李茂朋 刘 智

（1.江苏百睿教育装备有限公司，宿迁 223800；2.特技阀门集团有限公司，温州 325024）

日常生活中常见的水龙头是一种简单的阀门，可以控制水流的开关或者调节流量大小。基于这一熟悉且每天都在使用的物品，可以建立对阀门的初始概念和认识，但阀门不局限于这种单一的结构。随着经济、科技的发展，油气（石油、天然气）能源的需求激增，而油气的采集、输送、储存都离不开阀门。阀门是流体控制的终端执行组件，但目前各大中专院校设置的阀门专业以及相关阀门教仪较少，因此本文介绍了一种透明三片式固定球阀拆装教仪的设计，以满足教学演示、测绘实践的需求。

1 球阀的作用原理

以球体作为启闭件的阀门称为球阀，主要由阀体、阀盖、阀座、球体、阀杆、弹簧以及驱动装置组成。球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体，其作用原理是借助驱动装置在阀杆上端施加一定的转矩并传递给球体，使其旋转90°，从而使球体的通孔与阀体通道中心线重合或垂直，完成全开或全关的动作[1]。球阀的剖面图如图1所示。

2 产品标准

阀门作为压力容器的关键部件，每种结构类型均有其各自的产品标准。我国工业与欧美、日本、俄罗斯等工业强国相比起步较晚，因此国内的阀门标准借鉴、参考了其他国家的标准内容。目前，国际上主流的阀门标准体系为美标体系（美国标准体系）、欧标体系（欧共体标准体系）和国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）标准体系，而目前国内阀门标准体系参考借鉴了美标、欧标和ISO体系。上述3大体系球阀主要常用标准如表1所示。

表1 3大体系球阀主要常用标准

3 设计结构

3.1 固定球结构

球体采用上下枢轴（或耳轴）设计，只能围绕阀杆轴线作往复回转运动，在流道轴线方向的位置相对固定。

3.2 全通径或缩径结构设计

根据现场工况或者用户需求，球阀可以设计成全通径或缩径的形式。其中，全通径设计的球阀流道与管道内径一致，便于管线清扫（或清管），而缩径设计的球阀球体流道内径小于管道内径。

3.3 浮动阀座结构

3.3.1 阀座结构设计

阀座借鉴活塞效应设计成浮动式结构，在介质压力作用下推动阀座贴紧球体，从而起到密封作用。当介质压力较小或介质压力波动范围较大时，为了保障阀座始终贴紧球体，在阀座背部设有弹簧加载。因此，精确设计的阀座能保证在零压差和全压差（或额定压力）下都能实现完全密封并产生最小的扭矩。

3.3.2 阀座分类

阀座根据密封方向分为单向密封阀座和双向密封阀座。其中：单向密封阀座只能在阀座的一侧承压实现密封，主要用于可以拆卸维修的工况球阀；双向密封阀座可以在阀座两侧承压实现密封，主要用于无法拆卸维修或者不便拆卸维修的工况球阀。

3.4 防静电设计

软密封球阀的阀座组件由金属支撑圈和对应的工程塑料插件组成，在摩擦状态下容易产生静电积聚[2]。防静电弹簧能够使球体、阀杆、阀体之间形成导电通路，而阀体一般通过地线连接到大地，从而将插件上的静电引入大地，避免易燃易爆介质因静电积聚而被引燃、引爆。因此，防静电设计能为阀门提供可靠的导电性能，从而为阀体提供可靠的工作环境。

3.5 密封设计

球阀是由各零部件组装而成的密封压力容器，各连接处采用“初级密封+次级密封”的双重密封结构。其中：初级静（或动）密封采用O型圈密封，工作状态下的密封作用由O型圈承担；次级静（或动）密封采用“金属+石墨”的复合垫作为密封防火设计，失火（火灾）状态下的密封作用由复合垫承担[3]。

3.6 球体与阀杆设计

球体与阀杆采用了分离设计，能减少介质作用在球体上的压力对阀杆的影响（主要是指介质对阀杆作用的弯矩）。这一方面可以使阀门扭矩达到最小，另一方面可以改善阀杆的受力状态。

3.7 阀杆防飞出设计

在阀杆与介质接触的一端设有承受内压的台阶，这样的结构设计被称为阀杆防飞出设计。阀杆作为控压元件，除了承担球阀的开、关功能外，还需承受来自壳体内腔的介质压力。若球阀输送的是易受温度因素影响而膨胀或挥发的介质，还会造成内腔异常升压。因此，为了保证阀杆的承压安全，需要将阀杆设计成一体式通轴结构（不可将其焊接成一体的结构）。

3.8 阀杆开关位置指示设计

球阀安装在管线上后，需要能够分辨出阀内球体的开关位置。由于阀杆与球体之间通过扁方连接，则阀杆与球体之间的相对位置固定，因此阀内球体的开关位置可通过裸露阀杆上的开关标识分辨。开关标识是在裸露阀杆的小头端面刻印或加工的一道2 mm×1 mm的沟槽，当沟槽与球阀流道轴线平行时球体位置为全开，当沟槽与球阀流道轴线垂直时球体位置为全关。

3.9 排污排气设计

根据球阀自身结构，球体两侧的阀座与壳体内腔之间会形成一个封闭空间，而且内腔的径向直径大于流道直径，因此介质中的杂质容易积聚于此形成污垢甚至结块。随着球阀在线服役时间的增加，污垢层会越来越厚，当污垢层接触到球体密封面时，将会造成阀座和球体的密封面划伤甚至损坏，最终导致球阀失效。为解决此问题，应尽量在壳体的最高点和最低点位置设计排污和排气螺塞，用于定期排污、排气和清洗冲刷。

3.10 辅助注脂密封设计

在球阀的在线工作服役过程中，与初级静密封的O型圈相比，一般初级动密封的O型圈会先失效。其原因主要有以下几方面：第一，当输送无润滑作用的介质时，初级动密封的O型圈因干摩擦或者混合摩擦造成损坏而影响密封导致失效；第二，当输送含有硬质颗粒杂质的介质时，初级动密封的O型圈因硬质颗粒刮擦造成损坏而影响密封导致失效；第三，初级动密封的O型圈因超过设计使用寿命而影响密封导致失效。

为了解决初级动密封的O型圈失效带来的密封泄漏问题，球阀需要设计辅助注脂密封结构，从而通过高压注脂枪将辅助密封脂注射到O型圈位置。注射的密封脂一方面可用于O型圈的润滑，另一方面当O型圈损坏引起轻微泄漏时，可以通过密封脂实现临时性密封，以便于采取补救措施。

3.11 球阀的操作方式

根据球阀现场工况操作需求，球阀的操作方式可以是手动操作、电动操作、气动操作、气液联动操作及电液联动操作[4]。

4 制造选材

工业级球阀的材质需根据工况参数（如介质、温度、压力、寿命、腐蚀性和操作频次等参数）而定。例如：燃气长输管线用球阀的材质选用低温碳钢锻件；氧气用球阀的材质选用奥氏体不锈钢或镍基合金；液化天然气介质用球阀选用ASTM A351 CF8M或ASTM A182 F316不锈钢；强酸、强碱等强腐蚀性介质用球阀选用内衬聚四氟乙烯。另外，由于高校教学的特殊属性（原理展示、轻巧便携），球阀教仪的结构设计需要完全按照标准和工业级的要求执行，但其材质可偏离工业级要求，如采用透明染色亚克力，且不同零部件应采用不同颜色以示区分[5]。

采用透明染色亚克力材质制造的球阀教仪主要特点有：第一，可以清楚地看到内部结构、动作过程、密封原理；第二，材质密度小，整体轻巧、便携，方便拆装测绘；第三，材质外观优美、耐候性好、表面硬度高、耐磨性较好。

5 检验与测试

作为一种压力容器，工业级球阀在产品组装好后需要按照标准进行尺寸检验和压力测试。尺寸检验内容主要为端部法兰尺寸和结构长度尺寸是否符合标准要求，压力测试内容主要是按照标准进行壳体承压测试和阀座密封测试。但是，因为球阀教仪的材质是非工业级材料，所以不能按照标准的要求进行压力测试，而是采用常压水进行示意性的密封测试。

6 结语

本文主要阐述了球阀的作用原理，列举了部分主要常用标准，并对球阀的阀座结构、防静电设计、密封设计、阀杆防飞出设计、排污排气设计、辅助密封设计、制造选材以及成品检验与测试等主要方面进行了详细剖析，进而从原理、标准、结构、选材、检验和测试等方面介绍了透明三片式固定球阀拆装教仪的设计，旨在用于教学演示、原理展示和测绘实践，以便更好地普及球阀知识。