球阀的密封结构和原理

1．阀体的密封

固定球球阀均采用浮动阀座形式的密封结构，阀座依靠镶嵌在阀体上预制的弹簧产生的弹力和介质的压力共同作用下将阀座紧紧的推向球体。阀座密封采用组合密封的结构（如图1所示），初级的金属密封能有效地防止固体颗粒对密封面的损坏；次级密封是橡胶O形圈的密封，它有两个功能，一方面是擦拭球体的表面，防止它的表面受损，另一方面能保证阀门达到“零”泄漏的密封要求。

　　图1  组合密封结构

根据球阀的不同密封结构，分为如下三类。

（1）单活塞效应的阀座  标准设计的固定球球阀中，每一个阀座环都起着“单活塞效应”的作用。在这种情况下，作用在阀座环外侧端面上的管线压力，产生一个把它推向球体的力，而作用在阀座环内侧端面上的、阀腔内的压力，产生一个把它推离球体的力。因此，尽管施加在它们外侧端面上的管线压力，使得两个阀座环都获得了所需要的密封性能，但是，它们是“自释放”的。这是因为，当阀腔内异常升高压力产生的、把阀座推离球体的力，大于弹簧把阀座推向球体的作用力时，这一效应允许阀腔内的压力，向与阀门连接的管线排放。

当阀体阀腔内压力正常时，阀座的受力情况如图2所示。

　　图2  阀座的受力情况一

　　1.阀座  2.石墨密封环  3.橡胶O形密封圈  4.连接体  5.中间体  6.球体

　　阀体上游的压力大于等于阀腔内的压力，阀门关闭时，阀座被顶向球体，密封圈紧贴球面达到密封的目的。此时阀座所受的作用力为：

　　F=（P1－P0）×A2+P1×A3+F0

　　其中F0为弹簧的推力。

　　当阀体阀腔内压力异常升高时，阀座的受力情况如图3所示。阀体阀腔内的压力大于阀体上游的压力，阀门关闭时，阀座可能会被顶离球体，阀腔内的压力要进行泄放。此时上游阀座受到被推离球体的力：

　　F上 =（P0―P1）× A2 ≥ P1 × A3 + F0

　　图3  压力高时阀座的受力情况二

　　1.阀座  2.石墨密封环  3.橡胶O形密封圈  4.连接体  5.中间体  6.球体

　　同理，下游阀座受到被推离球体的力：

　　F下 =（P0―P2）× A2 ≥ P1 × A3 + F0

　　P2为阀体下游的压力，由于 P1 > P2，所以F下 > F上。所以阀腔内压力异常上升的结果是过高的压力向阀门的下游释放。

　　（2）双活塞效应的阀座  有需要时，阀座环的设计可以被修改成起“双活塞效应”的作用。这种情况下，作用在两个阀座环内外侧端面上的、阀腔内压力和管线压力，都会产生一个把它推向球体的力。因此，即使阀体的阀腔内存在有一个压力，每一个阀座环仍然都能获得所需要的密封性能。这一效应为阀门增加了一个额外的密封要数，但是，若要释放阀体阀腔内异常升高的压力，这就可能需要使用一个与阀门外部相连的安全卸压阀。

　　阀体上游的压力大于阀体阀腔内的压力，阀门关闭时，阀座的受力情况如图4所示。

　　图4  阀座的受力情况三

　　1.阀座  2、8.橡胶密封圈  3.弹簧  4.连接体  5.挡圈

　　6.石墨密封垫  7.中间体  9.球体

　　此时阀座被顶向球体，作用力F=（P1―P0）×A2。

　　阀体阀腔内的压力大于阀体上游的压力，阀门关闭时，阀座的受力情况如图5所示。

　　图5  阀座的受力情况四

　　1.阀座  2、8、9.橡胶密封圈  3.弹簧  4.挡圈  5.连接体

　　6.石墨密封垫  7.中间体  10.球体

　　此时阀座被顶向球体，作用力F=（P0―P1）×A2。

　　同理，阀体阀腔内的压力大于阀体下游的压力，阀门关闭时，阀座被顶向球体，作用力  F=（P0―P1）×A2。