會發(fā)生因操作力矩過大，使啟閉件卡死現(xiàn)象，也不會發(fā)生因操作力矩過小，而使閥門密封不嚴密；可以根據(jù)工況條件的需要，設(shè)計成進口或出口雙向密封，也可以設(shè)計成進出口同時雙向密封，而且密封可靠。因此，固定球球閥的適用范圍很廣，大通徑，高溫、高壓工況都可以使用。

固定球球閥的球體固定在閥體中腔內(nèi)，介質(zhì)作用力通過閥座密封圈傳遞到球體的半軸上，將大大減小閥門的操作轉(zhuǎn)矩。合理設(shè)計固定球球閥閥座密封結(jié)構(gòu)，可以進一步提高閥門的密封性能和動作性能，而且可以大大提高閥門的使用壽命。本文利用機械密封加壓力密封的設(shè)計原理，對固定球球閥閥座密封組件的組合形式、結(jié)構(gòu)尺寸、安裝方式等進行了優(yōu)化，設(shè)計了三種固定球球閥的閥座密封結(jié)構(gòu)：球體前雙向密封、球體后雙向密封、球體前后同時雙向密封。

2 固定球球閥的密封結(jié)構(gòu)

2.1 球體前雙向密封（圖1）

球閥的閥桿與球體相連接，在上下滑動的軸承中可以自由轉(zhuǎn)動，閥座密封圈安裝在一個活動的閥座支撐體內(nèi)，閥座支撐體與閥體的密封外徑大于閥座密封圈的平均直徑。閥座支撐體底部安裝有彈簧，彈簧將閥座支撐體與閥座密封圈一起軸向壓向球體，形成初始密封比壓。進口端的閥座在閥門關(guān)閉時，由于介質(zhì)壓力對閥座支撐體產(chǎn)生的作用力，使進口端閥座密封圈與球體緊貼在一起，從而起到進口端密封作用；出口端的閥座密封圈不起密封作用；反向加壓時，兩個閥座密封圈的作用相反。

圖1

球前密封球閥的密封可靠性主要取決于閥座密封面的平均直徑與閥座支撐體外直徑的比例。如果其比值不夠大時，球閥的密封性能將不能保證。相反，其比值過大，將會引起閥座密封圈過載，從而損壞閥座密封圈和引起閥門的操作轉(zhuǎn)矩太大。但球前密封結(jié)構(gòu)的球閥有其獨特的優(yōu)點：①閥門處于關(guān)閉位置時，填料和閥體中腔不承受介質(zhì)壓力，有利于閥桿密封的保護。②閥門處于關(guān)閉位置時，在加壓一側(cè)的閥體流道內(nèi)不形成積液區(qū)。缺點是：①球體轉(zhuǎn)動時需要的轉(zhuǎn)矩相對偏大。②由于壓力作用的有效面積增加，從而使球體固定軸承上的載荷增大。

2.2 球體后雙向密封閥座（見圖2）

圖2

球閥關(guān)閉件的密封是依靠介質(zhì)對安裝在介質(zhì)運動方向的球體后閥座密封圈的作用力來實現(xiàn)的，可以減小球體支撐軸承的載荷，安裝閥座密封圈的閥座支撐體與閥體密封的外徑小于閥座密封圈的平均直徑。當閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時，介質(zhì)壓力壓縮球前閥座支撐體背后的彈性元件，使球前閥座與球體分離，前閥座不起密封作用。相反，由于介質(zhì)壓力的作用，球后閥座在介質(zhì)壓力的作用下壓緊球體，實現(xiàn)球體與閥座密封圈的完全密封。

為了保證這種閥座密封結(jié)構(gòu)的球閥密封可靠性，閥座的內(nèi)直徑一般應(yīng)大于球體的通道孔直徑。同時，必須使如圖2所示CDEF長方形的面積大于ABC三角形的面積。如果能保證D1與D2的尺寸相等，則就能保證CDEF長方形的面積大于ABC三角形的面積。

計算證明：

在較小通徑的球閥中，要保證圖示中的D1=D2，可能引起通道截面的較大縮小。這時可以考慮通過減小閥座密封面寬度的方法，提高閥座密封面上的必須比壓，從而保證閥門的密封可靠性。在密封比壓足夠的條件下，可以設(shè)計成D1=0.92～0.95D2之間，但必須保持D3＞D2。球后密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：①可以減少球體固定軸上的載荷。②減小球閥的操作力矩。缺點是：①需要適當減小閥門的通道面積。②閥體內(nèi)腔和閥桿填料密封始終處于介質(zhì)工作壓力的作用下。

2.3 球體前后端同時密封（圖3）

球體前后端同時密封球閥結(jié)合了球體前與球體后密封的共同特點，在原球后密封結(jié)構(gòu)形式的浮動套筒外徑再設(shè)計一個浮動套筒，使如圖D1尺寸滿足球體前密封結(jié)構(gòu)的要求。如圖3所示：由于D1＞DM；DM＞D2，故閥門進口端介質(zhì)壓力對閥座產(chǎn)生的作用力遠大于閥門腔體中介質(zhì)壓力對閥座產(chǎn)生的作用力，而閥門腔體中介質(zhì)壓力對閥座產(chǎn)生的作用力又大于出口端介質(zhì)壓力對閥座產(chǎn)生的作用力。所以，不管壓力高低，都能保證閥門進出口端同時密封。

圖3

3 適用的場合

上述三種固定球球閥的密封結(jié)構(gòu)適用于下列工況。

①通常在密封要求高、抗磨損、啟閉動作要求迅速、大壓差截止、低噪音、有氣穴和汽化現(xiàn)象、操作力矩小、流體阻力小的管路中推薦使用球閥。②固定球閥也適用于軟密封結(jié)構(gòu)、低壓差截止、有腐蝕性介質(zhì)的管路系統(tǒng)中。③在氧氣管路系統(tǒng)中，也可使用經(jīng)過脫脂處理的固定球閥。④在輸油管線和輸氣管線中，可以使用球閥。⑤在高溫、高壓蒸汽管路系統(tǒng)中，可選用金屬硬密封固定球球閥。

4 適用的壓力試驗標準

以上三種閥座密封結(jié)構(gòu)形式，既可用于軟密封閥座球閥，也可用于金屬密封結(jié)構(gòu)球閥。軟密封結(jié)構(gòu)固定球球閥的壓力試驗標準可采用JB/T9092-1999《閥門的檢驗和試驗》；金屬密封結(jié)構(gòu)固定球球閥的壓力試驗標準可采用GB/T13927-2008《通用閥門壓力試驗》。

5 結(jié)語

在某天然氣工程管線上，DN200-600LB以下的固定球球閥采用球前密封結(jié)構(gòu)，D250-900Lb至DN1000-1500LB的固定球球閥采用了球前后同時密封結(jié)構(gòu)。目前，閥門在管線上使用已有5年多時間，密封性能良好。

參考文獻：

[1]GB/T12237-2005 石油、石化及相關(guān)工業(yè)用的鋼制球閥.

[2[GB/T21385-2008 金屬密封球閥.

[3[JB/T7745-1995 管線球閥.

[4]API 6D-2002 石油天然氣工業(yè)用管道閥門規(guī)范-管道傳輸系統(tǒng)-管道閥門.

[5]ASME B16.34-2004法蘭、螺紋和焊接端連接閥門.