球閥基礎(chǔ)知識

1、球閥基礎(chǔ)知識閥門技術(shù)課程系列教材 球閥基礎(chǔ)知識主要內(nèi)容：·球閥定義與術(shù)語·球閥分類·球閥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)·球閥典型結(jié)構(gòu)球閥基礎(chǔ)知識閥門常識課程系列教材球閥基礎(chǔ)知識球閥即以球體作為啟閉件的閥門。隨著加工技術(shù)、檢測技術(shù)與智能控制技術(shù)的突飛猛進，以及各種密封新材料的不斷涌現(xiàn)，球閥產(chǎn)品將得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前球閥產(chǎn)品不僅在一般工業(yè)管道得到了應(yīng)用，而且在西氣東輸、煤制油工程以及核工業(yè)、宇航工業(yè)輸送管線上得到普遍應(yīng)用。早在19世紀(jì)80年代美國就開始設(shè)計球閥，但是當(dāng)時缺乏適當(dāng)?shù)拿芊馊Σ牧希拗屏饲蜷y產(chǎn)品的發(fā)展。直到本世紀(jì)50年代，聚四氟乙烯等彈性密封材料的出現(xiàn)以及機床工業(yè)

2、的發(fā)展才使球閥產(chǎn)品的發(fā)展出現(xiàn)轉(zhuǎn)機并得到飛速發(fā)展。一、球閥結(jié)構(gòu)與術(shù)語球閥主要由閥體、閥座、球體、閥桿、手柄（或其他驅(qū)動裝置）組成。球閥的主要功能是切斷或接通管道中的流體通道，其作用原理很簡單：藉助手柄或其他驅(qū)動裝置在閥桿上端施加一定的轉(zhuǎn)矩并傳遞給球體，旋轉(zhuǎn)90，使球體的通道與閥體通道中心線重合或垂直，完成球閥的全開或全關(guān)。手動軟密封浮動球閥結(jié)構(gòu)圖示例如下：圖91二、球閥分類球閥的結(jié)構(gòu)型式和品種規(guī)格極其繁多，而且新產(chǎn)品新結(jié)構(gòu)仍然在不斷涌現(xiàn)。根據(jù)球閥的特點和用途，球閥可分為若干種類型。（一）按球體的支撐方式分類：可分為浮動球球閥和固定球球閥1、浮動球球閥：其主要特點是球體無支撐軸，球體系藉閥門進、出

3、口兩端的閥座予以支撐，閥桿與球體為活動連接，見圖91。這種球閥的球體被兩閥座夾持其中而呈“浮動狀態(tài)”。球體通過閥桿借助于手柄或其他驅(qū)動裝置可以自由地在兩閥座之間旋轉(zhuǎn)。當(dāng)球體的流道孔與閥門通道孔對準(zhǔn)時，球閥呈開啟狀態(tài)，流體暢通，閥門的流體阻力最小。當(dāng)將球體轉(zhuǎn)動90時，球體的流道孔與閥門通道孔相垂直，球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，球體在流體壓力的作用下，被推向閥門出口端（簡稱閥后）閥座，使之壓緊并保證密封。浮動球閥的主要優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉、工作可靠。浮動球閥的密封性能與流體壓力有關(guān)。在其他條件相同的情況下，一般來說壓力越高越容易密封。但是應(yīng)考慮到閥座材料能否經(jīng)受得住球體傳遞給它的載荷，因為流體

4、壓力在球體上所產(chǎn)生的作用力將全部傳遞給閥后閥座。此外，對于較大尺寸的浮動球閥，當(dāng)壓力較高時，操作轉(zhuǎn)矩增大，而且球體自重也較大，自重在閥座密封面上所產(chǎn)生的壓力分布是不均勻的，一般來說沿通道直徑水平面上半圈壓力較小，下半圈壓力較大，導(dǎo)致閥座磨損不均勻而發(fā)生滲漏。因此浮動球閥一般適用于PN10，DN200的閥門。為了使浮動球閥在較低的工作壓力下具有良好的密封性能，球體與閥座之間必須施加一定的預(yù)緊力。預(yù)緊力不足，不能保證密封，而過大的預(yù)緊力又會使摩擦轉(zhuǎn)矩增加，還可能導(dǎo)致閥座材料產(chǎn)生塑性變形而破壞密封性能。對于低壓球閥，可通過調(diào)整中法蘭之間的密封墊片的厚度來限制其預(yù)緊力。為保證浮動球閥工作時的密封性與可

5、靠性，設(shè)計時應(yīng)注意：a. 球體和閥座的接觸面上應(yīng)具有足夠的密封比壓，但要滿足密封條件。b. 閥座與閥體凹槽底面的密封比壓應(yīng)與球體接觸面上的密封比壓相當(dāng)。如密封比壓不足可減小閥座底面外徑或加大內(nèi)徑，也可在底面開幾條頂角為60ª、深1-2mm的三角形同心圓槽。不懂c. 球體應(yīng)有正確的幾何形狀及合適的表面粗糙度。d. 合理選用密封材料目前較理想的施加預(yù)緊力的方法是采用彈性閥座的球閥，彈性閥座能大大增加閥座本身的彈性變形范圍，使之在低壓或高壓下都能保持良好的密封性能。只要在彈性閥座有彈性變形范圍之內(nèi)工作，就能基本保持其密封比壓恒定，使閥座不至因過載而損壞。彈性閥座的結(jié)構(gòu)示例如下： 圖922、

6、固定球球閥：球體與上、下閥桿連成一體，或制成整體連軸式球，即球體與上、下閥桿鍛（焊）成一體裝在軸承上，球體可沿與閥門通道相垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動，但不能沿通道軸線移動。因此，固定球閥工作時，閥前流體壓力在球體上所產(chǎn)生的作用力全部傳遞給軸承，不會使球體向閥后閥座移動，因而閥座不會承受過大的壓力，所以固定球閥的轉(zhuǎn)矩小、閥座變形小，密封性能穩(wěn)定，使用壽命長，適用于高壓、大通徑的場合。 圖93固定球球閥的密封關(guān)鍵在于正確選用彈性密封閥座的結(jié)構(gòu)形式，合理設(shè)計閥座的各部份尺寸，巧妙地借助于流體壓力或彈簧作用力來達到密封要求。（二）按球體安裝方式分類可分為頂裝式(上裝式)、側(cè)裝式、斜裝式等。對于側(cè)裝式球閥，根據(jù)

7、使用場合的不同以及通徑的大小，閥體有整體式與分體式兩種，分體式又分為二分體（兩片式）與三分體（三片式）。1、上裝式球閥上裝式球閥的結(jié)構(gòu)特點是閥體做成整體，其上部設(shè)有閥蓋，球體、密封圈、閥座均從閥體上部裝入。上裝式球閥的優(yōu)點：檢修或更換閥座時，不必將球閥從管線上拆下來，僅打開閥蓋，將球體吊出即可，這給地下管線，特別是原子能工業(yè)用球閥帶來很大方便。對于三通、四通及多通球閥，因其球體較大，從任何一端通道裝入或取出都不方便，而且多通球閥的閥體中腔本身就很大，采用上裝式比側(cè)裝式更為優(yōu)越。上裝式球閥的缺點是閥體體積大，重量重，因此，一般不用于高壓場合。上裝式球閥圖例如下： 圖例94 四通球閥（上裝式） 圖

8、例95 上裝式固定球閥2、側(cè)裝式球閥（1）側(cè)裝整體式球閥球體從閥體一端裝入，用螺套將閥座與球體固定并壓緊。這種球閥結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)量少，制造及安裝方便，適用于較小通徑的場合，特別是對于粘稠或易結(jié)晶的介質(zhì)，如尿素等需要將閥體作成保溫夾套的場合幾乎都是采用側(cè)裝整體式結(jié)構(gòu)。見圖96。圖例96 側(cè)裝整體式球閥（2）側(cè)裝二分體式球閥（兩片式球閥）將閥體沿通道軸線相垂直的截面分為不對稱的左右兩半，球體從截分面孔裝入，左右兩半閥體用法蘭連接或螺紋連接的球閥。由于閥體分為兩半，與整體式相比，半個閥體單件重量較輕，鑄造（鍛造）及機械加工方便，這種球閥適于推廣。圖91、92均為側(cè)裝二分體式球閥。（3）側(cè)裝三分體式

9、球閥（三片式球閥）對于公稱尺寸較大的球閥，為方便加工制造及裝配，常采用側(cè)裝三分體式結(jié)構(gòu)，即將閥體在兩閥座部位沿與通道軸線相垂直的截面分為三部分，整臺閥門沿閥桿中心軸線左右對稱，線條流暢，外形美觀，制造方便，適宜于用小設(shè)備制造大閥門。這種結(jié)構(gòu)的缺點是增加了一對大法蘭，閥體總重量有所增加。具體結(jié)構(gòu)見圖97。 圖97 側(cè)裝三分體式球閥（三）按球體結(jié)構(gòu)分類1、整體球球閥整體球球閥是球閥啟、閉件最常用的結(jié)構(gòu)形式。所謂整體球，即是在一只完整的球體上加工出直通、三通及多通圓孔流道。此外，整體球的流道還可加工成圓錐形孔或其他形狀的流通截面，這種特殊截面形狀的球閥一般作為節(jié)流閥用。l 直通式球閥流體通過閥門后不

10、改變流動方向，通過驅(qū)動裝置操縱球體，使之截斷或接通管道中的流體。直通式球閥是最基本、最普通，也是使用最廣泛的一種球閥。圖91、92均為直通式球閥。l 直角式球閥其特點是進、出口通道成90相交，球體的流道呈L形。流體通過直角式球閥后，要產(chǎn)生90轉(zhuǎn)彎。l L形三通球閥如下圖98所示，L形三通球閥的閥體分三個通道，其中B、C通道共軸，A通道與B、C相垂直。圖98 L形三通球閥結(jié)構(gòu)示意圖l T形三通球閥T形三通球閥的球體加工成相互垂直的T形，其他結(jié)構(gòu)原理與L形三同相同。見圖99所示。圖99 T形三通球閥結(jié)構(gòu)示意圖l Y形三通球閥2、半球體球閥球閥往往是依靠閥前或閥后閥座達到單向密封，只有極個別特殊場合

11、才使用閥前、閥后雙向密封。因此，在通常情況下只有一半球面起密封作用，于是產(chǎn)生了如圖所示的半球體球閥。半球體球閥的主要特點上重量輕、球體精加工表面積小，因此這種結(jié)構(gòu)球閥近年來逐步受到重視。V形球閥屬半球體球閥，但其設(shè)計構(gòu)思與用途卻不同，主要用輸送纖維、紙漿等粘稠性介質(zhì)。球體上的V形口能起切斷機作用，以避免纖維物料在球體、閥體和閥座之間。此外，V形球閥還可廣泛用來調(diào)節(jié)流體流量。圖9-10V形球閥（四）按球閥用途分上述介紹了按結(jié)構(gòu)形式分類的各種普通用途球閥。在特殊工況下使用的球閥，按球閥用途可分為真空球閥、低溫及超低溫球閥、高溫球閥、保溫球閥、耐腐蝕襯里球閥、耐磨球閥、收發(fā)球球閥、全塑球閥以及多功能

12、球閥等。1、真空球閥在真空場合使用的球閥即真空球閥。在結(jié)構(gòu)上，真空球閥與一般球閥并無特殊之處，只是在選材、加工及試驗要求上必須滿足真空技術(shù)要求。作為真空球閥，零件材質(zhì)必須致密，閥體內(nèi)表面需經(jīng)機械加工或拋光，零件裝配前需經(jīng)嚴(yán)格清洗，裝配好的閥門必須嚴(yán)格保持清潔，以保證抽真空和保持真空度。由于在真空下作業(yè)，球閥不能靠流體壓力推動球體壓緊閥座或流體壓力推動閥座壓緊球體來達到密封，而只能靠預(yù)緊力達到密封。為補償閥座的磨損、保持密封力恒定，真空球閥宜采用彈性閥座的密封結(jié)構(gòu)。真空閥門的設(shè)計和性能測試按ZBJ78005真空閥門技術(shù)條件和ZBJ78006真空閥門性能測量方法進行。2、低溫及超低溫球閥在低溫及超

13、低溫介質(zhì)工況使用的球閥稱為低溫及超低溫球閥。低溫及超低溫球閥應(yīng)滿足以下要求： 冷損失?。?在低溫環(huán)境下工作可靠； 熱容量??； 結(jié)構(gòu)簡單、流體阻力小； 閥體適宜于安裝在保溫箱里，但閥門的啟、閉機構(gòu)應(yīng)露在保溫箱外。低溫閥門最突出的問題是填料密封問題。在低溫下，填料的彈性消失，密封性能大大降低，流體很容易從填料函處滲漏出來，致使該部位凍結(jié)，影響閥門的正常操作。為此，低溫球閥多采用加長閥桿的結(jié)構(gòu)，以增加填料函部位與閥體體腔之間的溫度梯度，使填料函處的溫度保持在0以上，改善填料函的工作條件，延長填料的使用壽命，減少冷損。同時也便于將閥門安裝在真空外殼或具有絕熱層的殼體里。對于必須安裝在保溫箱外的低溫球閥

14、，整臺閥門則宜采用真空夾套保冷。3、高溫球閥在高溫介質(zhì)工況使用的球閥稱為高溫球閥。球閥的使用溫度通常取決于閥座材料的耐溫性能。當(dāng)球閥閥座采用聚四氟乙烯或尼龍材料制造，其使用溫度為200。對于高溫球閥（通常指溫度高于250），其設(shè)計的關(guān)鍵是： 正確選用適合于高溫下使用的密封材料； 如何補償閥座在使用過程中的磨損以及協(xié)調(diào)閥體、閥座和球體三者之間由于裝配溫度與使用溫度不同的溫差變形。一般情況下，高溫球閥采用金屬對金屬的密封副即金屬密封球閥，其特點是球體和閥體都是用耐高溫的金屬材料制造，閥座為金屬或耐熱合金（如鈷鉻鎢硬質(zhì)合金等）制造。金屬對金屬密封副高溫球閥的優(yōu)點是：適用溫度范圍廣，各種金屬材料的熱膨

15、脹系數(shù)相差不大，只要選用得當(dāng)，可以達到基本一致，有利于協(xié)調(diào)溫差變形。缺點是金屬材料硬度高，達到密封所必須的比壓亦高，在通徑較小和壓力較低場合，難以靠流體壓力達到密封，即使是采用預(yù)緊力達到密封，但因密封比壓大，閥座和球體之間的磨損必須很大，而且金屬與金屬的摩擦系數(shù)比較大，球閥的啟、閉轉(zhuǎn)矩亦大。4、保溫球閥對于輸送如尿素等易于結(jié)晶的物料或者粘稠流體（如含蠟質(zhì)和瀝清較高的石油等）場合，常采用加熱保溫的辦法，以防止物料結(jié)晶或降低流體粘度，增加流動性，避免閥門被堵塞和減小工程的動力消耗。按加熱方式，保溫球閥有外加熱式和內(nèi)加熱式兩種。1）外加熱式保溫球閥一般稱為夾套式保溫球閥，其閥體采用整體結(jié)構(gòu)，球體和閥

16、座從側(cè)面裝入，并用堵頭頂住和壓緊。球體為浮動式，保溫夾套用鑄件或鋼板沖壓焊接而成。在夾套上設(shè)有供加熱水蒸汽引入或排出的接管嘴。這種加熱保溫球閥結(jié)構(gòu)較簡單，制造方便，但外形尺寸大，熱損失大，加熱效率低。2）內(nèi)加熱式保溫球閥 它是將球體作成空心夾層，通入水蒸汽或用電阻絲加熱。內(nèi)加熱式保溫球閥雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工制造較困難，但結(jié)構(gòu)尺寸小，加熱效率高。5、耐腐蝕襯里球閥對于輸送強腐蝕性介質(zhì)的場合，如硫酸、硝酸、鹽酸等介質(zhì)，雖然可以采用不銹鋼等耐腐蝕金屬材料制造，但成本高。如采用襯里球閥，則既具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，又能節(jié)省貴重金屬，是較為理想的耐腐蝕閥門。耐腐蝕襯里球閥的閥體、球體和閥桿等，可選用鑄鐵、

17、鑄鋼制造，用以承受介質(zhì)壓力，與腐蝕性介質(zhì)直接接觸的零件表面則襯以一層厚為23mm的塑料，如F-3、F-46等，以抵抗介質(zhì)的浸蝕，達到合理用材。近年來，又出現(xiàn)了一種噴涂塑料球閥，即在上述襯塑料部位采用噴涂聚苯硫醚等耐腐蝕塑料的辦法達到上述要求，其制造成本更低。6、耐磨球閥對于輸送高硬度的顆粒性介質(zhì)的場合，如氧化鋁、煤粉等介質(zhì)，其硬度往往達到HRC60以上，采用通用的金屬密封球閥，其密封副經(jīng)受不了介質(zhì)的長時間沖刷。這種耐磨球閥一般情況下可采用對球閥及閥座噴涂WC/Co等超硬材料進行處理。7、收發(fā)球球閥在一條管道內(nèi)連續(xù)交替地輸送不同的油品，稱為油品順序輸送。如圖2-71所示，當(dāng)順序輸送油品時，為減少

18、混油，在輸送管道的起點站，要用收發(fā)球球閥于兩種油品的分界面處投放若干個隔離球；經(jīng)過中間泵站后，再用收發(fā)球球閥將隔離球取出，換發(fā)新隔離球，或使舊隔離球繼續(xù)越站運行；到達終點站時，仍用收發(fā)球球閥將隔離球取出。8、多功能球閥為簡化工藝流程，便于操作控制，減少閥門用量，導(dǎo)致了多功能閥門或一閥多用途閥門的出現(xiàn)。如通常所用的截止止回閥，即是將截止閥升降式止回閥合二而一，兼有兩種功能。近年來，球閥出現(xiàn)了向多功能閥方向發(fā)展的趨勢，如蝶式球閥和止回式球閥即屬此類閥門。9、全塑球閥全塑球閥是本世紀(jì)80年代隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生的，它與金屬球閥相比，最顯著的優(yōu)點是：輕巧、靈便、美觀、耐用。全塑球閥特別適用于低壓（

19、PN1MPa），常溫（80）的酸堿介質(zhì)，如水處理系統(tǒng)和酸洗設(shè)備中。這種球閥的閥體、球體、閥桿、連接螺母等一般用硬聚氯乙烯和聚丙烯制造，閥座密封圈為聚四氟乙烯制成，我國目前已能制造DN15100mm的全塑球閥。（五）其他分類方法按球閥與管道的連接方式、按球閥的驅(qū)動方式分我們在第一講中就講過，這里就不一一進行介紹。三、球閥的型號編制根據(jù)JB/T 308，一般工業(yè)用球閥的型號編制方法中結(jié)構(gòu)形式代號如下：結(jié)構(gòu)形式代號結(jié)構(gòu)形式代號浮動球直通流道1固定球直通流道7Y形三通流道2四通流道6L形三通流道4T形三通流道8T形三通流道5L形三通流道9半球通道0型號編制示例如下：Q 3 4 1 Y16 P四、常用球

20、閥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 122372007 石油、石化及相關(guān)工業(yè)用的鋼制球閥 GB/T 15185-1994 鐵制與銅制球閥 GB/T 196722005 管線閥門 技術(shù)條件JB/T 7745-1995 管線球閥國外標(biāo)準(zhǔn)： API 6082002 法蘭、螺紋和焊連接金屬球閥 API 6D2002 石油與天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)管線閥門ISO 71212006 法蘭型鋼制球閥ISO 143131999 石油與天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)管線閥門BS EN ISO 17292-2004 石油、石油化工及相關(guān)工業(yè)用金屬球閥AWWA C5072005 從6英寸到48英寸的球閥五、球閥密封結(jié)構(gòu)根據(jù)閥門滲漏

21、的部位和性質(zhì)，可分為內(nèi)漏和外漏之分，對球閥而言，內(nèi)漏發(fā)生于閥座與球體以及閥座與閥體之間的接觸面上，外漏則往往發(fā)生在填料函處，也有可能在連接法蘭與墊片之間。1、球閥的閥座結(jié)構(gòu)閥門內(nèi)漏的流體雖然未流到外界，不會污染環(huán)境，也沒有流體損失，但其危害性仍十分嚴(yán)重，輕則影響產(chǎn)品的質(zhì)量，重則由于滲漏串通將釀成惡性事故。應(yīng)根據(jù)工藝條件，如流體的性質(zhì)、溫度、壓力以及閥門通徑等，設(shè)計合理的閥座結(jié)構(gòu)，選擇合適的密封材料，以獲得可靠的密封性能。1）普通閥座普通閥座球閥的特點：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，能夠補償球體不圓

22、度和表面微觀不平度的程度。因此，閥座與球體之間必需具有足夠大的密封比壓,并應(yīng)滿足：式中: 保證閥門密封的必須比壓（MPa） 閥門工作時的實際密封比壓 （MPa）閥座材料的許用比壓（MPa）普通閥座的結(jié)構(gòu)如下圖: 上圖所示普通閥座結(jié)構(gòu)最簡單，加工制造最方便，應(yīng)用也較普遍（浮動球軟密封球閥），一般用于DN200及以下。2）彈性閥座彈性閥座除了與普通閥座一樣，在預(yù)緊力或流體壓力（或兩者兼而有之）作用下，閥座材料產(chǎn)生彈塑性變形而達到密封外，還由于閥座本身的特殊結(jié)構(gòu)或借助于彈性元件，如金屬彈簧骨架、彈簧等，在預(yù)緊力或流體壓力下產(chǎn)生彈性變形，以補償溫差、壓力、磨損等外界條件變化對球閥密封性能的影響。a、整體斜面彈性閥座整體型斜面彈性閥座有單斜面和雙斜面之分，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。 單斜面彈性閥座 雙斜面彈性閥座這種閥座結(jié)構(gòu)簡單，但缺點是彈性補償能力較差。b、整體V形彈性閥座 c、金屬骨架彈性閥座d、圓柱螺旋彈簧彈性閥座e、波紋管彈性閥座f、蝶形彈簧彈性閥座2、填料函的密封結(jié)構(gòu)3、閥體連接部位的密封結(jié)構(gòu)六、球閥的耐火、防