一.   管道球阀构造

管道球阀一般是由一个经锻造(根据压力等级和用户要求可以采用铸造)的阀体、由精密抛光处理的球体、用于定位密封座圈的两个端盖(密封座圈座)、两个密封座圈、一个球体驱动杆和一个固定式支撑轴以及其它附件组成(见图 1)。按阀门与管道的连接形式分为法兰连接和焊接两种, 按阀端盖和阀体的连接形式又可分为螺栓连接球阀和焊接球阀。将阀端盖和阀体焊接在一起的阀门密封座密封损坏后很难维修, 在达到规定开关操作次数后就要更换整个阀门。CAMERON T31、T32、T33即为这种整体焊接型阀门, 在国内管道上应用较少。

图  1  固定式管道球阀结构示意图

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二.   管道球阀经典密封原理

规格为304.8 mm以上的管道球阀多采用球体用固定轴支撑和弹簧加载的浮动密封座圈结构, 利用“活塞效应”原理, 在关闭压差的作用下, 保持严密密封的结构原理(见图 2)。“活塞效应”和弹簧加载的浮动座圈密封结构, 可以在较高的温度和较大的压差范围内使密封座圈始终与球体保持紧密贴合, 达到零泄漏的密封目的。另外, 固定球、浮动阀座结构在最大压差情况下具有较小的操作扭矩。

图  2  活塞效应密封原理

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1   密封原理

“活塞效应”原理可以使管道介质压力作用在面积不同的环面上, 浮动密封座上承受的作用力大于反作用力, 从而产生一个正向压差X。正是这个压差确保了上下游密封座圈始终紧贴在球体两边, 实现了双向控制流体介质泄漏的目标。

2   最小操作扭矩原理

密封与球体的贴紧力取决于受力环面的面积差(X)和加载弹簧的刚度, 在设计时需要综合考虑可靠密封和最大操作扭矩的关系, 这也是不同制造商生产的同规格阀门操作扭矩与密封可靠性产生差异的主要原因。此外, 固定球阀的球体用固定轴支撑, 消除了因单侧操作压力使球体与密封座之间产生很大的密封负荷。球体支撑轴经精密加工, 具有高光洁度, 并配以具有自润滑材料的衬套(也称做轴瓦), 有效减小了摩擦阻力。基于以上结构原理, 固定球球阀即使在单侧受压的情况下也有最小的操作扭矩。但由于机械加工精度和装配质量问题, 支撑轴与衬套的材料选择对操作扭矩的影响非常大。

三.   几种管道球阀的比较

1   GROVE B系列管道球阀

GROVE B系列管道球阀的密封座圈是由两个环状零件组合在一起的, 这种组合结构便于在密封圈损坏或失效时更换。根据不同的应用场合, 在密封座圈上安放不同的O形软密封圈, 其中主密封圈的截面不一定是O形, 而是近似三角形的, 以利于固定密封圈。另外, 规格为304.8 mm以上的管道球阀都设置了用于紧急密封的密封剂加注口, 其作用是在主密封圈有轻微划伤等损坏而不能密封的情况下, 能采取临时的紧急补救措施。

图 3是GROVE B8球阀的密封结构。阀门在安装时如果管道内杂物未清除净, 遗留的沙砾或焊渣会通过球体和密封座圈之间的缝隙进入到主密封圈处, 使用中有可能降低密封性或者划伤球体表面, 导致不能完全密封而出现泄漏。

图  3  GROVE B8球阀密封结构示意图

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2   CAMERON管道球阀

CAMERON管道球阀在密封结构设计上有独到之处, 软密封具有止回阀的功能, 加载弹簧为板形弹簧(见图 4)。

图  4  CAMERON T33球阀密封结构

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CAMERON管道球阀密封同样利用“活塞效应”原理, 通过在密封座圈不同环面面积上建立不平衡力, 始终让密封与球体保持贴紧(密封负荷), 阻止了流体介质泄漏。

3   上海耐莱斯•詹姆斯伯雷G系列管道球阀

上海耐莱斯•詹姆斯伯雷G系列球阀在国内管道应用广泛, 其密封原理与GROVE相同, 同样利用了“活塞效应”原理, 但在密封结构设计上略有不同, 其中G系列K型球阀的密封结构设计几乎与GROVE B型球阀完全相同。

图 5是上海耐莱斯G系列(非K型)管道球阀的密封原理图。它是标准的上游密封球阀, 分析阀门上游侧密封座圈的受力状况(见图 5(a))可知, 密封座圈正向受力面积(A₂)大于反作用力面积(A₁), 密封压差为X, 密封座圈在密封压差X和负载弹簧的共同作用下, 密封紧紧贴合在球体上, 从而实现无气泡泄漏密封。分析下游侧密封座圈的受力情况(见图 5(b))可知, 密封座圈反向受力面积A₃大于正向受力面积A₄, 即A₃-A₄=X₂, 这样, 如果压差X₂大于加载弹簧的压力, 密封座圈将会离开球体, 这时腔体介质向下游泄漏。

图  5  上海耐莱斯G系列(非K型)管道球阀的受力原理

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从以上分析可以看出, 该型阀门密封结构的优点是, 当阀腔压力增高时可以向下游泄放, 在阀腔建立高压后不会产生危险, 其泄漏概率是GROVE球阀的2倍。因为始终是阀门上游侧起密封作用, 如果上游侧密封损坏, 该阀门必定泄漏无疑。这也是该管道球阀在西气东输管道的泄漏率比GROVE球阀泄漏率高50%以上的根本原因。因为一旦上游密封损坏, 阀体压力不断增高, 下游密封即失去密封功能。而G系列K型阀门的密封结构, 则不会出现这种情况, 它采用了和GROVE几乎完全一样的双向密封原理(见图 6)。上、下游侧密封座圈的受力分析见图 7(a)和图 7(b)。

图  6  上海耐莱斯G系列K型管道球阀的密封结构图

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图  7  上海耐莱斯G系列(K型)管道球阀的密封受力原理

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在G系列K型阀门上游, 密封座圈正向受力面积A₂大于反作用力面积A₁, 总的密封负荷为X₁与加载弹簧的张力之和, 在这个合力的作用下, 密封紧紧贴合在球体上, 从而达到无气泡泄漏的目的。

在G系列K型阀门下游, 如果阀体压力为P, 密封座圈正向受力面积A₄仍然大于反力受力面积A₃, 则密封负荷为X₂与加载弹簧的张力之和。这说明, 在下游侧, 阀体压力高于管道压力时仍然可以使密封紧紧贴合在球体上, 实现无泄漏密封。

综上所述, 上海耐莱斯G系列K型管道球阀阀门比G系列的其它阀门有较好的密封可靠性, 用户应根据使用场合不同合理选型。否则, 将会影响生产安全。对于在施工安装质量难以控制, 安装中不可避免地存在沙砾等异物的场合, 应尽可能选择双向密封结构的管道球阀, 因为其可靠性比单向密封的管道球阀高50%。

4   浙江特福隆集团HPQ固定球阀

浙江特福隆集团生产的HPQ固定式球阀和GROVE、耐莱斯有共同特点, 在结构上稍有改进, 密封原理相同, 见图 8。

图  8  浙江特福隆HPQ固定球阀密封原理

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同样, 特福隆HPQ固定球阀也是利用“活塞效应”原理设计的密封座圈, 但相对于GROVE固定球阀, 两个受力面积的差比较小, 在减小操作扭矩的同时也降低了密封负荷, 会影响密封可靠性。这就需要精确计算负载弹簧的张力与压差的合理匹配, 同时各个配合点的机械加工质量对其密封效果敏感。

四.   球阀的泄漏原因分析及处理措施

通过对不同厂家固定式管道球阀的结构原理分析研究, 发现其密封原理都相同, 均利用了“活塞效应”原理, 只是密封结构不同。尽管原理相同, 但产品质量各不相同。上述各厂家都是在国内外阀门制造行业中享有一定声誉, 在相关市场中占有一席之地的阀门制造商。根据近几年各用户的反馈信息, 进口阀门可靠性还是显著高于国产阀门(当然价格也昂贵), 主要原因是各制造商对阀门零部件的选材不同, 机械加工水平不同。

阀门在应用中存在的问题主要表现为不同程度、不同形式的泄漏, 根据密封结构原理和安装施工质量分析, 造成阀门泄漏的原因有以下几个方面。

(1) 阀门安装施工质量是主要原因。在安装施工中不注意阀门密封面和密封座圈的保护, 密封面受到损伤; 安装完工后, 对管道及阀腔吹扫不彻底、不干净, 在操作中有焊渣或沙砾卡于球体与密封座圈之间, 导致密封失败。出现这种情况, 紧急时应在上游密封面临时注射适量的密封剂, 缓解泄漏, 但不能彻底解决问题, 必要时应更换阀门密封面和密封座圈。

(2) 阀门机械加工、密封圈材质和装配质量原因。阀门结构虽然简单, 但它是一个对机械加工质量要求较高的产品, 其加工质量直接影响密封性能。密封座圈与圈座的装配间隙和各个环面面积要经过精确计算, 表面粗糙度要合适。另外, 软密封圈材料的选取也非常重要, 不仅要考虑耐腐蚀和耐磨性, 还应考虑其弹性和刚度。如果太软会影响自洁能力, 太硬则容易断裂。

(3) 根据应用场合和工况合理选型。不同密封性能和密封结构的阀门使用场合不同, 只有在不同的场合选用不同的阀门, 才能获得理想的应用效果。以西气东输管道为例, 应尽可能地选择具有双向密封功能的固定式管道球阀(强制密封的轨道球阀除外, 因为其价格更贵)。这样, 一旦上游密封损坏, 下游密封仍可起作用。如果要求绝对可靠, 应选择强制密封的轨道球阀。

(4) 不同密封结构的阀门, 应用不同的操作、维护和保养方法。对于不存在泄漏的阀门, 可以在每次操作前后或每6个月在阀杆和密封剂注射口少量地加注一些润滑脂, 只有在已经发生泄漏或不能完全密封的情况下才注射适量的密封剂。因为密封剂的粘度很大, 如果平常对未泄漏阀门也加注密封剂, 就会影响球面自洁效果, 往往适得其反, 将一些小的沙砾等污物带入密封之间造成泄漏。对于具有双向密封功能的阀门, 如果现场安全条件许可, 应将阀腔中的压力泄放为零, 有利于更好地保证密封。