球阀密封原理：原理简述及应用

（１）浮动球球阀 浮动球球阀的阀体内有两个阀座密封圈，在它们之间夹紧一个球体，球体上有通孔，通孔的直径等于管道的内径，称全径球阀；通孔的直径小于管道的内径，称缩径球阀。球体借助于阀杆可以自由地在阀座密封圈中旋转。在开启时，球孔与管道孔径对准，以保证管道工作介质阻力最小。当阀杆转动１/４圈时，球孔垂直于阀门的通道，靠加给两阀座密封圈的预紧力和介质压力将球体紧紧压在出口端的阀座密封圈上，从而保证阀门完全密封。这种球阀属单面强制密封。

浮动球球阀还应着重考虑其阀座材料能否经得住球体的载荷，因为球体除本身的自重外还承受工作介质的全部载荷并传给阀座。此外，还应考虑大口径的浮球阀在操作时需要较大的力。

为了保证浮动球球阀工作时的密封性和可靠性，必须达到以下几点要求：

１）为了获得密封，在球体和阀座的接触表面上，应有足够高的密封比压，但不得超过阀座材料的许用比压。

２）阀座在凹槽中的配合应是紧密的，否则即使阀座对球体的密封性很好，介质也会沿凹槽端面渗漏。为了满足这一要求，建议在凹槽端面上开几条顶角为６０°、深为０.５～１ｍｍ的三角形同心槽。

３）球体应有正确的几何形状和低的表面粗糙度值。通常按ｈ８或ｈ９精度制造球体，其表面粗糙度值不大于Ｒａ０.４μｍ，为了提高球体表面硬度和耐磨性，对球体表面应进行硬化处理。

４）密封阀座可用塑料制，并应保证紧密贴合，不得损坏球体的密封面。同时，材料应有足够的强度，以便能承受高的密封比压。聚四氟乙烯是制造阀座的一种最常用的材料。

（２）固定球球阀 固定球球阀主要使用于高压大口径的球阀中。此外，支承作用力和介质作用力从阀座密封圈转到阀杆、支承套或支承板上，将大大减少操纵阀门所需的转矩。

在正确选择密封元件的条件下，这种形式的球阀还能保证在两个方向上完全密封。

根据阀座密封圈的安装不同，这种球阀可以有两种结构：单向或双向密封的阀座；双阀座双向密封的阀座。

１）单向或双向密封的阀座。这种球阀的密封原理如下：和阀杆成为一个整体的球体可以在上下滑动轴承或滚动轴承中自由转动，阀座密封圈被安装在活动的套筒内，套筒在阀体中用Ｏ形圈密封。阀座密封圈由一组安装在套筒中的弹簧预先压紧。进口端的阀座，在球阀关闭时，靠作用在进口端直径ｄ和与阀体配合的套筒直径Ｄ_１的圆周所限定的环形表面上的介质压力把阀座压向球体，从而起到进口密封作用，出口端的阀座不起密封作用。反向加压时，阀座的作用将起变化。

球阀工作的可靠性在很大程度上取决于阀座密封面的平均直径ｄ_ｃｐ和套筒直径Ｄ_１的比例，如果Ｄ_１值对ｄ_ｃｐ值相比不够大时，球阀将不能保证可靠的密封。相反，Ｄ_１值过大将引起密封座和密封圈过载，从而使转动阀门所必须的转矩增加。

这种球阀的优点是：①关闭时，填料和大部分阀体不受内压。②关闭时，在加压一侧不形成积液区。这个特点对腐蚀性和低温液体的工作系统尤其重要。

这种球阀的缺点是：球体转动时所需要的转矩大。另外，由于压力作用的有效面积增加，从而使固定轴承上的载荷变大。

２）双阀座双向密封阀座。如图３-１６４所示为球体后密封阀座球阀的结构图。这种球阀关闭件的根本特点在于，在关闭时密封是由安装在介质运动方向的球体后阀座来实现的。这种结构可以减少球体的支承轴承的载荷。

图３-１６４ 固定球球体结构（密封座在球后）

与单向或双向密封相比，结构上的区别在于它有浮动的套筒，套筒上的密封直径Ｄ_２小于阀座的平均直径ｄ_ｃｐ。为了保证这个条件，阀座的内径应大于球体的通孔直径ｄ。

当在关闭状态加压时，因为介质压力单向或双向阀座压向球体，故单向或双向阀座也起密封作用。相反，由于介质压力，球后阀座把球体压紧，则保证了球体完全密封。

密封阀座与球接触表面上的工作介质压力和比压的分布如图３-１６４所示。接触面是垂直于图示平面的投影面，直线Ｏ-Ｏ表示这个平面的迹线。研究指出：在密封缝隙中，介质压力通常是按直线Ａ-Ｂ表示的线性规律变化的。(www.xing528.com)

为了保证球体可靠地工作，必须力求使长方形ＣＤＥＦ的面积大于三角形ＡＢＣ的面积。如果在结构中能保持直径ｄ_１和Ｄ_２相等，那么这个条件就能被保证，计算证明：

当ｄ_１=Ｄ_２时

Ｆ_ＣＤＥＦ=２ＦＡＢＣ

在小口径（＜ＤＮ１００）的球阀中，要保证ｄ_１=Ｄ_２是困难的，因为这将引起通道截面的大大缩小。在这种结构中，可假设ｄ_１=（０.９～０.９５）Ｄ_２。这样，密封座上的压力也减少不多。然而在这种情况下，必须保持Ｄ_ｃｐ＞Ｄ_２。同时，应考虑到阀座与球体的线接触宽度越小，则球体工作就越可靠。

双阀座双向密封的球阀有以下优点：①大大地减少固定轴上的载荷；②减少球阀中的总摩擦力矩。

这种球阀的缺点在于，为了保证Ｄ_２＜ｄ_ｃｐ，必须减少它的通道截面。此外，在球阀处于关闭状态时，填料和阀体内腔都处于工作介质压力的作用下。

（３）升降杆式球阀

１）开启过程。①在关闭位置，球体受阀杆的机械施压作用，紧压在阀座上，如图３-１６５ａ所示。②当逆时针转动手轮时，阀杆则反向运动，其底部角形平面使球体脱开阀座，如图３-１６５ｂ所示。③阀杆继续提升，并与阀杆螺旋槽内的导销相互作用，使球体开始无摩擦旋转，如图３-１６５ｃ所示。④直至到全开位置，阀杆提升到极限位置，球体旋转到全开位置，如图３-１６５ｄ所示。

２）关闭过程。①关阀时，顺时针转动手轮，阀杆开始下降并使球体离开阀座开始旋转。如图３-１６６ａ所示。②继续转动手轮，阀杆受到嵌于其上螺旋槽内的导向销的作用，使阀杆和球体同时旋转９０°，如图３-１６６ｂ所示。③快要关闭时，球体已在与阀座无接触的情况下旋转了９０°，如图３-１６６ｃ所示。④手轮转动的最后几圈，阀杆底部的角形平面机械地楔向压迫球体，使其紧密地压在阀座上，达到完全密封。如图３-１６６ｄ所示。

这种球阀的优点是：①开启关闭无磨损现象。这种球阀在开启和关闭时，球体先偏离阀座后再转动，消除了球体与阀座的摩擦，解决了传统球阀、闸阀、旋塞阀的阀座磨损问题。②可注入密封脂，在运行中进行补漏。将阀杆密封脂从填料附件注中，可完全控制挥发性，放射性泄漏。③单阀座设计。升降杆式球阀的静态单阀座能保障双向零泄漏，避免了双阀座球阀的内腔压力升高问题。④抗磨球体硬质密封面。球体表面堆焊了一层硬质密封面材料，并经抛光处理，能满足在非常苛刻场合下的密封性。⑤球体顶装式设计。在系统卸压后，可在管线上检查和维修，使维护简单化。⑥操作转矩低。除非特大口径，其余均可配小手动，并无需配备齿轮箱。因为升降杆式球阀密封面间无摩擦，转动特别容易。⑦最佳流动特性。全通径和标准通径球阀都有很高的Ｋ_Ｖ值，增强了泵的系统效率，并使磨蚀问题降到最低程度。⑧双阀杆导向销。硬性阀杆导槽与导销控制阀杆的升降与转动。⑨自清洗。当球体倾离阀座时，介质沿密封面３６０°将一些外来杂物冲洗干净。⑩机械楔形密封。关闭时，阀杆下端的凸轮斜面提供一个机械的楔紧力，以保证持续的紧密封。(11)寿命长。升降杆式球阀可替代易出故障的普通球阀、闸阀、截止阀和旋塞阀。球阀的独特性能将减少装置停车，降低企业成本。(12)工作温度高。可承受温度到４２７℃，解决了传统球阀不能用于高温介质的问题。

图３-１６５ 升降杆球阀开启过程

ａ）关闭位置 ｂ）球体脱开座阀密封面 ｃ）球体开始无摩擦旋转 ｄ）球体旋转到全开位置

（４）Ｖ形开口球球阀 Ｖ形开口球球阀属固定球球阀，也属单阀座密封球阀，调节性能是球阀中最佳的，其他类型的球阀基本不做调节用。其密封原理和固定球球阀球体后密封阀座类似，不过采用了板弹簧加预紧力的可动阀座结构。

这种球阀的特点是：①阀座与球体之间不会产生卡阻或脱离等问题，密封可靠、使用寿命长。②Ｖ形切口的球体与金属阀座之间具有剪切作用，特别适合于含纤维、微小固体颗粒、料浆等介质。③全开时流通能力大，压力损失小，且介质不会沉积在阀体中腔。④蜗杆传动Ｖ形开口球体球阀还具有精确调节并可靠定位的功能。流量特性为近似等百分比，可调范围大，最大可调比为１００∶１。调节特性曲线如图３-１６７所示。

图３-１６６ 升降杆球阀关闭过程

ａ）离开阀座开始旋转 ｂ）阀杆和球体同时旋转９０° ｃ）球体已在与阀座无接触情况下旋转９０° ｄ）压向阀座完全密封

图３-１６７ 调节特性曲线