大口徑球閥的探討
球閥，是應(yīng)用較為廣泛的閥門之一，它出現(xiàn)很早，推廣使用較晚。它的工作原理與旋塞閥一樣，都是靠旋轉(zhuǎn)閥芯來使閥門啟閉的，但比旋塞閥開關(guān)輕便，相對體積小，可以做成大口徑閥門。球閥密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，密封面與球體常在閉合狀態(tài)，不易被介質(zhì)沖蝕。目前，國外球閥口徑已達3050cm，在石油、化工、冶金、輕紡、食品、原子能、航空等部門廣泛使用。
1、球閥的分類
球閥分為兩大類：浮動式、固定式（見圖1）
a、浮動式球閥 b、固定式球閥
圖1 浮動式、固定式球閥結(jié)構(gòu)
1.1、浮動式球球閥
球閥的球體是浮動的，在介質(zhì)壓力作用下，球體能產(chǎn)生一定的位移并緊壓在出口端的密封面上，保證球閥的密封。浮動球球閥的結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，但球體承受工作介質(zhì)的載荷全部傳給了出口密封圈，因此要考慮密封圈材料能否經(jīng)受得住球體介質(zhì)的工作載荷。這種結(jié)構(gòu)，廣泛用于中低壓球閥。
1.2、固定球球閥
球閥的球體是固定的，受壓后不產(chǎn)生移動。固定球球閥都帶有浮動閥座，受介質(zhì)壓力后，閥座產(chǎn)生移動，使密封圈緊壓在球體上，以保證密封。通常在與球體的上、下軸上裝有軸承，操作扭距小，適用于高壓和大口徑的閥門。為了減少球閥的操作扭矩和增加密封的可靠程度，近年來又出現(xiàn)了油封球閥，既在密封面間壓注特制的潤滑油，以形成一層油膜，即增強了密封性，又減少了操作扭矩，更適用高壓大口徑的球閥。
本文主要對浮動式大口徑球閥的密封性啟閉力矩等作粗淺的探討，希望能對球閥的應(yīng)用有所幫助。
2、浮動球閥的密封
浮動球球閥的結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，但球體承受工作介質(zhì)的載荷全部傳給了出口密封圈，因此密封圈材料能否經(jīng)受得住球體介質(zhì)的工作載荷是關(guān)鍵。一般說來， 密封圈都是用聚四氟乙烯等彈性材料制造，金屬與非金屬材料組成密封副，也就是通常稱為軟密封。軟密封的密封性容易保證，而且對密封表面的加工精度與表面粗糙度要求也不很高。在介質(zhì)的壓力下，球體向出口端位移并壓緊閥座，這時，球體壓在閥座上的力QMJ為：
式中：DMW—閥座密封面外徑
DMN—閥座密封面內(nèi)徑
P—介質(zhì)工作壓力
為了保證低壓時的密封，球閥和閥座所必須的預(yù)緊比壓不應(yīng)小于1200N·M，預(yù)緊密封主要靠閥座本身的彈性，所以密封面的寬度是受一定限制的，計算式為：
式中：[q]—許用應(yīng)力（聚四氟乙烯許用應(yīng)力為1530N·M）
對于帶彈性元件的閥座，它的工作可靠性和使用期限很大程度上取決于正確選擇密封閥座的預(yù)壓縮力。
低壓時，在預(yù)緊力不足的情況下，將不能保證球閥的密封，過渡的壓縮會引起球體和閥座間的摩擦力矩增加，并可能引起閥座材料的塑性變形。
閥座與閥體槽之間的間隙δ1，是保證球閥正常工作的基本條件，在選擇間隙δ1 時，必須考慮預(yù)壓縮閥座的均勻伸長應(yīng)在總的彈性變形范圍內(nèi)，對此采用：
式中：DMP—閥座平均直徑；σMJ—彈性變形范圍內(nèi)閥座橫截面的許用應(yīng)力，對聚四氟乙烯制閥座,σMJ=820（N-M）；E—閥座材料的彈性模數(shù)，對聚四氟乙烯制閥座，E=48000～81600（N-M）。閥座的密封材料一般都是用聚四氟乙烯，在現(xiàn)有塑料中，化學(xué)穩(wěn)定性最強的是聚四氟乙烯，它對化學(xué)作用的穩(wěn)定甚至超過貴重金屬金和鉑、玻璃、陶瓷、搪瓷、特種鋼材和合金。化學(xué)腐蝕性較強的物質(zhì)—濃酸、稀酸、濃堿液、最強的氧化劑也不能對聚四氟乙烯起任何作用，有“塑科王”之稱。除某些鹵化胺或芳香烴使聚四氟乙烯塑料有輕微的溶脹現(xiàn)象之外，酮類、酸類、酯類等有機溶劑對聚四氟乙烯都無作用，不會發(fā)生重量變化及溶脹現(xiàn)象。對它能發(fā)生作用的僅為熔融態(tài)的堿金屬、三氟化氯及元素氟等，但也只是在高溫、高壓下作用才顯著。此外，聚四氟乙烯也不受氧或紫外線的作用，不吸水、具有不燃性。
它具有很高的耐熱性和耐寒性，使用溫度范圍為-180～250℃，在250℃處理240h，力學(xué)性能無降低，390℃每小時失重0.006％。它的介電性能優(yōu)良，并且電性能不受頻率和溫度的影響，可在250℃下長期工作。由上可知，用聚四氟乙烯作為球閥的密封是較為理想的。聚四氟乙烯的彈性模數(shù)值很大，因此，材料的性能決定了其彈性變形很小，一但長期便用，材料的彈性不足以彌補密封面的磨損，這時球閥的密封就要破壞，因此，在設(shè)計閥座時考慮如何從結(jié)構(gòu)上增加它的彈性，我們選用了彈性結(jié)構(gòu)（見圖2）。
圖2 閥座密封圈
