1 概述

      球阀是上世纪50年代问世的一种新型阀门，具有流体阻力小、结构简单、密封可靠、操作维修方便等优点。通过半个世纪的发展，球阀已成为一种主要阀类，在航天、船舶、石油化工、轻工食品和建筑等许多方面得到了广泛应用。尤其在船舶舰艇的各种系统管路上，各种口径、压力、介质的球阀被普遍采用，成为一种不可缺少的船舶系统组件。

      随着我国高分子材料技术水平的不断提高，新型耐高温工程塑料（如增强聚四氟乙烯、对位聚苯等）不断涌现，良好的密封性能和加工工艺性使这些材料在高温球阀中作为非金属密封材料也逐渐得到应用。但是在实际使用中，我们发现非金属密封座损坏现象频繁发生，严重影响高温球阀的密封性能和使用寿命。通过对受损密封座的分析研究和大量的试验验证，*终密封座损坏的问题得到了解决。本文就高温球阀密封座损坏的现象以及发生原因和解决方法作详细介绍，供大家探讨和研究。

      2 密封座损坏过程及现象

      本文所分析的受损密封座用于浮动球直通结构，其结构简图如图1所示。其中密封座材料采用耐350℃的对位聚苯。

图1 浮动球直通球阀

      对高温球阀在进行高温高压（6.0 MPa饱和蒸汽）的试验过程中，发现了密封座发生损坏，损坏的密封座如图2所示。通过仔细观察，发现损坏的均为介质进口端的密封座，且损坏的都是同一部位，而出口端的密封座完好无损。为了确定密封座损坏是发生在球阀开启过程中还是关闭过程中，特对球阀进行了分段试验。首先在球阀关闭状态下，通入6.0 MPa饱和蒸汽，预热10分钟后，开启球阀，然后检查密封座是否损坏；接着在球阀开启状态下，通入6.0 MPa饱和蒸汽，预热10分钟后，关闭球阀，然后检查密封座是否损坏，结果两次试验均发生进口端密封座损坏现象。由于浮动球结构的球阀密封原理是在介质压力的作用下，球体产生一定的位移紧压在出口端的密封座上，从而保证出口端密封，因此进口端密封座的损坏，并不影响球阀的密封性能，具有一定的隐蔽性。当球阀进行多次启闭动作后，进口端密封座损坏处还会发生部分剪切脱落现象。

图2 受损密封座

      3 密封座损坏原因分析

      基于密封座损坏部位的一致性，且开启和关闭过程中均会发生进口端密封座同一部位的损坏，因此对球阀的启闭过程进行了细致的分析。

      如图3a所示，当球阀处于关闭状态时，球体在介质压力的作用下，产生一定的位移紧压在出口端的密封座上，由出口端的密封座保证球阀的密封。而进口端密封座因球体的后移，其底面的密封比压减小，压力介质进入到密封座底面，在介质压力的作用下，其密封面与球体全部接触，此时密封座不会受到损坏；当球阀进行开启操作时（见图3b），进口端A腔与球阀中部的B腔将形成一个流道，产生一个压力差ΔP，当流道处球体与阀座脱离接触时，这一部分的阀座将失去支承，在介质压力的作用下产生了弯曲变形。当继续转动球体时，密封座弯曲部分将被通道边缘所压坏而丧失其密封性能。

图3 球阀由关闭到开启过程中的受力分析

      球阀关闭过程中的情况也大致相同。如图4a所示，当球阀处于开启状态时，由于球阀装配预紧力的作用和非金属密封座的热膨胀（非金属的膨胀系数比金属的膨胀系数大很多），使得通道中的介质无法进入到球阀的B腔，因此通道与球阀中部的B腔存在一个压力差ΔP，但此时密封座的密封面与球体全部接触，密封座不会发生变形；当球阀进行关闭操作时（见图4b），球体通道与B腔有一个压力平衡的过程，即介质由通道进入B腔，当流道处球体与阀座脱离接触时，这一部分的阀座失去支承，在介质压力的作用下产生了弯曲变形。这种变形既可以发生在图示的左上角，也可能发生在右下角，进口端的密封座总是被损坏，那是因为当继续关闭球阀至图4c位置时，A腔与B腔之间，B腔与C腔之间又将产生一个压力差ΔP，A腔与B腔间的压力差ΔP使进口端阀座的弯曲变形更加严重，而B腔和C腔间的压力差将使出口端密封座的变形得到修复，当继续转动球体时，进口端密封座的弯曲变形部分将被球体通道边缘所压坏，而出口端密封座不会受到损伤。

图4 球阀由开启到关闭过程中的受力分析

      4 解决方法

      通过第二节的故障原因分析，知道了进口端密封座损坏都是由于A腔和B 腔存在的压力差△P引起的，因此只要减少A腔和B腔之间的压力差，就可以避免密封座在开启和关闭过程中发生弯曲变形而遭受损坏，对此，在不改变原浮动球直通球阀结构的基础上，采取了下面两种措施：

      （1）对于开启过程中球阀密封座发生损坏的原因，采取了在密封座外圈开六条3*1mm的卸压槽（见图5a）。由于球阀关闭时，球体在介质压力的作用下，产生一定的位移紧压在出口端的密封座上，进口端密封座底面处于松弛状态，通过卸压槽可以迅速平衡A腔和B腔的压力，开启过程中，由于卸压槽增加了介质从A腔到B腔的流通面积，因此减少了A腔和B腔之间的压力差ÄP，从而消除了密封座发生弯曲变形引起损坏的因素。

图5 解决密封座损坏的方法

      （2）对于关闭过程中球阀密封座发生损坏的原因，采取了在球体上钻一个Φ6mm的卸压孔（见图5b）。该卸压孔使球阀在开启状态下，A腔和B腔得到连通，从而使球阀关闭过程中所产生的压力差ΔP完全消失，彻底消除了密封座发生弯曲变形的可能。

      5 总结

      根据上述方法，对高温球阀的密封座和球体进行了改进，并对改进后的球阀进行了高温高压试验（6.0 MPa饱和蒸汽）。经反复试验，原进口端密封座损坏的现象再也没有发生过，这也证明了原先对密封座损坏原因的分析是正确的，采取的措施是有效的。

      *后介绍四种通过固定球阀密封座来解决密封座弯曲变形损坏的方法，图6为四种固定密封座的结构简图。

图6 防止密封座损坏的固定密封座方法

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司