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，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球體和固定球體浮動閥座兩大類。固定閥座浮動球體，是在流體壓力作用下球體在流體流動方向產(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。固定球體浮動閥座雙可分雙截斷和排放（DBB）、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（見圖1）的特點是，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，如金屬彈簧架、彈簧等方法，在預(yù)緊力或流體壓力下產(chǎn)生彈性變形，以補償溫差、壓力、磨損等外界條件變化對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（見圖3）是沿閥門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）雙截斷泄放閥座（DBB）進口介質(zhì)壓力產(chǎn)生密封力，閥座被推動壓緊球體，密封圈產(chǎn)生彈塑性變形實現(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，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 雙截斷泄放閥座

    （2）雙隔離泄放閥座（D1B）進口壓力產(chǎn)生的密封力，使閥座壓緊球體，密封圈產(chǎn)生彈塑性變形實現(xiàn)密封；當中腔壓力大于出口壓力時，使閥座壓緊球體，密封圈產(chǎn)生彈塑性變形實現(xiàn)密封。它在使用時，一旦上游密封意外失效產(chǎn)生泄漏，下游閥座實現(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（見圖7a），是閥座與球體之間的密封比壓，靠內(nèi)調(diào)整螺母調(diào)節(jié)的，它的優(yōu)點是沒有向外的泄漏點。外調(diào)式閥座（見圖7b），是閥座與球體之間的密封比壓，靠外部調(diào)節(jié)螺塞來壓緊楔塊，使伸縮套產(chǎn)生位移來實現(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，與閥座和導向套相連，設(shè)計時應(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，延長使用壽命，并防止球閥在使用過程中，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應(yīng)急措施。

圖9 注脂密封式閥座

    （4）雙推動式閥座當N室與控制壓力接通時，閥座與球體壓緊并保持密封，當M室通控制壓力而N室向外界排出壓力時，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 雙推動式閥座

    （5）組合式閥座該閥座（見圖11）實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（見圖15）主要特點是閥門在啟閉過程中，閥座可沿通道軸線作旋轉(zhuǎn)運動，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)一個齒。這樣設(shè)計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，一類是特殊高分子材料，二類是金屬密封材料。

    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。通用高分子材料主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和呋喃樹脂等。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、良好的自潤滑性和低摩擦因數(shù)（0.05）等特點，具有“冷流傾向”�？砷L期工作在－250～260℃之間，可承受5MPa載荷，抗伸強度為10～30MPa，彈性模量為400MPa，抗壓強度為7.0MPa，彎曲強度為14MPa。能耐濃酸、濃堿、強氧化劑（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，強度和硬度都相當高，尺寸穩(wěn)定性好，沒有“冷流傾向”。使用溫度在－195～120℃，抗伸強度為35～40MPa，彈性模量為1300MPa，抗壓強度為50～70MPa，彎曲強度為70MPa。能耐較高溫下的無機酸、鹽溶液，較低溫度下的強氧化劑，也能耐室溫下的大多數(shù)有機介質(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)長期工作，抗伸強度為19～20MPa，抗壓強度為7.0MPa，彎曲強度為14MPa。具有與聚四氟乙烯相當?shù)膬?yōu)異的化學穩(wěn)定性，能耐所有的各種濃度的無機酸、堿、醇、酮、烴類、鹵代烴、芬烴、油脂以及去污劑等。

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

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

    （6）聚醚醚酮（簡稱PEEK）聚醚醚酮具有熱固性塑料的耐熱性，化學穩(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240℃以上，玻璃纖維增強可達300℃以上，密度為1.3g/cm³，抗伸強度為162MPa，彎曲強度為233MPa。耐腐蝕性，除濃硫酸及硝酸外，能耐大多數(shù)酸及無機溶劑的侵蝕，可在200～260℃的蒸汽中長期使用。

    （7）聚酰亞胺（簡稱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性能，抗伸強度為100MPa，彈性模量為4MPa。在室溫下能耐稀酸和大多數(shù)有機溶劑，但不耐強氧化酸和強酸，也不宜長期浸于水中。

    2.金屬堆焊密封材料

    金屬密封即金屬對金屬密封，密封表面硬度高且有合適的硬度差�？赏ㄟ^表面硬化來提高硬度，增強耐磨性能。主要采用熱噴涂、電弧噴涂、噴焊、堆焊、表面滲氮、化學鍍HCr、化學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（見表1）、鈷基硬質(zhì)合金（見表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完成的（浮動球球閥）。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60HRC，使用溫度高達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)計中，閥座防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計是關(guān)鍵，它能夠有效保證在火災(zāi)事故時，減少介質(zhì)的內(nèi)漏和外漏。保證在消防隊員到達事故現(xiàn)場前，不因閥門使火災(zāi)事故擴大。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)計一道防火圈和球體與閥座之間設(shè)計防火圈。

    （4）特殊閥座

    隨著能源競爭的加劇和長輸管道工業(yè)的發(fā)展，在原油管輸技術(shù)方面，針對稠油開采量的增加及原油開采向深海發(fā)展的現(xiàn)狀，世界各國都在大力進行高黏易凝原油長距離管道常溫輸送工藝的試驗研究；天然氣管道正向大口徑高壓力方向發(fā)展。作為在長輸管道上承擔重要任務(wù)的管道球閥，它的內(nèi)部工作環(huán)境就會變得更加惡劣，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，才能滿足市場開發(fā)的需要。

    五、結(jié)語

    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)具有一定的強度和剛度，配合間隙適中，受壓時不易變形。特別是金屬硬密封閥座，對閥座密封功能提出苛刻的要求，需滿足高溫、高壓、強腐蝕、超低溫、零泄漏、長壽命、防火安全、耐壓和耐磨等功能。