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球阀基础知识
球阀基础知识——《阀门技术》课程系列教材
球阀基础知识
主要内容：
·球阀定义与术语
·球阀分类
·球阀产品标准
·球阀典型结构
球阀基础知识——《阀门常识》课程系列教材
球阀基础知识
球阀即以球体作为启闭件的阀门。随着加工技术、检测技术与智能控制技术的突飞猛进，以及各种密封新材料的不断涌现，球阀产品将得到越来越广泛的应用。目前球阀产品不仅在一般工业管道得到了应用，而且在西气东输、煤制油工程以及核工业、宇航工业输送管线上得到普遍应用。
早在19世纪80年代美国就开始设计球阀，但是当时缺乏适当的密封圈材料，限制了球阀产品的发展。直到本世纪50年代，聚四氟乙烯等弹性密封材料的出现以及机床工业的发展才使球阀产品的发展出现转机并得到飞速发展。
一、球阀结构与术语
球阀主要由阀体、阀座、球体、阀杆、手柄（或其他驱动装置）组成。球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体通道，其作用原理很简单：藉助手柄或其他驱动装置在阀杆上端施加一定的转矩并传递给球体，旋转90℃，使球体的通道与阀体通道中心线重合或垂直，完成球阀的全开或全关。手动软密封浮动球阀结构图示例如下：

图9—1
二、球阀分类
球阀的结构型式和品种规格极其繁多，而且新产品新结构仍然在不断涌现。根据球阀的特点和用途，球阀可分为若干种类型。
（一）按球体的支撑方式分类：可分为浮动球球阀和固定球球阀
1、浮动球球阀：其主要特点是球体无支撑轴，球体系藉阀门进、出口两端的阀座予以支撑，阀杆与球体为活动连接，见图9—1。这种球阀的球体被两阀座夹持其中而呈“浮动状态”。球体通过阀杆借助于手柄或其他驱动装置可以自由地在两阀座之间旋转。当球体的流道孔与阀门通道孔对准时，球阀呈开启状态，流体畅通，阀门的流体阻力最小。当将球体转动90℃时，球体的流道孔与阀门通道孔相垂直，球阀处于关闭状态，球体在流体压力的作用下，被推向阀门出口端（简称阀后）阀座，使之压紧并保证密封。
浮动球阀的主要优点：结构简单、制造方便、成本低廉、工作可靠。浮动球阀的密封性能与流体压力有关。在其他条件相同的情况下，一般来说压力越高越容易密封。但是应考虑到阀座材料能否经受得住球体传递给它的载荷，因为流体压力在球体上所产生的作用力将全部传递给阀后阀座。此外，对于较大尺寸的浮动球阀，当压力较高时，操作转矩增大，而且球体自重也较大，自重在阀座密封面上所产生的压力分布是不均匀的，一般来说沿通道直径水平面上半圈压力较小，下半圈压力较大，导致阀座磨损不均匀而发生渗漏。因此浮动球阀一般适用于≤PN10，≤DN200的阀门。
为了使浮动球阀在较低的工作压力下具有良好的密封性能，球体与阀座之间必须施加一定的预紧力。预紧力不足，不能保证密封，而过大的预紧力又会使摩擦转矩增加，还可能导致阀座材料产生塑性变形而破坏密封性能。对于低压球阀，可通过调整中法兰之间的密封垫片的厚度来限制其预紧力。
为保证浮动球阀工作时的密封性与可靠性，设计时应注意：
a. 球体和阀座的接触面上应具有足够的密封比压，但要满足密封条件。
b. 阀座与阀体凹槽底面的密封比压应与球体接触面上的密封比压相当。如密封比压不足可减小阀座底面外径或加大内径，也可在底面开几条顶角为60ª、深1-2mm的三角形同心圆槽。不懂
c. 球体应有正确的几何形状及合适的表面粗糙度。
d. 合理选用密封材料
目前较理想的施加预紧力的方法是采用弹性阀座的球阀，弹性阀座能大大增加阀座本身的弹性变形范围，使之在低压或高压下都能保持良好的密封性能。只要在弹性阀座有弹性变形范围之内工作，就能基本保持其密封比压恒定，使阀座不至因过载而损坏。弹性阀座的结构示例如下：

图9—2
2、固定球球阀：球体与上、下阀杆连成一体，或制成整体连轴式球，即球体与上、下阀杆锻（焊）成一体装在轴承上，球体可沿与阀门通道相垂直的轴线自由转动，但不能沿通道轴线移动。因此，固定球阀工作时，阀前流体压力在球体上所产生的作用力全部传递给轴承，不会使球体向阀后阀座移动，因而阀座不会承受过大的压力，所以固定球阀的转矩小、阀座变形小，密封性能稳定，使用寿命长，适用于高压、大通径的场合。

图9—3
固定球球阀的密封关键在于正确选用弹性密封阀座的结构形式，合理设计阀座的各部份尺寸，巧妙地借助于流体压力或弹簧作用力来达到密封要求。
（二）按球体安装方式分类
可分为顶装式(上装式)、侧装式、斜装式等。对于侧装式球阀，根据使用场合的不同以及通径的大小，阀体有整体式与分体式两种，分体式又分为二分体（两片式）与三分体（三片式）。
1、上装式球阀
上装式球阀的结构特点是阀体做成整体，其上部设有阀盖，球体、密封圈、阀座均从阀体上部装入。上装式球阀的优点：检修或更换阀座时，不必将球阀从管线上拆下来，仅打开阀盖，将球体吊出即可，这给地下管线，特别是原子能工业用球阀带来很大方便。对于三通、四通及多通球阀，因其球体较大，从任何一端通道装入或取出都不方便，而且多通球阀的阀体中腔本身就很大，采用上装式比侧装式更为优越。
上装式球阀的缺点是阀体体积大，重量重，因此，一般不用于高压场合。
上装式球阀图例如下：

图例9—4 四通球阀（上装式） 图例9—5 上装式固定球阀
2、侧装式球阀
（1）侧装整体式球阀
球体从阀体一端装入，用螺套将阀座与球体固定并压紧。这种球阀结构简单，零件数量少，制造及安装方便，适用于较小通径的场合，特别是对于粘稠或易结晶的介质，如尿素等需要将阀体作成保温夹套的场合几乎都是采用侧装整体式结构。见图9—6。

图例9—6 侧装整体式球阀
（2）侧装二分体式球阀（两片式球阀）
将阀体沿通道轴线相垂直的截面分为不对称的左右两半，球体从截分面孔装入，左右两半阀体用法兰连接或螺纹连接的球阀。
由于阀体分为两半，与整体式相比，半个阀体单件重量较轻，铸造（锻造）及机械加工方便，这种球阀适于推广。图9—1、9—2均为侧装二分体式球阀。
（3）侧装三分体式球阀（三片式球阀）
对于公称尺寸较大的球阀，为方便加工制造及装配，常采用侧装三分体式结构，即将阀体在两阀座部位沿与通道轴线相垂直的截面分为三部分，整台阀门沿阀杆中心轴线左右对称，线条流畅，外形美观，制造方便，适宜于用小设备制造大阀门。这种结构的缺点是增加了一对大法兰，阀体总重量有所增加。具体结构见图9—7。

图9—7 侧装三分体式球阀
（三）按球体结构分类
1、整体球球阀
整体球球阀是球阀启、闭件最常用的结构形式。所谓整体球，即是在一只完整的球体上加工出直通、三通及多通圆孔流道。此外，整体球的流道还可加工成圆锥形孔或其他形状的流通截面，这种特殊截面形状的球阀一般作为节流阀用。
l 直通式球阀
流体通过阀门后不改变流动方向，通过驱动装置操纵球体，使之截断或接通管道中的流体。直通式球阀是最基本、最普通，也是使用最广泛的一种球阀。图9—1、9—2均为直通式球阀。
l 直角式球阀
其特点是进、出口通道成90℃相交，球体的流道呈L形。流体通过直角式球阀后，要产生90℃转弯。
l L形三通球阀
如下图9—8所示，L形三通球阀的阀体分三个通道，其中B、C通道共轴，A通道与B、C相垂直。

图9—8 L形三通球阀结构示意图
l T形三通球阀
T形三通球阀的球体加工成相互垂直的T形，其他结构原理与L形三同相同。见图9—9所示。

图9—9 T形三通球阀结构示意图
l Y形三通球阀
2、半球体球阀
球阀往往是依靠阀前或阀后阀座达到单向密封，只有极个别特殊场合才使用阀前、阀后双向密封。因此，在通常情况下只有一半球面起密封作用，于是产生了如图所示的半球体球阀。
半球体球阀的主要特点上重量轻、球体精加工表面积小，因此这种结构球阀近年来逐步受到重视。
V形球阀属半球体球阀，但其设计构思与用途却不同，主要用输送纤维、纸浆等粘稠性介质。球体上的V形口能起切断机作用，以避免纤维物料在球体、阀体和阀座之间。此外，V形球阀还可广泛用来调节流体流量。

图9-10V形球阀
（四）按球阀用途分
上述介绍了按结构形式分类的各种普通用途球阀。在特殊工况下使用的球阀，按球阀用途可分为真空球阀、低温及超低温球阀、高温球阀、保温球阀、耐腐蚀衬里球阀、耐磨球阀、收发球球阀、全塑球阀以及多功能球阀等。
1、真空球阀
在真空场合使用的球阀即真空球阀。在结构上，真空球阀与一般球阀并无特殊之处，只是在选材、加工及试验要求上必须满足真空技术要求。作为真空球阀，零件材质必须致密，阀体内表面需经机械加工或抛光，零件装配前需经严格清洗，装配好的阀门必须严格保持清洁，以保证抽真空和保持真空度。
由于在真空下作业，球阀不能靠流体压力推动球体压紧阀座或流体压力推动阀座压紧球体来达到密封，而只能靠预紧力达到密封。为补偿阀座的磨损、保持密封力恒定，真空球阀宜采用弹性阀座的密封结构。
真空阀门的设计和性能测试按ZBJ78005《真空阀门技术条件》和ZBJ78006《真空阀门性能测量方法》进行。
2、低温及超低温球阀
在低温及超低温介质工况使用的球阀称为低温及超低温球阀。低温及超低温球阀应满足以下要求：
① 冷损失小；
② 在低温环境下工作可靠；
③ 热容量小；
④ 结构简单、流体阻力小；
⑤ 阀体适宜于安装在保温箱里，但阀门的启、闭机构应露在保温箱外。
低温阀门最突出的问题是填料密封问题。在低温下，填料的弹性消失，密封性能大大降低，流体很容易从填料函处渗漏出来，致使该部位冻结，影响阀门的正常操作。为此，低温球阀多采用加长阀杆的结构，以增加填料函部位与阀体体腔之间的温度梯度，使填料函处的温度保持在0℃以上，改善填料函的工作条件，延长填料的使用寿命，减少冷损。同时也便于将阀门安装在真空外壳或具有绝热层的壳体里。对于必须安装在保温箱外的低温球阀，整台阀门则宜采用真空夹套保冷。
3、高温球阀
在高温介质工况使用的球阀称为高温球阀。球阀的使用温度通常取决于阀座材料的耐温性能。当球阀阀座采用聚四氟乙烯或尼龙材料制造，其使用温度为≤200℃。对于高温球阀（通常指温度高于250℃），其设计的关键是：
① 正确选用适合于高温下使用的密封材料；
② 如何补偿阀座在使用过程中的磨损以及协调阀体、阀座和球体三者之间由于装配温度与使用温度不同的温差变形。
一般情况下，高温球阀采用金属对金属的密封副即金属密封球阀，其特点是球体和阀体都是用耐高温的金属材料制造，阀座为金属或耐热合金（如钴铬钨硬质合金等）制造
金属对金属密封副高温球阀的优点是：适用温度范围广，各种金属材料的热膨胀系数相差不大，只要选用得当，可以达到基本一致，有利于协调温差变形。缺点是金属材料硬度高，达到密封所必须的比压亦高，在通径较小和压力较低场合，难以靠流体压力达到密封，即使是采用预紧力达到密封，但因密封比压大，阀座和球体之间的磨损必须很大，而且金属与金属的摩擦系数比较大，球阀的启、闭转矩亦大。
4、保温球阀
对于输送如尿素等易于结晶的物料或者粘稠流体（如含蜡质和沥清较高的石油等）场合，常采用加热保温的办法，以防止物料结晶或降低流体粘度，增加流动性，避免阀门被堵塞和减小工程的动力消耗。按加热方式，保温球阀有外加热式和内加热式两种。
1）外加热式保温球阀
一般称为夹套式保温球阀，其阀体采用整体结构，球体和阀座从侧面装入，并用堵头顶住和压紧。球体为浮动式，保温夹套用铸件或钢板冲压焊接而成。在夹套上设有供加热水蒸汽引入或排出的接管嘴。
这种加热保温球阀结构较简单，制造方便，但外形尺寸大，热损失大，加热效率低。
2）内加热式保温球阀
它是将球体作成空心夹层，通入水蒸汽或用电阻丝加热。内加热式保温球阀虽然结构较复杂，加工制造较困难，但结构尺寸小，加热效率高。
5、耐腐蚀衬里球阀
对于输送强腐蚀性介质的场合，如硫酸、硝酸、盐酸等介质，虽然可以采用不锈钢等耐腐蚀金属材料制造，但成本高。如采用衬里球阀，则既具有优良的耐腐蚀性能，又能节省贵重金属，是较为理想的耐腐蚀阀门。
耐腐蚀衬里球阀的阀体、球体和阀杆等，可选用铸铁、铸钢制造，用以承受介质压力，与腐蚀性介质直接接触的零件表面则衬以一层厚为2～3mm的塑料，如F-3、F-46等，以抵抗介质的浸蚀，达到合理用材。
近年来，又出现了一种喷涂塑料球阀，即在上述衬塑料部位采用喷涂聚苯硫醚等耐腐蚀塑料的办法达到上述要求，其制造成本更低。
6、耐磨球阀
对于输送高硬度的颗粒性介质的场合，如氧化铝、煤粉等介质，其硬度往往达到HRC60以上，采用通用的金属密封球阀，其密封副经受不了介质的长时间冲刷。这种耐磨球阀一般情况下可采用对球阀及阀座喷涂WC/Co等超硬材料进行处理。
7、收发球球阀
在一条管道内连续交替地输送不同的油品，称为油品顺序输送。如图2-71所示，当顺序输送油品时，为减少混油，在输送管道的起点站，要用收发球球阀于两种油品的分界面处投放若干个隔离球；经过中间泵站后，再用收发球球阀将隔离球取出，换发新隔离球，或使旧隔离球继续越站运行；到达终点站时，仍用收发球球阀将隔离球取出。
8、多功能球阀
为简化工艺流程，便于操作控制，减少阀门用量，导致了多功能阀门或一阀多用途阀门的出现。如通常所用的截止止回阀，即是将截止阀升降式止回阀合二而一，兼有两种功能。近年来，球阀出现了向多功能阀方向发展的趋势，如蝶式球阀和止回式球阀即属此类阀门。
9、全塑球阀
全塑球阀是本世纪80年代随着塑料工业的发展而产生的，它与金属球阀相比，最显著的优点是：轻巧、灵便、美观、耐用。全塑球阀特别适用于低压（PN≤1MPa），常温（≤80℃）的酸碱介质，如水处理系统和酸洗设备中。这种球阀的阀体、球体、阀杆、连接螺母等一般用硬聚氯乙烯和聚丙烯制造，阀座密封圈为聚四氟乙烯制成，我国目前已能制造DN15～100mm的全塑球阀。
（五）其他分类方法
按球阀与管道的连接方式、按球阀的驱动方式分我们在第一讲中就讲过，这里就不一一进行介绍。
三、球阀的型号编制
根据JB/T 308，一般工业用球阀的型号编制方法中结构形式代号如下：
结构形式
代号

结构形式
代号
浮动球
直通流道
1
固定球
直通流道
7
Y形三通流道
2
四通流道
6
L形三通流道
4
T形三通流道
8
T形三通流道
5
L形三通流道
9

半球通道
0
型号编制示例如下：
Q 3 4 1 Y——16 P
四、常用球阀产品标准
国内标准：
GB/T 12237—2007 《石油、石化及相关工业用的钢制球阀》
GB/T 15185-1994 《铁制与铜制球阀》
GB/T 19672—2005 《管线阀门 技术条件》
JB/T 7745-1995 《管线球阀》
国外标准：
API 608—2002 《法兰、螺纹和焊连接金属球阀》
API 6D—2002 《石油与天然气工业—管道输送系统—管线阀门》
ISO 7121—2006 《法兰型钢制球阀》
ISO 14313—1999 《石油与天然气工业—管道输送系统—管线阀门》
BS EN ISO 17292-2004 《石油、石油化工及相关工业用金属球阀》
AWWA C507—2005 《从6英寸到48英寸的球阀》
五、球阀密封结构
根据阀门渗漏的部位和性质可分为内漏和外漏之分，对球阀而言，内漏发生于阀座与球体以及阀座与阀体之间的接触面上，外漏则往往发生在填料函处，也有可能在连接法兰与垫片之间。
1、球阀的阀座结构
阀门内漏的流体虽然未流到外界，不会污染环境，也没有流体损失，但其危害性仍十分严重，轻则影响产品的质量，重则由于渗漏串通将酿成恶性事故。应根据工艺条件，如流体的性质、温度、压力以及阀门通径等，设计合理的阀座结构，选择合适的密封材料，以获得可靠的密封性能。
1）普通阀座
普通阀座球阀的特点：在预紧力或流体压力作用下，阀座与球体压紧，并使阀座材料产生弹塑性变形而达到密封，其密封效果取决于阀座在流体压力或预紧力的作用下，能够补偿球体不圆度和表面微观不平度的程度。因此，阀座与球体之间必需具有足够大的密封比压,并应满足：
式中: ——保证阀门密封的必须比压（MPa）
——阀门工作时的实际密封比压 （MPa）
——阀座材料的许用比压（MPa）
普通阀座的结构如下图:

上图所示普通阀座结构最简单，加工制造最方便，应用也较普遍（浮动球软密封球阀），一般用于DN200及以下。
2）弹性阀座
弹性阀座除了与普通阀座一样，在预紧力或流体压力（或两者兼而有之）作用下，阀座材料产生弹塑性变形而达到密封外，还由于阀座本身的特殊结构或借助于弹性元件，如金属弹簧骨架、弹簧等，在预紧力或流体压力下产生弹性变形，以补偿温差、压力、磨损等外界条件变化对球阀密封性能的影响。
a、整体斜面弹性阀座
整体型斜面弹性阀座有单斜面和双斜面之分，其结构如下图所示。
单斜面弹性阀座 双斜面弹性阀座
这种阀座结构简单，但缺点是弹性补偿能力较差。
b、整体V形弹性阀座

c、金属骨架弹性阀座
d、圆柱螺旋弹簧弹性阀座
e、波纹管弹性阀座
f、蝶形弹簧弹性阀座
2、填料函的密封结构
3、阀体连接部位的密封结构
六、球阀的耐火、防静电和防异常升压结构
球阀的阀座、填料等大多采用橡胶、氟塑料等非金属材料制成。当球阀用于输送石油、天然气以及氢气等易燃易爆介质时，难免遇到意外的火灾。在这种情况下，高分子密封材料就会软化，甚至烧毁，使球阀失去密封能力，即使球阀关闭，也不能有效地切断气源，造成严重后果。
球阀在启闭过程中，球体与阀座由于有相对运动，会因摩擦而产生静电荷，而橡胶、塑料等非金属材料是优良的电绝缘体，当静电荷积累到一定程度时，在有火花的条件下就可能导致爆炸，这对于输送易燃易爆介质的场合特别危险。
同时，用于输送液化气的球阀，当它处于关闭状态时，积存在阀阀座之间的体腔内的液化气会因吸收外界热量而大量气化，造成体腔内压力异常升高。这种异常升压现象可能导致阀体爆炸，或者使阀杆冲出体外，酿成事故。
1、耐火密封结构
下图为常见的耐火型阀座结构。
图a

图b
图a为常见的浮动球球阀耐火型阀座结构，一旦外界环境失火，其高分子材料被烧毁，球阀的球体在流体压力作用下，就会向阀后阀座方向推进，使之与加工好的阀体金属座面A接触，起到临时和部份密封作用，避免灾情进一步扩大。图b为常见的固定球球阀的耐火型结构，当球阀处于正常工作状态时，弹性阀座的高分子材料密封件与球体保持密封，此时，球体与弹性阀座上的浮动支座A保持1—2mm的间隙，一旦高分子材料密封件被烧毁或软化，则弹性阀座在流体压力作用下被推向球体，使预先加工好的金属密封面A与球体接触，起到临时密封和部份密封作用，待灾情解除后再予以修复或更换。
输送易燃易爆介质的球阀应设计成耐火型阀杆密封结构，如下图所示。一旦失火，软质填料被烧毁或软化，阀体体腔内的流体压力将阀杆推向阀体，阀杆上的台肩被除阀体挡住，并藉高压流体压力作用压紧并密封。此外，它还能防止腔内异常升压时阀杆冲出体外。

2、防静电结构