球閥是近幾來發(fā)展最快的閥門品種之一。特別是在美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，球閥在向大口徑、高密封性、長壽命、優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能以及一閥多功能方向發(fā)展，其可靠性及其他性能指標(biāo)均達(dá)到較高水平，并已取代部分閘閥、截止閥、節(jié)流閥。

目前大口徑球閥技術(shù)水平最高的是美國，該國的EscherWyss公司產(chǎn)品最大公稱通徑已達(dá)3050mm，設(shè)計壓力達(dá)4.8MPa。雖然我國生產(chǎn)球閥的廠家很多，但是通徑達(dá)20”以上的球閥生產(chǎn)廠家卻很少，而且密封件性能都不太理想。四川自貢的大口徑球閥技術(shù)與美國共同研發(fā)，還未形成自己的知識產(chǎn)權(quán)，國內(nèi)在海底輸油管線工程上用的大口徑閥門還依賴進(jìn)口。因此，筆者就強密封、小力矩、高安全大口徑球閥的開發(fā)問題進(jìn)行了探討。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢

在以環(huán)保、電子等高科技領(lǐng)域發(fā)展及世界可持續(xù)發(fā)展為主的大背景下，為球閥行業(yè)帶來了技術(shù)的飛速變革和發(fā)展。在設(shè)計中，利用計算機技術(shù)來進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)（如CAD）有效提高了設(shè)計本身的速度；在生產(chǎn)制造中，以數(shù)控技術(shù)CAM為代表的制造技術(shù)業(yè)已深入球閥生產(chǎn)；在開發(fā)中，把有限元法作為控制閥的靜態(tài)分析和動態(tài)分析的重要手段。國內(nèi)外在結(jié)構(gòu)動態(tài)領(lǐng)域的研究十分活躍，特別是美國、西歐等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家，十分重視關(guān)于結(jié)構(gòu)動態(tài)問題的研究，并將其列為結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的重點發(fā)展方向之一。在我國，有限元分析方法已普遍應(yīng)用于球閥閥體的結(jié)構(gòu)分析，研究方向也由單純靜力分析向參數(shù)化建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動態(tài)特性等擴(kuò)展，而且將有限元分析計算與試驗研究相結(jié)合，呈現(xiàn)多樣化的局面。

在大口徑球閥方面，主要沿著以下幾個方面發(fā)展，一是密封面材料，耐高溫、耐磨、耐腐蝕的低摩擦系數(shù)的金屬或非金屬密封材料將會不斷被研制出來；二是新型結(jié)構(gòu)球閥將會不斷涌現(xiàn)，其目的主要在于提高壽命、密封可靠性和改善加工工藝；三是長輸管線用球閥會在遙控、自控、工作可靠性、壽命諸方面得到提高。

目前，美國的EscherWyss公司為田納西州的一個泵站所提供的4臺球閥，用作透平機出口的切斷閥，其球閥最大公稱通徑已達(dá)3050mm，設(shè)計壓力為4.8MPa。在我國，徑達(dá)20"以上的球閥生產(chǎn)廠家不多，而且在密封件性能方面都不太理想。西川自貢高壓閥門有限公司所產(chǎn)的40"-6002b球閥雖達(dá)到大口徑要求，但其生產(chǎn)是和美國GE新比隆公司合作，沒有自己的自主知識產(chǎn)權(quán)。目前，國內(nèi)在大型工程上用的大口徑球閥還依賴進(jìn)口。因此，在我國，急需設(shè)計出強密封、小力矩、高安全的大口徑球閥。

2 強密封及小力矩和高安全大口徑球閥設(shè)計

2.1 工作原理

以球體作為關(guān)閉件的閥門，稱為球閥。球閥主要由閥體、閥座、球體、閥桿、手柄（或其他驅(qū)動裝置）組成。球閥的主要功能是切斷或接通管道中的流體通道，即球閥通常為閉路閥。因此，球閥的作用原理是：借助手柄或其他驅(qū)動裝置在閥桿上端施加一定的轉(zhuǎn)矩并傳遞給球體，使它旋轉(zhuǎn)90°（特殊球閥結(jié)構(gòu)例外），球體的通孔則與閥體通道中心線重合或垂直，球閥便完成了全開或全關(guān)的動作。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 大口徑球閥強密封實現(xiàn)

1）采用抗腐蝕、高性能、耐磨的高性能變形合金（X750），其變形量會隨載荷的變化而變化，是一種動態(tài)自緊密封裝置。初始密封利用裝配時的過盈量和擠壓量實現(xiàn)。當(dāng)有介質(zhì)載荷作用于C形彈簧圈和金屬彈簧密封套時，它會發(fā)生形變，使密封接觸面應(yīng)力和密封能力增大，從而實現(xiàn)高壓密封。

2）應(yīng)用高性能變形合金材料、設(shè)計整體式波形彈簧裝置來實現(xiàn)閥座與球閥的預(yù)緊，實現(xiàn)閥門的低壓密封，當(dāng)閥腔內(nèi)介質(zhì)壓力升高時，介質(zhì)會推動閥座向前運動，使閥座與球體緊密貼合，形成高壓密封。碟形彈簧的張緊力隨閥腔內(nèi)介質(zhì)載荷的變化而波動，處于浮動密封狀態(tài)。

3）參照API6D管道閥門標(biāo)準(zhǔn)及NACE規(guī)范，關(guān)鍵零件選用不銹鋼材料；閥桿處C形金屬密封結(jié)構(gòu)選用優(yōu)質(zhì)高溫變形合金（X750）；對各部件采取相應(yīng)的熱處理及表面處理，保證零件既有良好的綜合機械性能，又能滿足惡劣工況的要求。

2.2.2 大口徑球閥小開關(guān)力矩實現(xiàn)

1）選用耐磨、抗老化、摩擦系數(shù)小的高分子材料，軸承表面進(jìn)行電鍍PTFE處理，閥座與球體間的密封材料為PTFE，閥桿填料處為金屬密封，并對其表面進(jìn)行電鍍處理，這些都降低了閥門的開關(guān)力矩，使得閥門開關(guān)靈活、操作方便。

2）設(shè)計省力驅(qū)動裝置，使閥門開關(guān)靈活輕便。

3）閥體、球體結(jié)構(gòu)強度和變形經(jīng)solidedge三維有限元計算優(yōu)化，球體采用空心結(jié)構(gòu)分段沖壓成型，減輕了結(jié)構(gòu)重量。

4）采用固定式安裝，球體的全部重量由尾桿承擔(dān)，減少閥門啟閉扭矩。

2.2.3 大口徑球閥高安全實現(xiàn)

1）選用石墨材料作為耐火圈，選用高溫變形合金（X750）作彈簧，在高溫下保持良好的彈性，滿足閥門耐火的要求。

2）設(shè)計彈性閥座的高分子材料密封件，當(dāng)球閥處于正常工作狀態(tài)時，其與球體接觸并保持密封，此時，球體與彈性閥座上的浮動支座保持1～2mm的間隙。一旦高分子材料密封件被燒毀或軟化，則彈性閥座的浮動支座在流體壓力作用下被推向球體，使預(yù)先加工好的金屬支座密封面與球體接觸，起到臨時的部分密封作用，待災(zāi)情解除后再予修復(fù)或更換。

3）設(shè)計防靜電裝置，該裝置使球體與閥體等金屬件導(dǎo)通，消除零件間的電位差，從而避免電火花現(xiàn)象，消除安全隱患。

4）防范腔內(nèi)異常壓力升高引起爆炸的風(fēng)險：閥桿采用內(nèi)裝式，消除了閥桿在流體壓力作用下因填料壓蓋松開而飛出的事故隱患；閥門設(shè)計自動泄壓裝置，通過調(diào)節(jié)泄壓螺釘，使閥門內(nèi)腔壓力始終保持在調(diào)定壓力范圍內(nèi)。

2.3指標(biāo)對比