1 前言

    全通徑球閥具有流體阻力小，節(jié)省能源，流向不受限制，啟閉快等優(yōu)點(diǎn)。其綜合技術(shù)性能比相同用途的閘閥、截止閥、旋塞閥和蝶閥均優(yōu)越。管路上采用高參數(shù)球閥作為啟閉閥門來替代傳統(tǒng)的閘閥、截止閥和旋塞閥已是近年來的發(fā)展趨勢(shì)。設(shè)計(jì)制造出性能可靠、高參數(shù)、低成本的球閥是眾多閥門研究、制造、選型和使用人員的共同愿望。

    2 球閥的發(fā)展

    因?yàn)榍蜷y的球體與閥座密封的貼合面小于旋塞閥的塞子與塞體密封的貼合面，所以球體壓向環(huán)形閥座的密封力和閥門的啟閉力比旋塞閥大大減輕。約在1930年，國外即將旋塞閥的塞子改為球體，成為早期研究的球閥樣品。當(dāng)時(shí)的球閥采用金屬整體球與金屬閥座密封副，由于球體與閥座在密封時(shí)需相互貼緊，但是貼緊后，金屬與金屬之間又會(huì)咬死，球體旋轉(zhuǎn)時(shí)扭矩增大，若強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)球體，密封面間會(huì)拉傷，所以閥門密封也就失效。由于這一矛盾無法解決，使球閥一直處于研究狀態(tài)，未能工業(yè)化推廣使用。直到1950年，世界上出現(xiàn)了高分子合成材料后，將球閥的閥座改用聚四氟乙烯、橡膠和尼龍等軟質(zhì)材料，軟密封閥座的球閥才工業(yè)化推廣使用。

    1970年后，軟密封閥座的球閥在我國也得到較大的推廣使用。但是聚四氟乙烯、橡膠和尼龍等軟密封閥座不適用于高溫介質(zhì)，并且不適用于防火型閥門，所以限制了球閥替代閘閥、截止閥和旋塞閥的使用范圍。要提高球閥的可靠性和技術(shù)參數(shù)、延長使用壽命，采用金屬密封副是球閥發(fā)展的必然趨勢(shì)。

    為了減輕球閥金屬密封副之間拉傷的矛盾，大約在1964年，國外研制出金屬彈性閥座、金屬浮動(dòng)閥座和彈性加浮動(dòng)閥座等球閥密封結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)雖能提高球閥的技術(shù)參數(shù)，并減輕拉傷問題，但金屬密封副之間又出現(xiàn)易磨損、高溫變形、彈簧槽中結(jié)渣、球體與閥座易卡死及壽命短等矛盾。1985年“撐開式閥門密封結(jié)構(gòu)” （專利號(hào)：ZL85204475.5）問世，在國內(nèi)外首先提出將鋼制整體球改為可撐攏的鋼制組合球，當(dāng)組合球需密封時(shí)，球瓣平行移動(dòng)，向進(jìn)、出口兩端撐開，貼緊金屬閥座。當(dāng)組合球需旋轉(zhuǎn)時(shí)，球瓣脫離金屬閥座，金屬密封面之間出現(xiàn)間隙后，組合球體旋轉(zhuǎn)。受撐攏式組合球結(jié)構(gòu)的影響，國內(nèi)外先后出現(xiàn)了球體傾斜擺動(dòng)密封結(jié)構(gòu)類、組合球撐攏密封結(jié)構(gòu)類和最新開發(fā)的球體沿基面滾動(dòng)密封結(jié)構(gòu)類球閥（尚未公開）。

    3 各類球闊分析

    目前，球閥已發(fā)展成10多種密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。如軟閥座密封結(jié)構(gòu)、彈性閥座或浮動(dòng)閥座密封結(jié)構(gòu)、球體傾斜擺動(dòng)密封結(jié)構(gòu)和組合球撐攏密封結(jié)構(gòu)等。

    3.1 軟閥座密封結(jié)構(gòu)

    軟閥座密封球閥一般裝有鋼制整體球和聚四氟乙烯制成的軟閥座，閥座依靠裝配時(shí)的預(yù)緊力緊貼在球體上，固定球球體下端帶有定位軸。驅(qū)動(dòng)閥桿，帶動(dòng)球體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，球體的流道孔與進(jìn)出口端流道孔完全相通時(shí)，閥門開啟。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，閥門關(guān)閉（圖1）。

    軟閥座密封球閥的優(yōu)點(diǎn)有：① 全通徑，流體阻力小，節(jié)省能源。②流向不受限制，閥門可任意位置安裝。③ 閥門安裝空間小。④ 開關(guān)迅速，只需旋轉(zhuǎn)90°。⑤ 因系軟（閥座）硬（球體）密封副，所以密封容易實(shí)現(xiàn)。⑥ 困球體正常貼緊軟閥座，旋轉(zhuǎn)時(shí)，球體表面在閥座表面滑動(dòng)，故密封副間不結(jié)渣。⑦結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。

    軟閥座密封球閥的缺點(diǎn)有：①聚四氟乙烯軟閥座不耐中高溫（≤200℃），如遇火災(zāi)事故，閥座即燒壞，不能工作。②因閥座貼緊球體的預(yù)緊力很大，所以球體旋轉(zhuǎn)開關(guān)時(shí)，扭矩特別大，大口徑和高壓差時(shí)，不但要裝旁通閥，還需減速啟閉裝置，啟閉速度慢。如果是浮動(dòng)球，球體在進(jìn)口介質(zhì)壓力作用下還會(huì)壓向出口端軟閥座，該球閥啟閉扭矩更大。③閥座貼緊密封面，球體旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封面間產(chǎn)生磨損，磨損后很難補(bǔ)償。④軟閥座密封面不耐高壓差的介質(zhì)沖蝕，特別是開關(guān)過程中最嚴(yán)重，加之閥桿和球體旋轉(zhuǎn)開關(guān)中不能自鎖定位，所以該閥只能全開或全關(guān)，不能調(diào)節(jié)流量。⑤ 如遇閥腔中異常升壓，閥腔中的升壓很難與進(jìn)口或出口端的壓力平衡，所以易發(fā)生事故。⑥無上密封裝置。

    3.2 彈性閥座與浮動(dòng)閥座密封結(jié)構(gòu)

    彈性閥座與浮動(dòng)閥座的球閥一般由鋼制整體球和鋼制彈性閥座或鋼制浮動(dòng)閥座組成。鋼制浮動(dòng)閥座上一般鑲嵌軟閥座。浮動(dòng)閥座球閥的球體下端帶有定位軸。依靠彈性閥座上的彈性槽或浮動(dòng)閥座后的彈簧作用，使彈性閥座或浮動(dòng)閥座貼緊在球體上。驅(qū)動(dòng)閥桿帶動(dòng)球體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，球體上的流道孔與進(jìn)出口流道孔完全相通時(shí)，閥門開啟。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，閥門關(guān)閉（圖2）。

    彈性閥座與浮動(dòng)閥座的優(yōu)點(diǎn)有：①全通徑，流體阻力小，節(jié)省動(dòng)力能源。②流向不受限制，閥門可任意位置安裝。③閥門安裝空同小。④開關(guān)迅速，只需旋轉(zhuǎn)90°。⑤因浮動(dòng)閥座上鑲嵌了軟閥座后，形成軟（閥座）與硬（球體）密封副，所以密封容易實(shí)現(xiàn)。⑥因閥座貼緊球體，所以密封面間不結(jié)渣。⑦彈性閥座硬密封球閥和不鑲嵌軟閥座的浮動(dòng)閥座球閥能適應(yīng)中溫介質(zhì)。⑧如遇閥腔中異常升壓，閥腔壓力可與出口端壓力自動(dòng)平衡，預(yù)防事故。⑨彈性閥座硬密封球閥結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。

    彈性閥座與浮動(dòng)閥座的缺點(diǎn)有：①彈性閥座或浮動(dòng)閥座后面的彈簧在高溫時(shí)容易失效，所以不適應(yīng)高溫介質(zhì)，更不適應(yīng)火災(zāi)事故。如浮動(dòng)閥座上鑲嵌軟閥座，使用溫度更低（≤200℃）。②浮動(dòng)閥座后面的彈簧槽或彈性閥座上的彈性槽中易結(jié)渣，結(jié)渣后浮動(dòng)閥座不能浮動(dòng)，彈性閥座失去了彈性，易卡死金屬球體，使球閥無法啟閉，如強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)球體，密封表面即被拉傷，閥門失效。③浮動(dòng)閥座上的軟密封圈不但不適應(yīng)中高溫介質(zhì)，在磨損后，很容易出現(xiàn)二次泄漏。④浮動(dòng)閥座上鑲嵌軟閥座后有了前級(jí)密封，但很難檢驗(yàn)軟閥座后面的金屬后級(jí)密封，當(dāng)前級(jí)密封失效后，后級(jí)密封是否有效很難保證。⑤浮動(dòng)閥座上鑲嵌的軟閥座密封不耐有壓差的介質(zhì)沖蝕，特別是開→關(guān)過程中最嚴(yán)重。⑥彈性閥座或浮動(dòng)閥座均貼緊球體，所以球體旋轉(zhuǎn)時(shí)扭矩大，磨損嚴(yán)重，壽命短。大口徑和高壓差時(shí)還需裝旁通閥。⑦因閥桿和球體旋轉(zhuǎn)過程中，不能鎖緊定位，所以不能調(diào)節(jié)流量，沒有上密封裝置。

    3.3 球體傾斜擺動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

    球體傾斜擺動(dòng)球閥分整體球、組合球和彈性槽結(jié)構(gòu)。傾斜擺動(dòng)整體球球閥為鋼制整體球和鋼制閥座。球體下端為萬向節(jié)機(jī)構(gòu)，上端為凸輪機(jī)構(gòu)。閥桿通過凸輪機(jī)構(gòu)將整體球依萬向節(jié)的中心向閥門出口端擺動(dòng)傾斜，壓緊閥座，形成單向密封，球閥關(guān)閉（圖3）。當(dāng)整體球脫離閥座依萬向節(jié)中心向中軸線擺動(dòng)，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，閥門開啟。

    傾斜擺動(dòng)組合球球閥或彈性槽球球閥裝有鋼制組合球或帶彈性槽整體球及鋼制閥座。球體下端為萬向節(jié)機(jī)構(gòu)或定位軸，上端為撐攏機(jī)構(gòu)。閥桿通過撐攏機(jī)構(gòu)將組合球或彈性槽整體球依萬向節(jié)的中心或彈性槽終端向閥座擺動(dòng)傾斜，壓緊閥座，球閥關(guān)閉（圖3）。當(dāng)組合球或彈性槽球脫離閥座依萬向節(jié)中心或彈性槽終端向中軸線擺動(dòng)，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，球閥開啟。

    傾斜擺動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：①全通徑，流體阻力小，節(jié)省動(dòng)力能源。②適應(yīng)高溫高壓介質(zhì)。③啟閉扭矩輕。④啟閉速度比閘閥、截止閥快。⑤如遇閥腔中異常升壓，閥腔壓力容易與進(jìn)口端壓力自動(dòng)平衡，可預(yù)防異常升壓事故。⑥傾斜擺動(dòng)組合球球閥流向不受限制，可任意位置安裝。⑦不需安裝旁通閥。

    傾斜擺動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)為：①整體球或組合球均按萬向節(jié)機(jī)構(gòu)中心或彈性槽終端向閥座傾斜角度擺動(dòng)，壓向閥座密封。一般是閥座環(huán)形面下點(diǎn)與球體最先接觸，上點(diǎn)最后接觸，使閥座環(huán)形面的下點(diǎn)先密封，上點(diǎn)后密封。開啟時(shí)，上點(diǎn)先脫開，下點(diǎn)后脫開，因而造成密封比壓不均衡，受壓力介質(zhì)沖蝕不平衡，最終使閥門的使用壽命減少。②傾斜擺動(dòng)整體球球閥只能形成單向密封，流向受到限制，安裝方向也受限制。③傾斜擺動(dòng)組合球或彈性槽球球閥萬向節(jié)機(jī)構(gòu)的夾槽中或彈性槽中易結(jié)渣，結(jié)渣后球體無法收撐，球閥無法使用。④該球閥比軟密封球閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是傾斜擺動(dòng)組合球球閥體積大，制造難度大，很難保證精度。⑤無上密封裝置。

    3.4 組合球撐攏密封結(jié)構(gòu)

    組合球撐攏密封球閥的球體一般由球瓣、楔體或插板組合而成，楔體與球瓣用燕尾槽連接，插板與球瓣用斜槽和斜槽中的滾柱連接，組合球兩邊有鋼制閥座。組合球下端裝有定位軸，上端裝有上密封裝置。閥桿帶動(dòng)楔體或插板、滾柱下行，撐開與其連接的球瓣，平行移動(dòng)壓向閥座，球閥關(guān)閉（圖4）。反之，楔體或插板、滾柱上行，收攏與其連接的球瓣離開閥座，進(jìn)出口兩端壓力平衡，組合球逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，球閥開啟。

    組合球撐攏密封球閥是集普通球閥、閘閥和截止閥優(yōu)點(diǎn)于一體的產(chǎn)品。①保留了一般球閥全通徑，流體阻力小，節(jié)省能源，流向不受限制和可任意位置安裝的主要優(yōu)點(diǎn)。② 采用截止閥密封可靠和使用壽命長的密封原理，撐開球瓣貼緊閥座如同截止閥閥瓣平行移動(dòng)壓向閥座形成密封一樣，無擦傷、磨損小，不怕密封面上貼附顆粒介質(zhì)。組合球旋轉(zhuǎn)開啟閥門時(shí)，球瓣與閥座間已有間隙，在不接觸狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)，所以更無磨損。而且不論通徑大小，壓力及溫度高低，均能達(dá)到甚至超過有關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)密封性能的要求，做到零泄漏。③采用了閘閥楔形閘板方法撐攏球瓣，不但可靠，剛性好，而且在密封面磨損后可得到壽命補(bǔ)償。④采用了閘閥的明桿啟閉方法，使球閥的啟閉扭矩跟閘閥一樣輕。⑤能適應(yīng)高溫高壓介質(zhì)，具有高參數(shù)及防火的功能要求。⑥具有一般球閥沒有的上密封功能。⑦大口徑和高壓差時(shí)，不需裝旁通閥。⑧可調(diào)節(jié)流量，作調(diào)節(jié)閥使用。

    組合球撐攏密封球閥的缺點(diǎn)是：①結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難。②體積較大，成本較高。③啟閉速度較一般球閥慢。

    4 結(jié)語

    應(yīng)多家閥門制造廠及設(shè)計(jì)院和閥門用戶要求，筆者對(duì)上述各種球閥密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初淺的分析和比較，僅供參考。上述球閥密封結(jié)構(gòu)技術(shù)，有很多項(xiàng)系國內(nèi)外專利技術(shù)，望采用時(shí)不要侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)。