1 概述 球閥是上世紀50年代問世的一種新型閥門，具有流體阻力小、結構簡單、密封可靠、操作維修方便等優點。通過半個世紀的發展，球閥已成為一種主要閥類，在航天、船舶、石油化工、輕工食品和建筑等許多方面得到了廣泛應用。尤其在船舶艦艇的各種系統管路上，各種口徑、壓力、介質的球閥被普遍采用，成為一種不可缺少的船舶系統組件。
隨著我國高分子材料技術水平的不斷提高，新型耐高溫工程塑料（如增強聚四氟乙烯、對位聚苯等）不斷涌現，良好的密封性能和加工工藝性使這些材料在高溫球閥中作為非金屬密封材料也逐漸得到應用。但是在實際使用中，我們發現非金屬密封座損壞現象頻繁發生，嚴重影響高溫球閥的密封性能和使用壽命。通過對受損密封座的分析研究和大量的試驗驗證，*終密封座損壞的問題得到了解決。本文就高溫球閥密封座損壞的現象以及發生原因和解決方法作詳細介紹???供大家探討和研究。
2密封座損壞過程及現象
本文所分析的受損密封座用于浮動球直通結構，其結構簡圖如圖1所示。其中密封座材料采用耐350℃的對位聚苯。
圖1 浮動球直通球閥
對高溫球閥在進行高溫高壓（6.0MPa飽和蒸汽）的試驗過程中，發現了密封座發生損壞，損壞的密封座如圖2所示。通過仔細觀察，發現損壞的均為介質進口端的密封座，且損壞的都是同一部位，而出口端的密封座完好無損。為了確定密封座損壞是發生在球閥開啟過程中還是關閉過程中，特對球閥進行了分段試驗。首先在球閥關閉狀態下，通入6.0MPa飽和蒸汽，預熱10分鐘后，開啟球閥，然后檢查密封座是否損壞；接著在球閥開啟狀態下，通入6.0MPa飽和蒸汽，預熱10分鐘后，關閉球閥，然后檢查密封座是否損壞，結果兩次試驗均發生進口端密封座損壞現象。由于浮動球結構的球閥密封原理是在介質壓力的作用下，球體產生一定的位移緊壓在出口端的密封座上，從而保證出口端密封，因此進口端密封座的損壞，并不影響球閥的密封性能，具有一定的隱蔽性。當球閥進行多次啟閉動作后，進口端密封座損壞處還會發生部分剪切脫落現象。
圖2 受損密封座
3 密封座損壞原因分析
基于密封座損壞部位的一致性，且開啟和關閉過程中均會發生進口端密封座同一部位的損壞，因此對球閥的啟閉過程進行了細致的分析。
如圖3a所示，當球閥處于關閉狀態時，球體在介質壓力的作用下，產生一定的位移緊壓在出口端的密封座上，由出口端的密封座保證球閥的密封。而進口端密封座因球體的后移，其底面的密封比壓減小，壓力介質進入到密封座底面，在介質壓力的作用下，其密封面與球體全部接觸，此時密封座不會受到損壞；當球閥進行開啟操作時（見圖3b），進口端A腔與球閥中部的B腔將形成一個流道，產生一個壓力差ΔP，當流道處球體與閥座脫離接觸時，這一部分的閥座將失去支承，在介質壓力的作用下產生了彎曲變形。當繼續轉動球體時，密封座彎曲部分將被通道邊緣所壓壞而喪失其密封性能。
圖3 球閥由關閉到開啟過程中的受力分析
球閥關閉過程中的情況也大致相同。如圖4a所示，當球閥處于開啟狀態時，由于球閥裝配預緊力的作用和非金屬密封座的熱膨脹（非金屬的膨脹系數比金屬的膨脹系數大很多），使得通道中的介質無法進入到球閥的B腔，因此通道與球閥中部的B腔存在一個壓力差ΔP，但此時密封座的密封面與球體全部接觸，密封座不會發生變形；當球閥進行關閉操作時（見圖4b），球體通道與B腔有一個壓力平衡的過程，即介質由通道進入B腔，當流道處球體與閥座脫離接觸時，這一部分的閥座失去支承，在介質壓力的作用下產生了彎曲變形。這種變形既可以發生在圖示的左上角，也可能發生在右下角，進口端的密封座總是被損壞，那是因為當繼續關閉球閥至圖4c位置時，A腔與B腔之間，B腔與C腔之間又將產生一個壓力差ΔP，A腔與B腔間的壓力差ΔP使進口端閥座的彎曲變形更加嚴重，而B腔和C腔間的壓力差將使出口端密封座的變形得到修復，當繼續轉動球體時，進口端密封座的彎曲變形部分將被球體通道邊緣所壓壞，而出口端密封座不會受到損傷。
圖4 球閥由開啟到關閉過程中的受力分析
4 解決方法
通過**節的故障原因分析，知道了進口端密封座損壞都是由于A腔和B腔存在的壓力差△P引起的，因此只要減少A腔和B腔之間的壓力差，就可以避免密封座在開啟和關閉過程中發生彎曲變形而遭受損壞，對此，在不改變原浮動球直通球閥結構的基礎上，采取了下面兩種措施：
（1）對于開啟過程中球閥密封座發生損壞的原因，采取了在密封座外圈開六條3*1mm的卸壓槽（見圖5a）。由于球閥關閉時，球體在介質壓力的作用下，產生一定的位移緊壓在出口端的密封座上，進口端密封座底面處于松弛狀態，通過卸壓槽可以迅速平衡A腔和B腔的壓力，開啟過程中，由于卸壓槽增加了介質從A腔到B腔的流通面積，因此減少了A腔和B腔之間的壓力差?P，從而消除了密封座發生彎曲變形引起損壞的因素。
圖5 解決密封座損壞的方法
（2）對于關閉過程中球閥密封座發生損壞的原因，采取了在球體上鉆一個Φ6mm的卸壓孔（見圖5b）。該卸壓孔使球閥在開啟狀態下，A腔和B腔得到連通，從而使球閥關閉過程中所產生的壓力差ΔP完全消失，徹底消除了密封座發生彎曲變形的可能。
5 總結
根據上述方法，對高溫球閥的密封座和球體進行了改進，并對改進后的球閥進行了高溫高壓試驗（6.0MPa飽和蒸汽）。經反復試驗，原進口端密封座損壞的現象再也沒有發生過，這也證明了原先對密封座損壞原因的分析是正確的，采取的措施是有效的。
*后介紹四種通過固定球閥密封座來解決密封座彎曲變形損壞的方法，圖6為四種固定密封座的結構簡圖。
圖6 防止密封座損壞的固定密封座方法