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1 球阀结构

球阀是由旋塞阀演变而来的,它的启闭件作为一个球体,利用球体绕阀杆的轴线旋转 90 度实现开启和关闭的目的。

2 球阀作用

球阀在管道上主要用于切断、分配和改变介质流动方向,设计成 V 形开口的球阀还具有良好的流量调节功能。

球阀不仅结构简单、密封性能好,而且在一定的公称通经范围内体积较小、重量轻、材料耗用少、安装尺寸小,并且驱动力矩小,操作简便、易实现快速启闭,是近十几年来发展最快的阀门品种之一。特别是在美、日、德、法、意、西、英等工业发达国家,球阀的使用非常广泛,使用品种和数量仍在继续扩大,并向高温、高压、大口经、高密封性、长寿命、优良的调节性能以及一阀多功能方向发展,其可靠性及其他性能指标均达到较高水平,并已部分取代闸阀截止阀调节阀

随着球阀的技术进步,在可以预见的短时见内,特别是在石油天然气管线上、炼油裂解装置上以及核工业上将有更广泛的应用。此外,在其他工业中的大中型口径、中低压力领域,球阀也将会成为主导的阀门类型之一。

3 球阀的优点

  1. 具有最低的流阻(实际上为零)。
  2. 因在工作时不会卡住(在无润滑剂时),故能可靠地应用与腐蚀性介质和低沸点液体中。
  3. 在较大地压力和温度范围内,能实现完全密封。
  4. 可实现快速启闭,某些结构的启闭时间仅为 0.05~0.1s,以保证能用于试验台的自动化系统中。快速启闭阀门时,操作无冲击。
  5. 球型关闭件能在位置上自动定位。
  6. 工作介质在双面上密封可靠。
  7. 在全开和全闭时,球体和阀座的密封面与介质隔离,因此高速通过阀门的介质不会引起密封面的侵蚀。
  8. 结构紧凑、重量轻,可以认为它时用于低温介质系统的最合理的阀门结构。
  9. 阀体对称,尤其时焊接阀体结构,能很好地承受来自管道的应力。
  10. 关闭件能承受关闭时的高压差。
  11. 全焊接阀体的球阀,可以直埋于地下,使阀门内件不受侵蚀,最高使用寿命可达 30 年,是石油、天然气管线最理想的阀门。

由于球阀有上述优点,所以适用范围很广,球阀可适用于:

  1. 公称通经从 8mm 到 1200mm。
  2. 公称压力从真空到 42MPa。
  3. 工作温度从 -204℃~815℃。

4 球阀密封性

球阀最主要的阀座密封圈材料就是聚四氟乙烯(PTFE),它对几乎所有的化学物质都是惰性的,且具有摩擦系数小、性能稳定、不易老化、温度适用范围广和密封性能优良的综合性特点。但聚四氟乙烯的物理特性,包括较高的膨胀系数,对冷流的敏感性和不良的热传导性,要求阀座密封的设计必须围绕这些特性进行。阀座密封的塑性材料也包括填充聚四氟乙烯、尼龙和其他许多材料。但是,当密封材料变硬时,密封的可靠性就要受到破坏,特别是在低压差的情况下。此外,像丁青橡胶这样的合成橡胶也可用作阀座密封材料,但它所适用的介质和使用的温度范围药受到限制。另外,如果介质不润滑,使用合成橡胶容易卡住球体。

为了满足高温、高压、强冲蚀、长寿命等工业应用的使用要求,近十几年来,金属密封球阀得到了很大的发展。尤其在工业发达的国家,如美国、意大利、德国、西班牙、荷兰等,对球阀的结构不断改进,出现全焊接阀体直埋式球阀、升降式球阀、使球阀在长输管线、炼油装置等工业领域的应用越来越广泛,出现了大口径(3050mm)、高压力(70MPa)、宽温度范围(-196~815℃)的球阀,从而使球阀的技术达到一个全新的水平。

5 球阀设计与制造

由于计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)以及柔性制造系统(FMS)在阀门行业的应用,使球阀的设计和制造达到一个全新的水平。不但全面革新了阀门的设计计算方式,减轻了专业技术人员繁重的重复性常规设计工作,使技术人员有更多的精力用于改进、提高产品性能和新产品开发,缩短新产品的研究开发周期、全面提高劳动生产率,而且在升降杆式金属密封球阀的研制开发过程中,由于 CAD/CAM 的应用,出现了由计算机辅助设计、由计算机辅助数控机床加工制造的阀杆螺旋扁,使金属密封球阀在启闭过程中无任何擦伤和磨损,从而使球阀的密封性和使用寿命大大提高。球阀在完全开启时,流阻很小,几乎等于零,因此等径球阀广泛应用于石油天然气管线中,因为容易清扫管线。由于球阀的球体在启闭过程中带有擦拭性,故大多数球阀可用于带悬浮固体颗粒的介质中,依据密封圈的材料也可用于粉状和颗粒状的介质。

6 球阀适用场合

由于球阀通常用橡胶、尼龙和聚四氟乙烯作为阀座密封圈材料,因此它的使用温度受到阀座密封圈材料的限制。球阀的截止作用是靠金属球体在介质的作用下,于塑料阀座之间相互压紧来完成的(浮动球球阀)。阀座密封圈在一定的接触压力作用下,局部地区发生弹塑变形。这一变形可以补偿球体的制造精度和表面粗糙度,保证球阀的密封性能。

又由于球阀的阀座密封圈通常采用塑料制成,故在选择球阀的结构和性能上,要考虑球阀的耐火和防火,特别是在石油、化工、冶金等部门,在易燃、易爆介质的设备和管路系统中使用球阀,更应注意耐火和防火。

通常,在双位调节、密封性能严格、泥浆、磨损、缩口通道、启闭动作迅速(1/4 转启闭)、高压截止(压差大)、低噪声、有气穴和气化现象、向大气少量渗漏,操作力矩小、流体阻力小的管路系统中,推荐使用球阀。

球阀也适用于轻型结构、低压截止(压差小)、腐蚀性介质的管路系统中。

在低温(深冷)装置和管路系统中也可选用球阀。

在冶金行业的氧气管路系统中,需使用经过严格脱脂处理的球阀。

在输油管线和输气管线中的主管线需埋设在地下时,需使用全通径焊接式球阀。

在要求具有调节性能时,需选用带V形开口的专用结构的球阀。

在石油、石油化工、化工、电力、城市建设中,工作温度在 200℃ 以上的管路系统可选用金属对金属密封的球阀。

7 球阀适用原则

  1. 石油、天然气的输送主管线、需要清扫管线的,又需埋设在地下的,选用全通经、全焊接结构的球阀;埋设在地上的,选择全通经焊接连接或法兰连接的球阀;支管,选用法兰连接、焊接连接,全通经或缩径的球阀。
  2. 成品油的输送管线和贮存设备,选用法兰连接的球阀。
  3. 城市煤气和天然气的管路上,选用法兰连接和内螺纹连接的浮动球阀。
  4. 冶金系统中的氧气管路系统中,宜选用经过严格脱脂处理,法兰连接的固定球球阀。
  5. 低温介质的管路系统和装置上,宜选用加上阀盖的低温球阀。
  6. 炼油装置的催化裂化装置的管路系统上,可选用升降杆式球阀。
  7. 化工系统的酸碱等腐蚀性介质的装置和管路系统中,宜选用奥氏体不锈钢制造的、聚四氟乙烯为阀座密封圈的全不锈钢球阀。
  8. 冶金系统、电力系统、石化装置、城市供热系统中的高温介质的管路系统或装置上,可选用金属对金属密封球阀。
  9. 需要进行流量调节时,可选用蜗轮蜗杆传动的、气动或电动的带 V 形开口的调节球阀

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