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不銹鋼球閥密封結構分析與研究
球閥以其眾所周知的特點，廣泛應用于各種管路系統的快速切斷、改變介質流向和自動控制，可采用手動、電動或氣動等驅動方式。圖 1 為球閥的典型結構（未考慮驅動方式）。
在球閥的使用性能中，密封性是其主要指標之一。從圖 1 可見，球閥的密封結構主要由三部分組成，其一為主、副閥體間的密封，由密封調整墊片實現；其二為主閥體與閥桿間的密封，由標準“V”形填料或 0 形密封圈實現，組成球閥的外密封結構。其三為球體與主、副閥體間的密封，由密封座實現，組成球閥的主密封結構。主密封結構的密封性影響球閥的工作性能，是球閥設計和制造中關鍵的密封結構。本文將重點討論球閥主密封的非金屬密封（又稱軟密封）結構問題。
1 球閥的密封性要求
球閥的密封性指標由內泄漏和外泄漏要求確定，國家標準規定非金屬密封球閥的密封性按 GB/T13927《通用閥門壓力試驗》的 A 級執行，要求“在試驗持續時間內無可見泄漏”；航天行業標準規定地面氣體管路系統用球閥“在 0.05 MPa 和 1.1 倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓 3 min ，內泄漏率應不大于 3×10-5 Pa·m3/s（無氣泡逸出）；在 1.1 倍公稱壓力的氣壓條件下，保壓 3 min ，外泄漏率應不大于 1×10-5 Pa·m3/s（無氣泡逸出）。”
2 影響球閥密封性的主要因素
影響球閥密封性的主要因素有密封面的粗糙度和球體圓度參數。眾所周知，無論采用如何先進的加工技術，都不可能完全消除球體的圓度誤差及密封面的微觀缺陷，因此，為了達到良好的密封效果并保證加工過程可以實現，必須確定合適的密封面粗糙度和球體圓度參數值。有關資料推薦，球體密封面的粗糙度 Ra 值最大允許值為 0.4 μm；密封座粗糙度 Ra 值在以聚四氟乙烯為密封材料時最大允許值為 0.8 μm。球面的圓度公差，按 GB/T1184 附表 2 的 6 級精度較為合適。
3 球閥主密封結構分析
早期的球閥，一般采用金屬材料作為密封結構（又稱硬密封），隨著工程塑料技術的發展，尤其是聚四氛乙烯的出現，使球閥密封結構有了一種較為理想的密封材料。常見的球閥主密封結構的軟密封形式有剛性密封座、帶彈性元件的密封座、聚四氟乙烯唇式密封座和彈性脹圈與聚四氟乙烯唇式密封座組成的組合型密封座等形式。唇式密封座具有的唇形結構，使其具有較好的彈性，在使用中可保證密封面的預壓縮量并可對密封面的預壓縮量進行補償而優于剛性結構。但使用中發現，聚四氟乙烯的彈塑性變形能力及在溫度變化條件下的穩定性仍不十分理想，且具有較大的冷流趨向；同時，由于球閥的使用壓力變化范圍較大，因此，采用聚四氟乙烯作為密封材料制成的唇式密封座，在較低壓力條件下或長期使用中仍易產生泄漏。解決這一問題的方式為采用彈性脹圈與聚四氟乙烯唇式密封座組成的組合型密封座，它可依靠金屬材料彈性脹圈良好的彈塑性變形能力，增強其整體的彈塑性變形能力和補償能力，提高球閥的密封能力。
3.1 球閥密封條件
要保證球閥達到規定的密封要求，須借助介質的壓力推動球體（浮動式球閥）或密封座（固定式球閥）產生微小位移，使密封座表面產生一定的彈塑性變形，形成必要的密封比壓。密封比壓過高將會導致密封座所受比壓超過材料的許用比壓而損壞，使密封失效，還會導致操作力矩升高而影響動作性能；過低則會使密封座表面的彈塑性變形量不足以補償球體的加工誤差，導致主密封不能達到規定的密封要求。
球閥的密封條件為：qMF < q < [q]
式中：qMF — 保證密封所必須的密封面比壓； [q] — 密封面的許用比壓；q — 計算的實際比壓。
3.2 浮動式球閥的密封機理
如圖 1 (a) 所示，由于球體下端無固定支承，浮動式球閥關閉時，在介質壓力作用下，球體將產生一定的浮動量（位移），離開人口端密封座而壓緊在出口端密封座上，使介質在出口端密封座受到阻截。即浮動式球閥實際上只有出口端密封座發揮密封作用，而人口端密封座與球體間保持一很小的浮動間隙。
3.3 固定式球閥的密封機理
高壓或公稱通徑 DN ≥ 200 mm 的球閥，常采用固定式結構。固定式球閥的球體不產生浮動量，可保證雙向密封，使閥門的操作扭矩降低；密封座上的載荷波動幅度較小。固定式球閥可分為球前密封式（人口密封式）和球后密封式（出口密封式）球閥，見圖 2 。
圖 2
3.4 密封座的預壓縮考慮
為了保證球閥在介質工作壓力較低時的密封性，球體和密封座間必須形成一定的預緊比壓。
在剛性密封座中，球閥工作的可靠性和使用壽命取決于正確選擇密封座的預壓縮量。預壓縮量不足，不能保證球閥的低壓密封性；預壓縮量過大，會導致球體與密封座間的摩擦力矩增加，影響球閥的動作性能；并可能引起密封座的塑性變形，導致密封失效。對于聚四氟乙烯密封座，其預緊比壓一般應為 0.1 PN，且不小于 1.02 MPa 。剛性密封座預壓縮量的調整靠改變密封調整墊片的厚度實現，密封調整墊片加工的誤差會影響調整的效果；合理的裝配與調整是獲得良好密封性的關鍵。在使用中，密封座磨損后，預緊比壓的自動調節能力很差，因此剛性密封座結構球閥的使用壽命相對較短。
解決問題的途徑之一是采用帶彈性元件的密封座。此時，預壓縮量的獲得與調整不再依靠密封調整墊片而由彈性元件來實現。帶彈性元件的密封座除可獲得必要的預壓縮量外，還可在彈性元件的彈性變形范圍內對預緊比壓進行補償，因此，球閥的使用壽命相對較長。
3.5 帶彈性元件的密封座結構
（l）彈性元件為蝶形彈簧的密封座，見圖 3。
圖 3 帶蝶形彈簧的密封座
（2）彈性元件為彈簧的密封座，見圖 4。
圖 4 帶圓柱螺旋彈簧的密封座
圖 3、圖 4 所示帶蝶形彈簧或帶圓柱螺旋彈簧的密封座已在非腐蝕性介質球閥中廣泛應用。但是，由于難以選擇到可耐強腐蝕性介質，同時又具有良好彈性的彈性元件材料以及此類材料的熱處理工藝比較復雜，此類密封座結構在強腐蝕性介質球閥中應用尚不多。
（3）組合型唇式密封座
圖 5 采用彈性脹圈的組合型唇式密封座
圖 5 所示為彈性脹圈和聚四氟乙烯唇式密封座的組合型密封座。彈性脹圈的材料可選擇 1Cr18Ni9Ti 或 1Cr18Ni9，以達到與強腐蝕性介質相容。圖 6 為彈性脹圈的結構形式；圖 7 為聚四氟乙烯唇式密封座的結構形式。從圖 6、圖 7 可看出，聚四氛乙烯唇式密封座唇口的設計角度為 30°，而彈性脹圈唇口的為 34°。
圖 6 彈性脹圈結構密封座結構圖
圖 7 聚四氟乙烯唇式密封座的結構圖
在介壓力下，彈性脹圈的彈性力可補償單一聚四氟乙烯材料密封座彈塑性變形能力不足的缺點，提高了球閥密封的可靠性和使用壽命。在介質壓力較低的情況下，由于彈性脹圈唇口和聚四氟乙烯唇式密封座唇口存在角度差以及金屬脹圈較強的彈塑性變形能力，使聚四氟乙烯唇式密封座在彈性脹圈彈性力的作用下形成外張傾向，向球體壓緊，產生預壓縮力，補償介質壓力降低導致的密封比壓不足。只要處于彈性脹圈的彈性力范圍內，即可保證球閥在較低壓力條件下的可靠密封。
3.6 浮動式球閥密封座結構
浮動式球閥密封座結構見圖 8。
圖 8 剛性密封座
圖 8 所示的剛性密封座本身沒有任何彈性變形，球閥完全依靠介質壓力形成必需的密封比壓，該結構對溫差的變化較明顯，密封性和操作扭矩易受溫度變化的影響。
圖 9 唇式密封座
圖 9 所示唇式密封座由于唇部具有一定的彈性變形能力，密封座和球體間始終存在一定大小的預壓縮力，可補償由于溫度變化等原因導致的預壓縮力的變化，使球閥具有較好的密封性。
綜上所述，解決球閥密封性的關鍵在于密封座的結構形式和密封座材料的選擇。根據不同的結構和使用要求，合理選擇密封座的結構形式，保證密封座良好的加工工藝性；選擇性能優良、適應使用要求的密封材料，滿足球閥密封性要求，提高球閥工作的可靠性和使用壽命，是球閥設計中應重點考慮的問題。