浮動球閥的密封原理及結構簡介

球閥的問世是第二次世界大戰以后的事，雖然它的發明可以追溯至20世紀初期，但是這一結構 由于當時材料工業和機械加工業的限制，未能完成其商品化的步驟。一直到1943年，美國杜邦公司發明了一種高分子材料聚四氟乙烯（PTFE）塑料，這種材料具有足夠的抗拉和抗壓強度，一定的彈塑性，良好的自潤滑特性，以及優良的耐蝕性能，十分適宜作為密封材料，可獲得十分可靠的密封效果。另一方面，由于車球機和磨球機的進步，可以加工高圓度和表面光潔度的球體作為球閥的啟閉件。這樣，一種全通徑，90°角行程回轉的閥門新品種進入閥門市場， 引起廣泛的關注，逐步取代傳統的閥門產品截止閥、 閘閥、旋塞閥和蝶閥，并不斷地擴大其應用領域，從 小口徑到大口徑，從低壓到高壓，從常溫到高溫、到低溫。目前，球閥的zui大口徑已發展至60in，zui高壓力等級為4500磅級，zui低溫度可達液氫溫度 -254°C,zui高溫度可達850?900°C，適用于各種介質以及氣-固，液-固兩相流，成為zui有發展前景的一 種閥門類型。

球閥就結構原理言，可以分為浮動球固定閥座球閥，簡稱浮動球球閥（floating ball valve）和固定球浮動閥座球閥，簡稱固定球球閥（trunnion mounted ball valve）兩大類。

按閥體的結構形式分，可以分為上裝式球閥和側裝式球閥。側裝式球閥又可分為整體式、兩段式和三段式，即閥體是整體的，閥體由主、副閥體組成的和閥體由一個主閥體、兩個副閥體組成的三種結構形式。

按閥門密封材料分，可以分為軟密封球閥和硬密封球閥。軟密封球閥的密封材料為：聚四氟乙烯 （PTFE）、增強聚四氟乙烯、尼龍等高分子材料和橡膠；硬密封球閥密封材料為金屬。

按閥門的功能分，可以分為二通開關閥、三通和四通換向閥，以及調節型球閥。

按操作方式分，可以分為手動、蝸輪傳動、氣動、氣液聯動、電動、電液聯動、液動等。

按閥門的連接方式，可以分為法蘭端連接、焊接端連接和螺紋端連接。焊接端又可以分為承插焊和對焊焊接連接。

另外，根據用戶的工況需要直接命名的特種球閥，如管線球閥用于長輸管線；夾套球閥用于管線加 熱、保溫；襯塑球閥用于防腐蝕；鎖猹球閥用于煤氣化爐渣液排放，以及用于電廠高溫高壓蒸汽的疏水球閥等。

按球閥啟閉件球體的形狀與大小，可以分為V 形球閥，半球閥，全通徑和縮徑球閥等。

按照使用的介質溫度，可分為高溫球閥，低溫球 閥和深冷球閥。

按照閥體材料，可以分為碳鋼球閥，不銹鋼球閥，鈦合金球閥，蒙乃爾球閥，塑料球閥，銅球閥， 鋁合金球閥等。

不管對球閥進行如何分類，從球閥產品的制造和應用角度看，zui重要的是從閥門結構和密封材料來分類，即浮動球球閥和固定球球閥，軟密封球閥和硬密 封球閥是兩個zui重要的分類方法。其次是按服務工況需要直接命名的特種球閥，下面按照這一分類方法進一步來討論球閥的結構原理以及它們的應用。

3.2.1浮動球球閥的密封原理和結構特征

（1）浮動球球閥密封原理

浮動球球閥的啟閉件是一個球體，中間有一個與管道通徑相等的通孔，進口端和出口端各置一個用PTFE制造的密封座，并被包容在一個金屬的閥體 內，當球體內的通孔與管線通道重合時，閥門處于開啟狀態；當球體內的通孔與管線通道垂直時，閥門處 于關閉狀態。閥門從開啟至關閉，或者從關閉至開啟球體回轉90°角行程（圖3-1）。

當球閥處于關閉位置時，進口端的介質壓力作用在球體上，產生一個推動球體的力，使球體緊壓出口 端的密封座，在密封座的錐面上產生一個接觸應力， 形成一個接觸帶，接觸帶單位面積上的作用力稱為閥門密封的工作比壓g，當這一比壓大于密封所必需的 比壓時，閥門就獲得了有效的密封。這種不是靠外力的密封方式，由介質壓力密封的，稱為介質自密封。 在設計中，應滿足：

式中qb——密封必需的比壓，與密封材料和球體的加工精度有關，MPa;[g] 密封材料的許用比壓（[qCIptfe^SO，[9]尼龍=40），MPa。

應該指出，傳統的閥門如截止閥、閘閥、中線蝶閥、旋塞閥是靠外部施加的力，作用在閥座上來獲得可靠的密封，這種借外力施加而獲得的密封，稱之為強制密封。外部施加的強制密封力帶有隨意性和不確定性，不利于閥門的長期使用。球閥的密封原理是作用在密封座上的力，由介質的壓力產生的。這一作用力是穩定的，是可以控制的，由設計時確定。

①為了保證球體在關閉位置時，能產生一個介質的作用力，事先在閥門裝配時，球體必須緊貼密封座，而且需要過盈，產生一個預緊比壓，這個預緊比壓為0.1倍工作壓力且不小于2MPa。這個預緊比壓的獲得，*靠設計的幾何尺寸來保證。如果設球體 和進口、出口密封座組合后的自由高度為A;左、右 閥體組合后內腔容納球體、密封座的寬度為B，則裝配后產生必需的預緊比壓所需的過盈為C，必滿足： A-B=C0這個C值必須由零件加工的幾何尺寸來保證。可以設想這個過盈C是很難確定和保證的。 過盈值的大小直接決定閥門的密封性能和操作力矩。

②應該特別指出，早期國產的浮動球球閥（圖3- 2）由于裝配時過盈值難于控制，常常用墊片調整，很多制造商甚至在手冊中把這一墊片稱為調整墊。這樣， 裝配時主、副閥體的連接平面之間存在間隙，這一間隙的存在，由于使用中介質壓力波動和溫度的波動，以及外部管線載荷作用，會使螺栓松弛，引起閥門外漏。

③當閥門處于關閉位置時，進口端的介質力作 用在球體上，會使球體的幾何中心產生一個微小的位移，與出口端閥座緊密接觸，增加密封帶上的接觸應力，從而獲得可靠的密封；而進口端閥座與球體相接觸的預緊力將減小，影響進口密封座的密封性能。這 種球閥結構，就是在工作狀態下，球體幾何中心有微小位移的球閥，稱之為浮動球球閥。浮動球球閥是出口端密封座密封，進口端閥座是否有密封功能是不確定的。

④浮動球球閥結構是雙向的（bi-direction）,即兩個介質流動方向均可密封。

⑤球體相接的密封座是高分子材料制造的，球體轉動時，可能產生靜電，如無特殊的結構設計—— 防靜電設計，則靜電可能在球體上積聚。

⑥對于由兩個密封座組成的閥門，閥腔可能積聚介質，某些介質可能由于環境溫度和使用工況變化而異常升壓，引起閥門壓力邊界的破壞，應予以注意。

（2）浮動球球閥結構特征

進一步分析球閥的結構，并與傳統閥門做一個簡明的比較。

①全通徑，就是與管線的流道直徑相等，具有zui大的流通能力，zui大的流量系數Cv值，或者說流阻zui小。這在工程上應用具有十分重要的意義，特別是從節能環保的角度而言，球閥是一個節能產品。對 于一個2in的閥門，球閥與其他結構形式的閥門，如 閘閥、截止閥、蝶閥、旋塞閥，其流量系數比較如表 3-1 所 7K。

水，在lpsi （0. 07bar）的壓差下，流經閥門每分鐘的加侖（美制）數。

至于球閥的流量特性，即開度與流量系數的關系為等百分比特性（圖3-3）。球閥的開度為50%時， 其流量系數僅為額定值的10%,開度為80%時，僅為額定值的40%。球閥作為調節閥使用具有近似于 等百分比流量特性。

②球閥的啟閉閥桿做回轉運動，和蝶閥、旋塞 閥一樣，不同于做直線運動的閘閥和截止閥。回轉的角度是90°角行程，與直線運動的閥門比較，啟閉方便，便于實現閥門操作的選用電動裝自動化。如果置，直線行程的閥門選用的是多回轉電動裝置，做 90°角行程的閥門選用的是部分回轉角行程回轉的電動裝置。

球閥的兩大特點是球閥的發展以及在工業領域中不斷替代傳統閥門的動力。因此，在球閥問世之后其市場的占有量每年以20%的速度遞增，是發展zui為迅速的一個閥門品種。但在球閥的發展中，對于閥門高的密封要求和低的操作力矩要求始終是產品追求的兩個目標，而這兩個目標是一對矛盾，這一矛盾的對立與統一，進一步促進球閥的發展。其中zui重要的發展是密封座結構的改進。

球閥填塞式密封結構（圖3-4）是早期球閥密封座的標準設計，一個形狀簡單的由PTFE制造的圓環裝在球體和閥體之間，這種密封座結構稱為“填塞式” 密封（jamseal）。可以設想，這種結構設計很難來控制裝配過盈量C，或者說，裝配時預緊比壓值對過盈 量C的變化十分敏感，制造的球閥不是過盈量太小而容易泄漏，就是過盈量太大而轉矩太大，制造不出品質優良的產品。特別是當閥門用在過程工業中，閥門 要經受壓力波動和溫度波動，這時填塞式密封的球閥的缺陷被顯示出來。因為填塞式密封的塑料應變發生在球體與密封座和閥體與密封座之間，這兩個區域的 接觸應力大小，決定閥門的密封性能。在閥門使用中，不希望這一接觸應力會產生松弛而引起內漏。

因此，希望密封材料像橡膠一樣，受壓時可以發生較大的變形，來填補金屬表面的微觀不平度，而當應力消除后又能回復其原來的形狀，這種現象被稱為材料的“記憶特性”，一個較好的例子是橡皮筋，可以被拉得很長，應力一旦消失，就回復到其原來的形狀，所以工程上很多場合選用橡膠密封圈作密封材料，但PTFE就不具備這種“記憶特性”，它的彈性范圍很小，塑性范圍很大。而且當應力達到一定程 度，就產生“冷流”現象，就是發生了宏觀的形狀變化。例如PTFE在常溫下，產生“冷流”的極限應力為42MPa。溫度上升時，這一值迅速降低，當溫度為150°C時，產生“冷流”的極限應力值為4. 7MPa。

另一個缺陷是熱膨脹特性，通常希望密封材料的熱膨脹系數和金屬材料接近，這樣環境或者工況溫度

變化時，密封材料的“過盈”量不會發生明顯的變化，遺憾的是PTFE的熱膨脹系數是鋼的7. 5倍，這 就使當溫度升高時，密封材料的過盈量增加，閥門的關閉轉矩增加，開關失靈。當溫度下降時，密封材料收縮，保持密封的過盈量消失，閥門就產生泄漏。

如果把PTFE的“冷流”特性和熱膨脹特性結合來考慮，問題就變得更加嚴重，就是一旦發生較大的熱循環現象，由于PTFE的膨脹比金屬膨脹大得多， 過盈量增加，壓縮應力增加，超過冷流極限，密封材料就產生“冷流”，溫度下降后，其他材料回復到其原來的形狀，而密封材料PTFE例外，產生了“冷 流”，發生了嚴重的變形，裝配時的密封座PTFE的過盈量消失，閥門就產生了不可恢復的泄漏。

（2）唇式

基本上述情況，就要設計一種密封座的形狀，克服PTFE的“冷流”和熱膨脹特性的缺陷來改善其記憶特性。這種密封結構稱之為具有撓性的唇式密封技

術（lip~seal）0

有許多種的撓性設計可以來解決這一問題，從而出現各種各樣的密封結構被申請了，這已是20 世紀60?70年代的事。而它的設計技巧和原理并未被工程師們所認識。圖3-5所示是唇式密封座的一種結構，它有一個特別的形狀，有兩個密封接觸點，一 點與球面接觸，另一點與閥座接觸。在介質力水平方向作用下，密封座的形狀發生變化，產生一個恢復原 始形狀的撓曲力。當介質力消失后，恢復原來的形狀，獲得了 “記憶特性”，這種密封座稱為撓性唇式密封座。

對于撓性唇式密封座可以做一個壓力和變形的實 驗（圖3-6），圖中的曲線表示2 in球閥密封座的效率曲線。區域A的面積表示密封座的zui大變形能，區域B的面積表示壓力去除后變形的回復。同時又可以看到，設計的2in球閥唇式密封座的zui大初始變 尺寸可達到2. 5_。裝配后唇式密封座彈性變形尺寸可達到1. 5mm為了使唇部的變形量不致過大，防止可能發生的*變形，所以在唇式密封座設計時考慮有一個支撐點來限制其過度變形的發生。如圖3-7所示。這一改進使密封座具備下列功能：

①球體保持在閥腔中心，球體浮動是微小的；

②裝配后，唇部發生變形，能儲存彈性變形能， 實現低壓下的密封；

③密封座上有一支撐點，當壓力升高，溫度升高時，平衡部分作用在密封座上的介質力；

④防止材料可能產生的“冷流”。

這種截面形狀的唇式密封座裝配前的形狀如圖 3-7 （a）所示。裝配后的形狀如圖3-7 （b）所示，有四個接觸點，B點是與球體接觸的密封點，A點是與閥體接觸的密封點，C點是與球體接觸的支撐點，D 點是與閥體接觸的支撐點。裝配前后唇緣的形狀變化，儲存了材料的彈性變形能，像彈簧一樣。而且當溫度或壓力升高時，進一步吸收彈性變形能，當溫度或壓力下降時，泄放彈性變形能來獲得記憶特性。

另外，還有一個閥腔內壓力夾持的問題，就是 ANSI B16. 34-2009《法蘭、螺紋和焊接端閥門》標準中，第2. 3. 3節提出的介質熱膨脹。“在某些情況 下，一些雙密封座的閥門結構可能會同時對中腔至相鄰管線的壓力差造成隔離，當中腔充滿液體或部分充 滿液體，并受到溫度升高的影響，就會造成中腔壓力的異常升高，從而導致壓力邊界的失效。如果發生這種情況，購方應要求供方提供設計、安裝或操作程序 以確保閥腔中的壓力不超過本標準規定的材料壓力- 溫度許可值。”

解決這一問題可以在球體上鉆一個孔，當球閥關閉時，腔體與進口端管道相通，夾持在腔體中的液體可以向進口端排出，但球閥失去雙向流動的優點，在某些工程中不能被接受。也可以在殼體上裝一只安全泄放閥，將增加麻煩，因此希望密封座具備自泄放功能。當腔體壓力升高時，自動向進口側或出口側排放。

為說明這一結構的實施過程，先參考圖3-7 （a） 所示是未裝配前密封座狀態；圖3-7 （b）所示是裝配后密封座發生了變形，變形后根部C與球體接觸， 原來根部與球體的間隙消失，唇緣被壓縮而彎曲，這一變形使整個環向中心有一個彎矩，B、C兩點是兩條密封線。A、D兩點是在閥體上與密封環接觸的兩條密封線，腔體內的壓力與進口、出口介質壓力相隔 離。如果在密封座外緣開泄放槽，如圖3-7 （c）中虛線所示，腔內的介質合力方向是增加密封的可靠性。 如果再在根部幵泄壓槽，如圖3-7 （d）中虛線所示， 介質合力的方向改變，傾向于將唇邊彎曲，當腔內壓力異常升高時，唇邊處將使閥門內壓力泄放。這就是 為滿足ANSI B16. 34第2. 3. 3節壓力泄放的要求而

設計的唇式撓性密封座，被廣泛用于現代浮動球球閥的產品中。

另外，在介質壓力升高和環境溫度升高時外緣的 槽和根部的槽減輕了密封座對球體夾持力的增加，亦減少了操作力矩。

閥門在使用中有一個閥體材料的壓力-溫度額定值，這一數值是由標準ANSI B16.34給出。例如， 一個Class 150的碳鋼A105球閥，在常溫一29? 38°C時的zui高工作壓力為19.6bar，但在200°C溫度 時，zui高工作壓力為13. 8bar。表3-4是Class 150， Class 300，Class 600浮動球球閥閥體壓力-溫度額定值的數據。

另外，不同密封材料制作的密封座在使用中也有一個額定值，這個值與壓力、溫度、口徑以及結構形式有關。因此，這一數值由制造廠提供，對于一個給定的密封材料和密封結構，一般都以圖表形式來表示產品的壓力和溫度的使用范圍。

圖3-8所示是上海耐萊斯•詹姆斯伯雷閥門有限公司提供的9000系列球閥密封座的壓力-溫度額定值。T表示傳統PTFE，M表示增強PTFE，B表示 PFA塑料，1/表示聚乙烯，L表示PEEK, i?表示旦林，V表示Polymide，一組虛線表示Class 150， Class 300閥體的壓力-溫度額定值。曲線表示水蒸氣 的飽和蒸汽壓（saturated steam） 0

PTFE的發明對球閥的發展起著很大的作用，沒有它恐怕不會有球閥的巨大發展。但隨著時間的推進，PTFE在具有許多優點的同時逐漸顯露出一些缺點，如前面提到的“冷流”和熱膨脹，以及壓力-溫 度使用等級的限制。因此，有必要討論密封材料的發展以及它們的適用范圍

密封材料就大范圍而言可以分為兩類，一類是高分子材料PTFE及其他聚合物，能保障可靠的密封； 第二類是金屬，一般情況只能保障低泄漏率，金屬密封材料將在金屬密封球閥中討論，這里只介紹高分子材料聚合物的軟密封材料。

某些聚合物密封的球閥，工廠試驗可以達到無可見氣泡泄漏，即“零”泄漏。而且在許多場合，在使用的持續時間內保持這一性能。影響密封性能重要的因素是使用的介質，如果閥門的使用條件十分嚴峻， 如腐蝕性介質，高溫、高壓等則密封性能會受很大影響。

密封性能的壽命受下列因素影響：壓力、溫度、壓 力的波動程度，介質流速，閥門操作速度與啟閉頻率。 在實際使用中，這些因素是交叉影響。因此，要獲得長期的使用壽命和嚴酷的工況，就要發展密封材料。

①聚四氟乙烯（PTFE）純的PTFE是球閥zui基本的密封材料，它既具有一定的耐溫范圍，從低溫 至zui高350下（177°C），又具有優良的抗化學穩定性

和自潤滑特性，適用范圍較廣。

②填充PTFE填充的或者增強的PTFE塑料， 實際上具有純PTFE的一切特性，而其溫度的適用范圍增大，對4in以下的球閥可擴大至400T （205°C）。 填充的材料一般是玻璃纖維、碳、石墨等。

③金屬增強的PTFE填充的材料銅粉或其他金屬粉末，設計這種密封材料是專門用于較強的壓力波動的場合，主要用于紙漿廠蒸煮器的放料系統。

④特種尼龍特種尼龍密封座適用于FTFE不 能適應的更高壓力的場合，根據閥門的類型和尺寸大小zui高可以達到4500psi，但它的抗化學穩定性較低， 廣泛用于高壓液體、空氣及其他氣體（不包括氧氣） 的系統中。

⑤旦林是聚甲醛的商品名稱，具有類似金屬的硬度、強度和剛性。較寬的溫度和濕度下有很好的自潤滑性，摩擦因數低，富有彈性，對大多數溶劑有較好的耐蝕性，其缺點是對強酸、強氧化劑敏感。適用溫度一40?116°C，抗拉強度為69MPa，剪切強度 65MPa,彎曲強度97MPa，線脹系數為（9.6? 12.8）X10-5 • °0-!,成形方法為注塑，zui高壓力可達

圖3-12是上裝式閥體浮動球球閥的外形圖。閥 體是整體結構，上部開孔具有很好的剛性，與密封座相接的面是兩個有3°傾角的斜面，球體與密封座組成后由上部裝入，為了使密封座與球體組裝后有一個 3°傾角的斜面，球體通道的中心線偏離球體中心，也有一個3°的傾角。球體與閥桿可以在球體與閥蓋之間設置一彈簧，增加密封座的預緊力。這種結構的優點是可以在線維修，缺點是整體重量大，工藝復雜， 成本高。對于浮動球結構的適用于Classl50， Class300, Class600,通徑 NPS8 以下的規格。

來源：上海自動化儀表銷售網（www.40017.net）

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