固定球阀密封结构概述

2018-05-26赵广宇

中国设备工程 2018年10期

赵广宇

（海军驻上海电站辅机厂军事代表室，上海 200240）

1 概述

球阀的使用非常广泛，在高温、高压、大口径、高密封性、长寿命，以及一阀多功能等方面，球阀是主导的阀门类型之一。

球阀分为浮动球球阀和固定球球阀。浮动球球阀的密封结构比较简单，是在阀体内安装两个阀座密封圈，在两个阀座密封圈之间夹紧一个带有通孔的球体，球体在阀杆的带动下，在阀座密封圈中作90°转动，实现阀门的启闭功能。阀座密封圈在预紧力和介质压力的作用下，将球体压向出口端的阀座密封圈，实现阀门的完全密封。但浮动球球阀仅适用于小通径和低压工况下工作的球阀。

固定球球阀的球体由上下固定轴支撑于阀腔内，球体绕阀杆的轴线旋转90°实现阀门的开启和关闭。固定球球阀优点较为突出：结构简单，密封性能好，在较大的压力、温度范围内，能实现完全密封；操作简便，可以实现快速启闭及自动化控制。同时，快速启闭阀门时，无冲击现象；启闭件能在密封边界位置上实现自动定位，不会发生因操作力矩过大，使启闭件卡死现象，也不会发生因操作力矩过小，而使阀门密封不严密；可以根据工况条件的需要，设计成进口或出口双向密封，也可以设计成进出口同时双向密封，而且密封可靠。因此，固定球球阀的适用范围很广，大通径，高温、高压工况都可以使用。

固定球球阀的球体固定在阀体中腔内，介质作用力通过阀座密封圈传递到球体的半轴上，将大大减小阀门的操作转矩。合理设计固定球球阀阀座密封结构，可以进一步提高阀门的密封性能和动作性能，而且可以大大提高阀门的使用寿命。本文利用机械密封加压力密封的设计原理，对固定球球阀阀座密封组件的组合形式、结构尺寸、安装方式等进行了优化，设计了三种固定球球阀的阀座密封结构：球体前双向密封、球体后双向密封、球体前后同时双向密封。

2 固定球球阀的密封结构

2.1 球体前双向密封（图1）

球阀的阀杆与球体相连接，在上下滑动的轴承中可以自由转动，阀座密封圈安装在一个活动的阀座支撑体内，阀座支撑体与阀体的密封外径大于阀座密封圈的平均直径。阀座支撑体底部安装有弹簧，弹簧将阀座支撑体与阀座密封圈一起轴向压向球体，形成初始密封比压。进口端的阀座在阀门关闭时，由于介质压力对阀座支撑体产生的作用力，使进口端阀座密封圈与球体紧贴在一起，从而起到进口端密封作用；出口端的阀座密封圈不起密封作用；反向加压时，两个阀座密封圈的作用相反。

图1

球前密封球阀的密封可靠性主要取决于阀座密封面的平均直径与阀座支撑体外直径的比例。如果其比值不够大时，球阀的密封性能将不能保证。相反，其比值过大，将会引起阀座密封圈过载，从而损坏阀座密封圈和引起阀门的操作转矩太大。但球前密封结构的球阀有其独特的优点：①阀门处于关闭位置时，填料和阀体中腔不承受介质压力，有利于阀杆密封的保护。②阀门处于关闭位置时，在加压一侧的阀体流道内不形成积液区。缺点是：①球体转动时需要的转矩相对偏大。②由于压力作用的有效面积增加，从而使球体固定轴承上的载荷增大。

2.2 球体后双向密封阀座（见图2）

图2

球阀关闭件的密封是依靠介质对安装在介质运动方向的球体后阀座密封圈的作用力来实现的，可以减小球体支撑轴承的载荷，安装阀座密封圈的阀座支撑体与阀体密封的外径小于阀座密封圈的平均直径。当阀门处于关闭状态时，介质压力压缩球前阀座支撑体背后的弹性元件，使球前阀座与球体分离，前阀座不起密封作用。相反，由于介质压力的作用，球后阀座在介质压力的作用下压紧球体，实现球体与阀座密封圈的完全密封。

为了保证这种阀座密封结构的球阀密封可靠性，阀座的内直径一般应大于球体的通道孔直径。同时，必须使如图2所示CDEF长方形的面积大于ABC三角形的面积。如果能保证D1与D2的尺寸相等，则就能保证CDEF长方形的面积大于ABC三角形的面积。

计算证明：

在较小通径的球阀中，要保证图示中的D1=D2，可能引起通道截面的较大缩小。这时可以考虑通过减小阀座密封面宽度的方法，提高阀座密封面上的必须比压，从而保证阀门的密封可靠性。在密封比压足够的条件下，可以设计成D1=0.92～0.95D2之间，但必须保持D3＞D2。球后密封结构的优点：①可以减少球体固定轴上的载荷。②减小球阀的操作力矩。缺点是：①需要适当减小阀门的通道面积。②阀体内腔和阀杆填料密封始终处于介质工作压力的作用下。

2.3 球体前后端同时密封（图3）

球体前后端同时密封球阀结合了球体前与球体后密封的共同特点，在原球后密封结构形式的浮动套筒外径再设计一个浮动套筒，使如图D1尺寸满足球体前密封结构的要求。如图3所示：由于D1＞DM；DM＞D2，故阀门进口端介质压力对阀座产生的作用力远大于阀门腔体中介质压力对阀座产生的作用力，而阀门腔体中介质压力对阀座产生的作用力又大于出口端介质压力对阀座产生的作用力。所以，不管压力高低，都能保证阀门进出口端同时密封。

图3

3 适用的场合

上述三种固定球球阀的密封结构适用于下列工况。

①通常在密封要求高、抗磨损、启闭动作要求迅速、大压差截止、低噪音、有气穴和汽化现象、操作力矩小、流体阻力小的管路中推荐使用球阀。②固定球阀也适用于软密封结构、低压差截止、有腐蚀性介质的管路系统中。③在氧气管路系统中，也可使用经过脱脂处理的固定球阀。④在输油管线和输气管线中，可以使用球阀。⑤在高温、高压蒸汽管路系统中，可选用金属硬密封固定球球阀。