关于3种无摩擦球阀结构的介绍与比较

王星

摘要：球阀在旋转运动过程中，球体与密封面有较大的摩擦，易形成内漏，对工业生产造成较大的损失。为解决这一难题，无摩擦球阀应运而生。本文主要介绍了3种结构的无摩擦球阀：轨道式、可伸缩密封面、楔形阀芯无摩擦球阀。

关键词：球阀；内漏；无摩擦；轨道式；可伸缩；楔形

1 概述

球阀由阀体、阀盖、球体、阀座和阀杆等组成[1]。阀体结构有全焊接、顶装式、两段式、三段式等[2]。球阀的密封是通过在球体和阀座之间预先设定的预紧力加上流体压力在阀座密封面上引起的作用力形成的。球阀在启闭过程中，预紧力始终作用在密封表面，加大了密封件的磨損，造成球阀内漏。

2 球阀内漏的危害

球阀密封面损坏并内漏后，其主要危害有：

（1）在重要的切断控制部位，内漏对下游设备、管线等产生压力影响，危及安全。

（2）导致不同介质产生混杂，轻则降低介质质量、介质报废，重则产生事故。

（3）维修不但人力、使用成本增加，而且需要停产，影响生产。

3 无摩擦球阀

随着工业生产的发展，阀门技术的运用也从材料和工艺上的“耐磨损”，向结构、原理技术的 “无磨损”方向进行发展，从而根本上解决阀门内漏问题。如近年来出现的的轨道式球阀、可伸缩密封面球阀，就是从结构、原理上创新，朝着阀门密封的 “无磨损”方向发展。这些阀门，都是通过结构技术避免传统球阀密封在启闭过程中保持紧密接触的摩擦状态，变成无摩擦运动的密封。在球体900转动的过程中，将球体和阀座分离，转动完成后，再将球体和阀座密封面紧密结合。根据结构形式，主要有以下几种：

3.1 轨道式无摩擦球阀

轨道式球阀结构主要由阀体、阀盖、阀杆、球体、阀座、阀杆导轨销、支架等零部件组成。阀门主要通过阀杆与球体间的联合运动来实现启闭。

（1）阀杆

轨道式球阀的阀杆上部除了螺纹以外还有一条 S 型导轨槽，导轨槽与导轨销配合来控制阀杆按设定轨迹升降，阀杆下端为前后平行的斜面，它通过与球体顶部两个销轴紧密配合，实现轨道式球阀球体的左右摆动及90°回转运动。阀杆的运动轨迹主要依靠阀杆上的导轨槽与支架上的固定导轨销来控制，导轨槽上下两端部为与轴线平行的直线端，中间端 S 形槽为 90°螺旋线。阀杆 S 型导向槽分为 A、B 两个运动区间，阀杆底部斜面分为 C、D两个传动区间。

A 段：阀杆上下直线运动区间；

B 段：阀杆旋转运动区间；

C 段：阀杆上下带动球体靠近或倾离阀座；

D 段：阀杆旋转带动球体同步旋转。

（2）球体

轨道式球阀的球体与普通球阀球体有所不同：

1）它是一种单面密封球体；

2）球体不仅做垂直于通道的 90°回转运动，还做一定的往复摆动；

3）轨道式球阀与普通球阀的作用相同，当球体密封面与阀座密封面相接触后建立密封关系。球体顶部还有一个与通道垂直的阀杆撬孔。阀杆撬孔是用于满足阀杆的上下运动、旋转以及对球体施加楔紧力的，阀杆在撬孔里做上下运动，与球体顶部左右销轴形成配合，完成球体的一系列预定动作（旋转、楔紧或分离），传递来自阀杆底部斜面所产生的压紧、脱开力[3]。

3.2 可伸缩密封面球阀

可伸缩密封面球阀，其球体由两个球面阀瓣、关闭传动闸板等构成。球体在阀杆带动下进行运动，其阀杆一般采用导轨结构。安装后的球体组件可随球体进行顺逆时针两个方向的90°旋转。在球体旋转带动球面阀瓣旋转的过程中，阀瓣与阀座之间都有一定的空隙，因此由阀瓣和阀座构成的密封之间完全没有摩擦的存在，不会产生密封损伤。

当阀门在完全开启的状态下，阀瓣与阀座的基准线在同一平面上相互垂直，此时通过操作，球体带动阀瓣在阀内进行90°转动，在到达阀瓣与阀座的基准线完全重叠时，球体及阀瓣即处于阀门的预备关闭状态，阀芯旋转停止并转变成闸板的下压运动，阀瓣在闸板作用下从球体伸出沿基准线向阀座做直线运动，并最终与阀座紧密挤压接触，实现阀门的完全关闭；当阀门在完全关闭的状态下，闸板首先向上运动，阀瓣在闸板的带动下，呈直线运动状态与阀座分离向球体内部收缩，收缩停止后阀门处于预备开启状态，此时球体带动阀瓣的90°旋转运动后停止，实现阀门的全开启。

3.3 楔形阀芯球阀

楔形球阀是采用楔形阀芯连接密封阀瓣主阀结构的球阀。开关动作时，按照类似DBB阀门动作行程，阀芯先提升，再旋转90°，然后向下运动实现内密封的动作过程，实现阀门的无摩擦启闭。通过结构设计，使阀门在全开位置时，亦能有效地将介质与阀体内腔截断，防止介质中杂质颗粒进入阀体内腔，损伤阀体密封面，阀门具有良好的抗污能力。

阀体内腔为球形，阀芯为倒楔形结构，密封阀瓣为球形结构，分别有一对开位阀瓣和一对关位阀瓣，开位阀瓣中间设计有流道内腔，与阀体的流道相匹配。阀芯的四周通过轨道结构分别连接有一对开位阀瓣和一对关位阀瓣，分别实现阀门打开、关闭时的密封功能。阀门处于全关时，通过操作器使阀芯提升，将关位阀瓣缩回，使关位阀瓣脱离阀体，在密封件与阀体无接触的情况下顺时针转动90?，使阀芯流道以及开位阀瓣与阀体的出入口流道左右对齐；然后操作器再使阀芯向下运动，楔形阀芯向外推动开位阀瓣使之与阀体贴合，密封件密封，且阀芯流道与开位阀瓣流道完全对齐，阀门完全打开，此时介质中杂质颗粒不能进入阀体内腔。阀门处于全开时，驱动机构反转，阀芯先向上提升运动，逆时针转动90?，直到关位阀瓣位置对准出入口，阀芯向下运动，径向挤压关位阀瓣使之与阀体密封面贴合，密封件密封，从而切断上游和下游，实现双向密封。

3.4 三种球阀比较

三种阀门都能实现无摩擦开关，极大地增加密封面的寿命，下面对三种阀门的相关特性进行了比较：

4 结语

无摩擦球阀以操作力矩小、无磨损、可在线拆卸维修和能耗低等特点，应用前景巨大。目前，各种新型的无摩擦球阀也日益出现，如模块化设计、气体驱动、弹性球体等新理念也应用到无摩擦球阀的设计中。随着传动机构设计和使用的日趋成熟，无摩擦球阀必将替代传统球阀，从而彻底解决内漏这一难题。

参考文献

[1]章华友，陈元芳. 球阀设计与选用. 北京：北京科学技术出版社，1994.

[2]朱喜平. 天然气管道球阀的维护及故障排除技术. 天然气工业，2005 25（7）：102-104.

[3]马祖达，武建斌. 轨道球阀的特性与设计[J]. 沈阳：阀门，1999，2～3.

（作者单位：中国石化销售有限公司华南分公司）