球閥是近幾來(lái)發(fā)展最快的閥門(mén)品種之一。特別是在美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，球閥在向大口徑、高密封性、長(zhǎng)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(guó)，該國(guó)的EscherWyss公司產(chǎn)品最大公稱通徑已達(dá)3050mm，設(shè)計(jì)壓力達(dá)4.8MPa。雖然我國(guó)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(guó)共同研發(fā)，還未形成自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，國(guó)內(nèi)在海底輸油管線工程上用的大口徑閥門(mén)還依賴進(jìn)口。因此，筆者就強(qiáng)密封、小力矩、高安全大口徑球閥的開(kāi)發(fā)問(wèn)題進(jìn)行了探討。
1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)
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(lái)了技術(shù)的飛速變革和發(fā)展。在設(shè)計(jì)中，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)（如CAD）有效提高了設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)中，把有限元法作為控制閥的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的重要手段。國(guó)內(nèi)外在結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)領(lǐng)域的研究十分活躍，特別是美國(guó)、西歐等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，十分重視關(guān)于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)問(wèn)題的研究，并將其列為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。在我國(guó)，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(dòng)態(tài)特性等擴(kuò)展，而且將有限元分析計(jì)算與試驗(yàn)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(gè)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(huì)不斷被研制出來(lái)；二是新型結(jié)構(gòu)球閥將會(huì)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(zhǎng)輸管線用球閥會(huì)在遙控、自控、工作可靠性、壽命諸方面得到提高。
目前，美國(guó)的EscherWyss公司為田納西州的一個(gè)泵站所提供的4臺(tái)球閥，用作透平機(jī)出口的切斷閥，其球閥最大公稱通徑已達(dá)3050mm，設(shè)計(jì)壓力為4.8MPa。在我國(guó)，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(mén)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(guó)GE新比隆公司合作，沒(méi)有自己的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前，國(guó)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(guó)，急需設(shè)計(jì)出強(qiáng)密封、小力矩、高安全的大口徑球閥。
2 強(qiáng)密封及小力矩和高安全大口徑球閥設(shè)計(jì)
2.1 工作原理
以球體作為關(guān)閉件的閥門(mén)，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(dòng)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(dòng)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(kāi)或全關(guān)的動(dòng)作。
2.2 關(guān)鍵技術(shù)
2.2.1 大口徑球閥強(qiáng)密封實(shí)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(huì)隨載荷的變化而變化，是一種動(dòng)態(tài)自緊密封裝置。初始密封利用裝配時(shí)的過(guò)盈量和擠壓量實(shí)現(xiàn)。當(dāng)有介質(zhì)載荷作用于C形彈簧圈和金屬?gòu)椈擅芊馓讜r(shí)，它會(huì)發(fā)生形變，使密封接觸面應(yīng)力和密封能力增大，從而實(shí)現(xiàn)高壓密封。
2）應(yīng)用高性能變形合金材料、設(shè)計(jì)整體式波形彈簧裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)閥座與球閥的預(yù)緊，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的低壓密封，當(dāng)閥腔內(nèi)介質(zhì)壓力升高時(shí)，介質(zhì)會(huì)推動(dòng)閥座向前運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，處于浮動(dòng)密封狀態(tài)。
3）參照API6D管道閥門(mén)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(duì)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(jī)械性能，又能滿足惡劣工況的要求。
2.2.2 大口徑球閥小開(kāi)關(guān)力矩實(shí)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(duì)其表面進(jìn)行電鍍處理，這些都降低了閥門(mén)的開(kāi)關(guān)力矩，使得閥門(mén)開(kāi)關(guān)靈活、操作方便。
2）設(shè)計(jì)省力驅(qū)動(dòng)裝置，使閥門(mén)開(kāi)關(guān)靈活輕便。
3）閥體、球體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形經(jīng)solidedge三維有限元計(jì)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(mén)啟閉扭矩。
2.2.3 大口徑球閥高安全實(shí)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(mén)耐火的要求。
2）設(shè)計(jì)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(shí)，其與球體接觸并保持密封，此時(shí)，球體與彈性閥座上的浮動(dòng)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(dòng)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(shí)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(jì)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(xiǎn)：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(kāi)而飛出的事故隱患；閥門(mén)設(shè)計(jì)自動(dòng)泄壓裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)泄壓螺釘，使閥門(mén)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(duì)比