一、前言

    球閥的主要功能是切斷或接通管道中的流體通道。而閥座是球閥中最重要的部件之一，球閥關(guān)閉時(shí)，它起到阻止介質(zhì)從上游流到腔體、從腔體流到下游的作用。

    閥座的密封形式很多，常用的閥座密封可分固定閥座浮動(dòng)球體和固定球體浮動(dòng)閥座兩大類(lèi)。固定閥座浮動(dòng)球體，是在流體壓力作用下球體在流體流動(dòng)方向產(chǎn)生位移，使它與后閥座密封而更緊密地接觸，形成單面密封。固定球體浮動(dòng)閥座，是流體壓力不能使球體產(chǎn)生位移，而是閥座借助于彈簧或流體推力壓向球體，建立密封比壓�？尚纬呻p面密封。固定球體浮動(dòng)閥座雙可分雙截?cái)嗪团欧牛―BB）、雙隔離和排放（D1B）等結(jié)構(gòu)。

    二、典型的閥座密封結(jié)構(gòu)

    1.普通式軟密封閥座

    普通閥座（見(jiàn)圖1）的特點(diǎn)是，在預(yù)緊力或流體壓力作用下，閥座與球體壓緊，并使閥座材料產(chǎn)生彈塑性變形而達(dá)到密封，其密封效果取決于閥座在流體壓力或預(yù)緊力的作用下，能夠補(bǔ)償球體不圓度和表面微觀不平度的程度，因此，閥座與球體之間必須具有足夠大的密封比壓Q_b，并應(yīng)滿足Q_b＜Q≤[Q]。

圖1 普通式閥座

    2.彈性式軟密封閥座

    彈性閥座（見(jiàn)圖2）除了與普通閥座一樣外，還由于閥座本身的特殊結(jié)構(gòu)或借助于彈性元件，如金屬?gòu)椈杉�、彈簧等方法，在預(yù)緊力或流體壓力下產(chǎn)生彈性變形，以補(bǔ)償溫差、壓力、磨損等外界條件變化對(duì)球體密封性能的影響。

圖2 彈性式閥座

    3.彈簧組合式閥座

    彈簧組合閥座（見(jiàn)圖3）是沿閥門(mén)通道橫向截面圓周均布一組壓縮彈簧或僅用一只碟形彈簧的推力，始終保持閥座壓緊球體而達(dá)到預(yù)緊狀態(tài)。

圖3 彈簧組合式閥座

    4.活塞式閥座

    （1）雙截?cái)嘈狗砰y座（DBB）進(jìn)口介質(zhì)壓力產(chǎn)生密封力，閥座被推動(dòng)壓緊球體，密封圈產(chǎn)生彈塑性變形實(shí)現(xiàn)密封；一旦閥腔內(nèi)的壓力異常升高到大于下游端壓力時(shí)，形成的壓差作用產(chǎn)生向外推力，克服彈簧力使閥座與球體脫離，實(shí)現(xiàn)閥腔的壓力向下游排放，之后在彈簧的作用下，閥座重新與球體貼合，如圖4所示。

圖4 雙截?cái)嘈狗砰y座

    （2）雙隔離泄放閥座（D1B）進(jìn)口壓力產(chǎn)生的密封力，使閥座壓緊球體，密封圈產(chǎn)生彈塑性變形實(shí)現(xiàn)密封；當(dāng)中腔壓力大于出口壓力時(shí)，使閥座壓緊球體，密封圈產(chǎn)生彈塑性變形實(shí)現(xiàn)密封。它在使用時(shí)，一旦上游密封意外失效產(chǎn)生泄漏，下游閥座實(shí)現(xiàn)密封，如圖5所示。

圖5 雙隔離泄放閥座

    （3）雙重密封式閥座對(duì)于承受較大密封力的橡膠密封閥座，采用橡膠和塑料組合密封結(jié)構(gòu)，橡膠主要起密封作用，塑料起支承和輔助密封雙重作用，如圖6所示。

圖6 雙重密封式閥座

    5.特殊結(jié)構(gòu)型閥座

    （1）內(nèi)、外調(diào)節(jié)式閥座    內(nèi)調(diào)式閥座（見(jiàn)圖7a），是閥座與球體之間的密封比壓，靠?jī)?nèi)調(diào)整螺母調(diào)節(jié)的，它的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有向外的泄漏點(diǎn)。外調(diào)式閥座（見(jiàn)圖7b），是閥座與球體之間的密封比壓，靠外部調(diào)節(jié)螺塞來(lái)壓緊楔塊，使伸縮套產(chǎn)生位移來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整。

圖7 內(nèi)、外調(diào)節(jié)式閥座

    （2）波紋管式閥座波紋管一般采用電子束焊或氬弧焊，與閥座和導(dǎo)向套相連，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證閥座密封中心小于波紋管中徑，具有密封性可靠，彈性補(bǔ)償范圍大，如圖8所示。

圖8 波紋管式閥座

    （3）注脂密封式閥座為了增加密封性能，減小閥座的摩擦和磨損，延長(zhǎng)使用壽命，并防止球閥在使用過(guò)程中，因閥座損壞或火災(zāi)而造成事故，可在閥座上增設(shè)一組注脂孔，如圖9所示。注脂密封僅起輔助密封作用或作為臨時(shí)應(yīng)急措施。

圖9 注脂密封式閥座

    （4）雙推動(dòng)式閥座當(dāng)N室與控制壓力接通時(shí)，閥座與球體壓緊并保持密封，當(dāng)M室通控制壓力而N室向外界排出壓力時(shí)，閥座即后退，使之與球體脫離接觸，閥座與球體之間的磨損和摩擦以及操作力矩更小，適合于高中壓大口徑球閥，如圖10所示。

圖10 雙推動(dòng)式閥座

    （5）組合式閥座該閥座（見(jiàn)圖11）實(shí)際上是由彈簧組閥座與活塞式閥座相結(jié)合而成，前者起主要密封作用，后者接通控制壓力，起輔助密封作用。

圖11 組合式閥座

    6.硬密封閥座結(jié)構(gòu)

    （1）本體堆焊密封閥座堆焊閥座（見(jiàn)圖12）就是在某種金屬材料上堆焊硬質(zhì)合金，閥座帶有一個(gè)彈性尾座，有利于減少密封面的摩擦損傷。

圖12 本體堆焊密封閥座

    （2）多層次密封閥座 多層次密封閥座（見(jiàn)圖13）就是多層不銹鋼片和多層薄石墨片交替疊放經(jīng)特殊的加工手段卷壓而成的，提高了高溫高壓下的性能。

圖13 多層次密封閥座

    （3）空心管密封閥座 空心管密封閥座（見(jiàn)圖14）內(nèi)外是襯套，中間是不銹鋼管，靠空心的彈力使閥座壓緊球體。

圖14 空心管密封閥座

    （4）旋轉(zhuǎn)式密封閥座旋轉(zhuǎn)閥座（見(jiàn)圖15）主要特點(diǎn)是閥門(mén)在啟閉過(guò)程中，閥座可沿通道軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)在閥座的圓周上分布一系列齒牙，球體每關(guān)閉一次，閥座旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒。這樣設(shè)計(jì)的目的是使閥座沿圓周產(chǎn)生均勻磨損，從而改善了閥座工作狀況，延長(zhǎng)了閥座的使用壽命。

圖15 旋轉(zhuǎn)式密封閥座

    三、閥座密封材料

    影響密封性能的因素很多，也很復(fù)雜。主要有：密封面的質(zhì)量、材料、結(jié)構(gòu)、尺寸及流體的性質(zhì)、溫度等。閥座密封材料主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是特殊高分子材料，二類(lèi)是金屬密封材料。

    1.特殊高分子材料

    高分子材料，它可分通用高分子材料和特殊高分子材料兩大類(lèi)。通用高分子材料主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和呋喃樹(shù)脂等。特殊高分子材料主要有聚四氯乙烯、聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯、聚醚醚酮和聚酰亞胺等。這里介紹特殊高分子材料所采用的閥座密封材料。

    （1）聚四氟乙烯（PTFE）聚四氟乙烯具有優(yōu)良的耐熱性和耐寒性，并具有不粘性、良好的自潤(rùn)滑性和低摩擦因數(shù)（0.05）等特點(diǎn)，具有“冷流傾向”。可長(zhǎng)期工作在－250～260℃之間，可承受5MPa載荷，抗伸強(qiáng)度為10～30MPa，彈性模量為400MPa，抗壓強(qiáng)度為7.0MPa，彎曲強(qiáng)度為14MPa。能耐濃酸、濃堿、強(qiáng)氧化劑（如王水）以及任何濃度沸騰的氫氟酸等所有其他介質(zhì)，故有“塑料之王”之稱。

    （2）聚三氟氯乙烯（PCTFE）聚三氟氯乙烯具有優(yōu)良的耐寒性，強(qiáng)度和硬度都相當(dāng)高，尺寸穩(wěn)定性好，沒(méi)有“冷流傾向”。使用溫度在－195～120℃，抗伸強(qiáng)度為35～40MPa，彈性模量為1300MPa，抗壓強(qiáng)度為50～70MPa，彎曲強(qiáng)度為70MPa。能耐較高溫下的無(wú)機(jī)酸、鹽溶液，較低溫度下的強(qiáng)氧化劑，也能耐室溫下的大多數(shù)有機(jī)介質(zhì)。

    （3）聚全氟乙丙烯（PFEP）聚全氟乙丙烯具有耐高溫、低溫性能，可在－85～205℃范圍內(nèi)長(zhǎng)期工作，抗伸強(qiáng)度為19～20MPa，抗壓強(qiáng)度為7.0MPa，彎曲強(qiáng)度為14MPa。具有與聚四氟乙烯相當(dāng)?shù)膬?yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐所有的各種濃度的無(wú)機(jī)酸、堿、醇、酮、烴類(lèi)、鹵代烴、芬烴、油脂以及去污劑等。

    （4）聚酰胺（簡(jiǎn)稱N1010）聚酰胺俗稱尼龍，在常溫下具有較高的抗伸強(qiáng)度，良好的沖擊強(qiáng)度，高的硬度和疲勞強(qiáng)度，特別是耐磨性和自潤(rùn)滑性能優(yōu)異，低摩擦因數(shù)（0.03）等特點(diǎn)。密度為1.5g/cm³，熱導(dǎo)系率為0.25W/（m·℃），線脹系數(shù)約在10.5×10^-5/℃，抗伸強(qiáng)度為196MPa，彈性模量為1300MPa，抗壓強(qiáng)度為310MPa，彎曲強(qiáng)度為310MPa，耐化學(xué)性能良好，耐弱酸、弱堿和一般溶液，耐油性能極為優(yōu)異。

    （5）對(duì)位聚苯（簡(jiǎn)稱PPL）對(duì)位聚苯具有耐高溫性、耐化學(xué)腐蝕及抗溶劑性、自潤(rùn)滑性和耐輻射性，低摩擦因數(shù)（0.13）等特點(diǎn)。密度為2g/cm³，線脹系數(shù)約5.1×10^-5/℃，硬度為80HS，抗伸強(qiáng)度為16MPa，抗壓強(qiáng)度為48MPa，彎曲強(qiáng)度為28MPa。能耐硫酸、氫氟酸等強(qiáng)酸強(qiáng)堿的腐蝕。

    （6）聚醚醚酮（簡(jiǎn)稱PEEK）聚醚醚酮具有熱固性塑料的耐熱性，化學(xué)穩(wěn)定性和熱塑性塑料的成形加工性能，最突出的性能是耐熱性，最高連續(xù)使用溫度可達(dá)240℃以上，玻璃纖維增強(qiáng)可達(dá)300℃以上，密度為1.3g/cm³，抗伸強(qiáng)度為162MPa，彎曲強(qiáng)度為233MPa。耐腐蝕性，除濃硫酸及硝酸外，能耐大多數(shù)酸及無(wú)機(jī)溶劑的侵蝕，可在200～260℃的蒸汽中長(zhǎng)期使用。

    （7）聚酰亞胺（簡(jiǎn)稱PI）聚酰亞胺是一種新型耐高溫工程塑料，可在－240～260℃的空氣中長(zhǎng)期使用，具有優(yōu)異的電絕緣性、耐磨性、抗高溫輻射性能和物理力學(xué)性能，抗伸強(qiáng)度為100MPa，彈性模量為4MPa。在室溫下能耐稀酸和大多數(shù)有機(jī)溶劑，但不耐強(qiáng)氧化酸和強(qiáng)酸，也不宜長(zhǎng)期浸于水中。

    2.金屬堆焊密封材料

    金屬密封即金屬對(duì)金屬密封，密封表面硬度高且有合適的硬度差�？赏ㄟ^(guò)表面硬化來(lái)提高硬度，增強(qiáng)耐磨性能。主要采用熱噴涂、電弧噴涂、噴焊、堆焊、表面滲氮、化學(xué)鍍HCr、化學(xué)鍍鎳以及鍍鎳磷合金等工藝。常用材料主要有鉻基硬質(zhì)合金（見(jiàn)表1）、鈷基硬質(zhì)合金（見(jiàn)表2）焊條。

表1 鉻基硬質(zhì)合金

表2 鈷基硬質(zhì)合金

    四、各種結(jié)構(gòu)閥座的應(yīng)用及工況

    （1）軟密封閥座

    球閥的截止作用是靠金屬球體在介質(zhì)的作用下，與塑料閥座之間相互壓緊來(lái)完成的（浮動(dòng)球球閥）。閥座密封圈在一定的接觸壓力作用下，局部地區(qū)發(fā)生彈塑性變形。這一變形可以補(bǔ)償球體的制造精度和表面粗糙度，保證球閥的密封性能。

    軟密封球閥通常是采用橡膠、尼龍和聚四氟乙烯等塑料作為閥座密封圈材料，因此它的使用溫度受到閥座密封圈材料的限制，而且?guī)ьw粒狀的介質(zhì)使得密封圈損壞。故在選擇球閥的結(jié)構(gòu)和性能上，要考慮球閥的耐火、防火和粉末狀，特別是在石油、化工、冶金等行業(yè)，在易燃、易爆介質(zhì)的設(shè)備和管路系統(tǒng)中使用球閥，更應(yīng)注意耐火和防火。

    （2）硬密封閥座

    硬密封球閥的最大特點(diǎn)就是它的密封副都是金屬與金屬密封，閥座堆焊了硬質(zhì)合金，表面硬度高達(dá)60HRC，使用溫度高達(dá)500℃，工作介質(zhì)可以是泥漿、黑灰水、煤炭粉等固體硬顆粒介質(zhì)，在石油、石油化工、化工、電力以及城市建設(shè)中，工作溫度在200℃以上的管路系統(tǒng)可選用。

    （3）閥座防火結(jié)構(gòu)

    管線球閥的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，閥座防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，它能夠有效保證在火災(zāi)事故時(shí)，減少介質(zhì)的內(nèi)漏和外漏。保證在消防隊(duì)員到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)前，不因閥門(mén)使火災(zāi)事故擴(kuò)大。在火災(zāi)情況下，閥座泄漏的途徑一般有三種：介質(zhì)通過(guò)閥座與球體之間；閥座注脂孔與閥體之間；閥座與閥體之間產(chǎn)生泄漏。解決的辦法在O形圈與中腔之間設(shè)計(jì)一道防火圈和球體與閥座之間設(shè)計(jì)防火圈。

    （4）特殊閥座

    隨著能源競(jìng)爭(zhēng)的加劇和長(zhǎng)輸管道工業(yè)的發(fā)展，在原油管輸技術(shù)方面，針對(duì)稠油開(kāi)采量的增加及原油開(kāi)采向深海發(fā)展的現(xiàn)狀，世界各國(guó)都在大力進(jìn)行高黏易凝原油長(zhǎng)距離管道常溫輸送工藝的試驗(yàn)研究；天然氣管道正向大口徑高壓力方向發(fā)展。作為在長(zhǎng)輸管道上承擔(dān)重要任務(wù)的管道球閥，它的內(nèi)部工作環(huán)境就會(huì)變得更加惡劣，要求其更加耐磨、耐蝕、耐沖刷。這就需要有特殊的閥座相配套，才能滿足市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的需要。

    五、結(jié)語(yǔ)

    硬閥座和軟密封圈是球閥最關(guān)鍵的部件，密封圈應(yīng)具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、較小的摩擦因數(shù)、不易老化以及穩(wěn)定的密封性能。閥座應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和剛度，配合間隙適中，受壓時(shí)不易變形。特別是金屬硬密封閥座，對(duì)閥座密封功能提出苛刻的要求，需滿足高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、超低溫、零泄漏、長(zhǎng)壽命、防火安全、耐壓和耐磨等功能。