01 概述
球阀在管道系统上主要用于切断、分配和改变介质流动方向。球阀的启闭件为一个球体，利用球体绕阀杆的轴线旋转90°实现开启和关闭的目的。球阀具有结构简单、体积小、质量轻、材料好用少、安装尺寸小等优点，是近些年发展最快的阀门品种之一。
零泄漏高温高压球阀是针对现役各系统用球阀存在的高温高压下其密封性能无法满足要求的问题而研究制造的新型球阀，通过改变现有高温高压球阀的驱动装置及密封结构形式，来实现高温高压工况下球阀的零泄漏。
02 结构特性
现有的球阀结构中，阀杆与阀体或阀盖之间普遍采用柔性石墨填料密封。填料密封虽然具有结构简单、成本低、适用广等优点，同时也有以下几种缺点：
①填料与阀杆直接接触，且相对转动，会造成阀杆与填料的磨损，长期的使用会发生填料的泄漏。
②填料与阀杆之间的摩擦，造成驱动装置有效功率的降低，驱动装置的部分功率消耗在阀杆与填料的摩擦上，造成驱动装置的无用功耗。
③在高温高压工况下，阀门一旦发生泄漏，就有可能造成不可逆转的危害或者伤害，所以这种工况下，阀门的安全性至关重要。
零泄漏高温高压球阀采用全封闭结构型式，使用屏蔽式电动装置取代原有的电动装置，这种电动装置可以直接与阀体连接，并且承受阀门的压力，使球阀阀杆与电动装置之间不需要填料来进行密封，不仅可以避免外泄漏，还可以减少填料所带来的开关阀阻力，提高了整机外密封性能和维修性能。电动装置与阀体之间采用不锈钢石墨缠绕垫密封，这种密封结构在高温高压工况具有广泛的应用示例， 并经过各种工况的试验验证，包括湿热交替工况及寿命验证等，完全可以满足零泄漏的要求。
03 结构组成
零泄漏高温高压球阀由屏蔽式电动装置、阀门本体组成。屏蔽式电动装置将屏蔽式电机与齿轮减速传动机构设计为一体式结构，体积比传统的电动装置小很多。阀门本体由左右阀体、中阀体、球体、阀座、密封圈、补偿弹簧等组成。零泄漏高温高压球阀结构见图1。
图1 零泄漏高温高压球阀
3.1 屏蔽式电动装置
屏蔽式电动控制装置是零泄漏高温高压球阀的执行机构，为球阀开启/关闭提供动力支持，也作为系统压力边界的组成部分。
屏蔽式电动控制装置主要由屏蔽式电机、屏蔽套和减速机构等组成。屏蔽式电机与普通电机最大的区别在于转子置于屏蔽套内。屏蔽套形成一个环腔，将屏蔽式电机的定子与转子分开，同时减速器也装在屏蔽套内部。电机输出转矩通过减速器的变速后直接输出到球阀阀杆上，这样就通过屏蔽套将球阀内介质与屏蔽套外部机构的隔离，从而使阀门的动作行程在其全封闭结构中。
3.2 球体
球阀球体的上阀杆与球体、下阀杆集成为一体，整体加工，上端与电动装置输出轴直接连接，使电动装置输出的转矩直接作用在球体上，避免因承受载荷件过多引起的潜在风险。
球体与上下阀杆为一体式结构，提高了球阀旋转部件整体强度。球体密封面与阀杆导向面采用精密封加工中心一次完成加工，保证了球阀密封面的精度。球体密封面堆焊硬质合金，经高精度加工和研磨后表面粗糙度Ra≤0.2μm，保证球阀内密封副密封性和使用寿命。
球体的上阀杆安装有定位键，与阀体定位挡块共同作用，实现球体开关阀圆周位置的精确定位。球体上下阀轴安装在一对推力轴承上，并通过下定位套将球体精确位，从而保证了球体的旋转中心与阀座中心完全重合，保证了密封性能，减小了摩擦阻力。上下阀杆与定位套之间配合间隙经计算校核，同时考虑了热膨胀变形等因素影响，既保证了球体的对定位的需要，又保证了球体相对阀座的对中性，确保了球体在转动过程中不会产生卡滞现象。
3.3 阀座
阀座采用具有弹性补偿和压力自平衡功能的浮动式结构。阀座与阀体之间设有弹簧蓄能密封圈和加载弹簧，加载弹簧的刚度经精确计算，以保证阀座在任何工况下满足密封性要求。弹簧蓄能圈安装在阀体与阀座轴之间。球阀关闭后，通过阀座与中阀体间隙进入压力平衡腔内压力作用于阀座轴，将阀座推向球体，同时，压力平衡腔外的介质，作用于阀座密封中线，将阀座推离球体。阀座轴直径与阀座密封中线直径设计时经过计算校核，保证阀座轴直径与阀座密封中线直径，提高了阀座自平衡性能。
阀座密封面堆焊硬质合金，密封面及运动配合表加工后进行研磨处理，同时，阀座与阀体之间的配合间隙考虑了热膨胀、运动磨损等因素的影响。阀座在阀体导向套内动作合理，不会产生任何卡滞现象，保证阀座在任何工况下的自动补偿性能（图2）。
图2 自动补偿式阀座密封结构
左右阀体与中阀体采用不锈钢石墨缠绕垫密封，使用多个螺栓预紧。螺栓预紧力经计算校核，保证左右阀体与中阀体的密封性能。
04 结语
高温高压工况下对阀门的安全性、密封性、可靠性要求严格，在设计、制造过程中应充分考虑阀门的强度、材料、工艺和装配等因素。了解和掌握了零泄漏高温高压球阀的结构及密封原理，设计和制造性能可靠的产品，有利于零泄漏高温高压球阀将在高温高压工况下广泛使用，有利于维修保障部门对这类阀门的检修和保养。
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