白湖阀门不锈钢球阀密封结构探讨

1 球阀的密封性要求

球阀的密封性指标由内泄漏和外泄漏要求确定，国家标准规定非金属密封球阀的密封性按 GB/T13927《通用阀门压力试验》的 A 级执行，要求“在试验持续时间内无可见泄漏”；航天行业标准规定地面气体管路系统用球阀“在 0.05 MPa 和 1.1 倍公称压力的气压条件下，保压 3 min ，内泄漏率应不大于 3×10^-5 Pa·m³/s（无气泡逸出）；在 1.1 倍公称压力的气压条件下，保压 3 min ，外泄漏率应不大于 1×10^-5 Pa·m³/s（无气泡逸出）。”

2 影响球阀密封性的主要因素

影响球阀密封性的主要因素有密封面的粗糙度和球体圆度参数。众所周知，无论采用如何先进的加工技术，都不可能完全消除球体的圆度误差及密封面的微观缺陷，因此，为了达到良好的密封效果并保证加工过程可以实现，必须确定合适的密封面粗糙度和球体圆度参数值。有关资料推荐，球体密封面的粗糙度 Ra 值最大允许值为 0.4 µm；密封座粗糙度 Ra 值在以聚四氟乙烯为密封材料时最大允许值为 0.8 µm。球面的圆度公差，按 GB/T1184 附表 2 的 6 级精度较为合适。

3 球阀主密封结构分析

早期的球阀，一般采用金属材料作为密封结构（又称硬密封），随着工程塑料技术的发展，尤其是聚四氛乙烯的出现，使球阀密封结构有了一种较为理想的密封材料。常见的球阀主密封结构的软密封形式有刚性密封座、带弹性元件的密封座、聚四氟乙烯唇式密封座和弹性胀圈与聚四氟乙烯唇式密封座组成的组合型密封座等形式。唇式密封座具有的唇形结构，使其具有较好的弹性，在使用中可保证密封面的预压缩量并可对密封面的预压缩量进行补偿而优于刚性结构。但使用中发现，聚四氟乙烯的弹塑性变形能力及在温度变化条件下的稳定性仍不十分理想，且具有较大的冷流趋向；同时，由于球阀的使用压力变化范围较大，因此，采用聚四氟乙烯作为密封材料制成的唇式密封座，在较低压力条件下或长期使用中仍易产生泄漏。解决这一问题的方式为采用弹性胀圈与聚四氟乙烯唇式密封座组成的组合型密封座，它可依靠金属材料弹性胀圈良好的弹塑性变形能力，增强其整体的弹塑性变形能力和补偿能力，提高球阀的密封能力。

3.1 球阀密封条件

要保证球阀达到规定的密封要求，须借助介质的压力推动球体（浮动式球阀）或密封座（固定式球阀）产生微小位移，使密封座表面产生一定的弹塑性变形，形成必要的密封比压。密封比压过高将会导致密封座所受比压超过材料的许用比压而损坏，使密封失效，还会导致操作力矩升高而影响动作性能；过低则会使密封座表面的弹塑性变形量不足以补偿球体的加工误差，导致主密封不能达到规定的密封要求。

球阀的密封条件为：q_MF < q < [q]
式中：q_MF — 保证密封所必须的密封面比压； [q] — 密封面的许用比压；q — 计算的实际比压。

3.2 浮动式球阀的密封机理

如图 1 (a) 所示，由于球体下端无固定支承，浮动式球阀关闭时，在介质压力作用下，球体将产生一定的浮动量（位移），离开人口端密封座而压紧在出口端密封座上，使介质在出口端密封座受到阻截。即浮动式球阀实际上只有出口端密封座发挥密封作用，而人口端密封座与球体间保持一很小的浮动间隙。