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阀门基础知识:球阀


球阀可能不会很好地弹跳,但它们在调节流量方面效果很好。流行的阀门以其圆球命名,它位于阀体内部并推入阀座以控制或提供流体管道的开/关功能。


与闸阀、截止阀和止回阀设计相比,球阀的历史要短得多。虽然第一个球阀专利是在 1871 年颁发的,但球阀要获得商业成功还需要 85 年的时间。在二战期间制造原子弹的工艺设计过程中发现了聚四氟乙烯(PTFE,或“特氟龙”),这将成为启动球阀行业发展的催化剂。球阀有从黄铜到碳钢和不锈钢到锆的所有材料。

有两种基本类型:浮动球和耳轴球。这两种设计允许构造从 1/4” 到 60” 及更大尺寸的有效球阀。通常,浮动设计用于较小和较低压力的阀门,而耳轴式用于较大和较高压力的阀门应用。


使用这两种球阀的原因与它们的密封方式以及流体力如何从管路流到球然后到阀座有关。在浮动球设计中,球紧贴在两个座位之间,一个在上游,一个在下游。流体的力作用在球上,将其推入位于下游阀体中的阀座。由于球覆盖了整个流动孔,因此流中的所有力都推向球以迫使其进入阀座。如果球太大,压力太大,阀座上的力会很大,因为操作扭矩太大,阀门无法操作。

浮动球阀有多种阀体样式,但最流行的是两片式端部入口型。其他阀体款式包括三件式和顶部入口。浮动球阀的制造尺寸最大为 24" class 300,但浮动球阀的实际应用范围通常要低得多 - 最多约 12"。

尽管球阀主要设计为开/关或“截止”阀,但增加部分球阀和 V 口球阀设计使其成为控制型应用的理想选择。

弹性阀座


较小的浮动球阀用于许多不同的应用,从家用管道到含有最苛刻化学品的管道。这些阀门中最受欢迎的阀座材料是某种形式的热塑性塑料,例如 PTFE。聚四氟乙烯阀座工作得很好,因为它们足够柔软,可以很好地密封在抛光的金属球上,但又足够坚固,不会从阀门中吹出。这些软阀座阀门的两个主要问题是它们容易被划伤(和潜在的泄漏),并且温度限制在低于热塑性阀座的熔点——大约 450oF (232oC) 左右,具体取决于阀座材料。

许多弹性阀座浮动球阀的一个特点是在发生导致主阀座熔化的火灾时能够适度密封。这称为防火设计;它具有一个座袋,不仅可以将弹性座固定到位,而且还提供了一个金属座面,可以在接触球时提供部分密封。根据美国石油协会 (API) 607 或 6FA 防火测试标准对阀门进行测试,确认防火设计。

耳轴设计


当需要更大尺寸和更高压力的球阀时,设计转向耳轴式。耳轴与浮动式的不同之处在于耳轴球通过底部的耳轴(短的连接杆)和顶部的杆固定在主体中。由于球无法“漂浮”到阀座中以实现可靠闭合,因此阀座必须漂浮到球上。耳轴座的设计使该座受到上游压力的激励并被迫进入球体以进行密封。因为球被牢固地固定在适当的位置,除了它的 90o 旋转之外,非凡的流体力和压力不会将球卡入阀座。相反,力只作用在浮动座椅外围的一小块区域上。


耳轴球阀是浮动球阀的大哥大,因此它可以处理大工作——高压和大管径。到目前为止,耳轴球阀最流行的用途是管道服务。这些阀门特别适用于直径高达 60" 和压力高达 600 级的天然气管道。如果需要,耳轴球阀也可用于更高的压力。通过使用耳轴设计,打开和关闭阀门所需的扭矩更低,因此可以使用更小的执行器。

耳轴设计还非常适合双阻塞和排放服务,因为上游和下游阀座都独立浮动,而且大多数设计还具有阀体或排水连接。耳轴设计通常采用阀座润滑端口,在阀座周围可以注入润滑剂以帮助关闭效果。

金属密封设计


近30年来球阀技术的最大进步是金属密封球阀。虽然金属座和金属球的想法并不新鲜——事实上,1871 年的第一个球专利以黄铜球和黄铜座为特色——但设计需要涂层技术的进步才能真正完善。

金属阀座球阀设计使球阀能够从数十年来由古老的闸阀主导的市场份额中占据一大部分。如果硬化的阀座表面没有被管线中的碎屑划伤,金属阀座、特殊涂层球紧密贴合一组精密涂层和研磨阀座,提供零泄漏。

球阀标准

有几个适用于球阀的标准。下表列出了最常见的球阀设计文件:


在过去的 40 年里,球阀在替代其他阀门类型方面取得了巨大的进步。制造更小尺寸的成本也大幅下降,使它们更具竞争力。涂层和金属阀座球阀技术的进步创造了非常坚固的设计,从而产生了极具吸引力的总拥有成本。


虽然整个工业阀门领域仍以闸阀和截止阀、线性阀设计为主,但相对年轻的球阀正在稳步发展,金属阀座类型已成为全球严苛工况应用的首选阀门设计.

Greg Johnson 是 United Valve (www.unitedvalve.com) 的总裁。他是 VALVE 杂志的特约编辑和现任阀门维修委员会成员。他还担任 VALVE 杂志顾问委员会主席、VMA 教育与培训委员会的创始成员以及制造商标准化协会的前任主席。通过 greg1950@unitedvalve.com 与他联系。


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