【技术文章】球阀在进化，重新认识“无所不能”的球阀
在各式各样的阀门类别当中，球阀是一种特别的存在，它能够通过旋转球体实现开启、关闭和调节流量。虽然球阀的价格相对较高，但其出色的密封性能和简便的操作方式，使其在各类阀门中“遥遥领先”。因此，球阀被广泛应用于工业领域。本篇文章带你走进球阀的独特世界。
球阀的发明可以说是阀门行业的革命性发展，为满足现代流量控制要求提供了许多独特的解决方案。然而实际上，它的独特优势并没有在发明之初就显现出来。早期，由于缺乏制造真正圆形球体的机械加工技术，而且当时与天然橡胶使用相关的密封材料非常有限，导致球阀还不能够应用于工业领域。
第二次世界大战期间到20世纪50年代，为战争而开发的加工技术使球阀的独特优势得以引入军事用途。而聚四氟乙烯(PTFE)（通常以 Teflon 品牌名称而闻名）等合成材料的开发，为球阀在工业领域的应用铺平了道路。
如今，球阀被广泛应用于液体、气体甚至固体的流量控制。这些应用的温度范围为-450°F (-267°C) 至 1600°F (871°C) 以上，压力范围可以从全真空到超过 20,000 psi。
我国球阀的发展，源于两个各自独立的系统。大致经历了三个发展阶段：
▶ 第一阶段：大致为20世纪50年代末到70年代末期间。1958年在北京展览馆展出日本的浮动球球阀，国内通用阀门制造业以此样机和样本为基础，发展成Q41系列浮动球球阀；尔后，引进日本KTM固定球球阀结构，发展了Q47系列固定球球阀；另外，为满足航天工业发动机地面试验的需要，以及燃料、氧化剂储运设备的需要，参照原苏联的有关资料发展军工系统用气动不锈钢球阀，而产品的设计基础均参照原苏联贝科夫的《球阀》一书。贝科夫是一位从事液体火箭发动机试验的工程师，这本书的某些内容被收集在阀门手册中。一直到1978年在黄山召开第一届阀门年会，两个系统的阀门技术作了充分地交流。
▶ 第二阶段：20世纪80年代初至90年代末期间。改革开放以后，美国的阀门产品和ASME/ANSI的有关阀门设计、制造、试验的标准及其相关材料标准为国内阀门界所接受，并以ASME B16.34为阀门的设计标准，以API 608、API6D为阀门的产品标准，推出美标系列的球阀产品。一个标志性的发展是1992年美国JAMESBURY公司与原上海阀门七厂组建第一家中外合资企业。引进了以介质激励下的挠性密封原理为基础的高性能球阀和高性能蝶阀，使中国阀门的整体技术水平有了大幅度地提高。
▶ 第三阶段：21世纪开始，我国球阀在长输管线球阀与金属密封球阀方面取得了重要的发展。
球阀的主要部件包括阀体、球体、阀座和阀杆，这些部件的材质多种多样。球阀可以提供多种端口连接，包括法兰连接、螺纹连接、焊接端口和晶圆连接等。球阀的结构相对简单，主要包括以下几个部分：
阀体
球阀阀体可以由你能想到的任何金属铸造、锻造或机械加工而成。这是由于球阀的设计简单而紧凑。其适用金属包括：
▶ 有色金属，例如黄铜、青铜和铝
▶ 黑色金属，包括铁、碳钢和不锈钢
▶ 镍基金属，包括哈氏合金、铬镍铁合金和镍
▶ 活性金属，包括钛、钽和锆
球阀可以由各种塑料和聚合物制成，包括PVC、聚乙烯和聚丙烯，也可以内衬聚合物和塑料，或者由氧化铝和氧化锆等陶瓷制成或内衬。
美国阀体的基本设计符合ASME（美国机械工程师协会）标准B16.34指南。这些标准确定了大多数铁合金的壁厚、应力水平和其他参数以及压力-温度关系。B16.10 指南还规定了许多类别阀门的可接受尺寸，例如行业特定标准，如API（美国石油协会）管道阀门标准6D和API 608“金属球阀-法兰，螺纹和焊接端”。这些规范控制了尺寸、材料和应用，以确保阀门设计在阀企之间保持一致。想要进入全球市场的阀企就必须遵守 ISO（国际标准化组织）、PED（欧盟委员会压力设备指令）、CE (PED) 和 ATEX（必维国际检验局）标准，以及中国和俄罗斯等国家许多现有标准。满足这些标准已成为与欧盟进行贸易的强制要求，同样的，日本的 JIS 标准和其他地方的类似要求也是如此。
球体
球阀的流量控制元件当然是球体。球体作用于阀座，可以阻止或控制通过阀门的流量。球体和阀座对于平稳运行、降低扭矩和良好的密封性能至关重要，特别是在需要金属阀座和金属对金属密封的情况下。球阀的球形端口配置可以从标准的直孔式和通孔式到提供三到五通端口设计的多端口式不等。虽然大多数球阀设计使用全球面，但也有一些设计使用半球形（扇形）或者使用凸轮作用将球推入阀座的设计。
用于阀门的球体由多种材料加工而成，包括金属、陶瓷或塑料。金属球可以通过各种涂层或表面处理来增强。它们用于提供改进的耐磨性、耐腐蚀性或高硬度，以防止基底金属无法支撑的磨损。表面增强可包括聚合物、火焰喷涂、化学镀镍、PVD 涂层和扩散工艺，例如氮化物和硼化物应用。这些增强功能是目前球阀能够在各种应用中成功应用的主要原因。
阀座
阀座设计和技术的改进使得球阀的应用范围更加广泛。根据阀门设计和阀座材料的不同，这些阀座可以提供多种功能。它们需要在弹性材料的情况下提供紧密的关闭，以及在浮球设计中支撑球体，并能够提供良好的循环寿命。阀座还可以采用特性端口，用于流量控制。
软阀座设计通常被称为“卡塞”设计，在组装时提供全表面接触，或者被称为柔性唇缘设计，减少了表面接触，从而降低扭矩并延长循环寿命。许多制造商的设计还提供某种形式的腔体压力释放，以防止在关闭阀门中的介质产生腔体压力时损坏阀座和阀门。
目前使用的软阀座材料包括但不限于：
▶ 橡胶，包括氯丁橡胶和丁腈橡胶
▶ 含氟聚合物，包括 PTFE、TFM、PBI 和 PFA
▶ UHMWPE（超高分子量聚乙烯）
▶ PEEK（聚醚醚酮）
▶ 德尔林
▶ 尼龙
球阀采用金属阀座设计，以便能够应对最严酷的应用环境，包括高压、高温、磨损和流量控制。目前使用的金属阀座设计有很多种，其中最常见的是采用固体金属阀座，表面经过硬化或涂层，并与经过类似硬化的球体进行搭接，这可以使得球体和阀座表面相匹配，以实现良好的密封。
其他设计包括浸渍石墨或聚四氟乙烯的烧结金属，甚至一些柔性设计。弹性阀座要求具有气密性，但根据金属阀座球阀的泄漏规范率来看，大多数带金属阀座的阀门都允许出现一些泄漏。这些规范中最常见的是MSS-SP-61 和 API 598。通常应用于金属阀座球阀的其他规范包括 FCI 70.2 和 API 标准。
阀杆
阀杆用于将球阀旋转到开启或关闭位置，或旋转到中间位置以进行流量控制。阀杆材料要承受的不仅仅是来自于阀体、球体或阀座的压力，还要保持足够的强度来承受阀门操作时施加给它们的扭矩。因此，通常就要选择更高强度和耐腐蚀性的材料来制造阀杆。
由于阀杆需要与球体连接，因此它必须穿过阀体才能从外部进行操作，这就要求阀杆具有密封性，以防止阀门中的介质泄漏。密封件必须具有气密性，能够承受流体腐蚀和温度，并提供良好的循环寿命。
典型的阀杆密封材料包括聚四氟乙烯和PEEK等聚合物。出于更高温度和防火安全考虑，通常使用石墨阀杆密封。这些材料在很宽泛的温度范围内保持柔韧性，并且具有耐化学性。在防火密封阀门中，密封件必须能够在火灾中也保持不泄漏。
阀杆密封：在这种设计中，通常有多个密封圈。其中一些位于阀体压力边界内，成为主密封，而另一些则位于压力边界外，即所谓的“填料”或“填料函”。这些密封件通过用阀杆螺母向上拉动阀杆的动作来压紧，同时用填料压紧上部密封件。这些设计中的大多数都采用碟形弹簧来对密封件施加活载荷。这使得阀杆密封组件能够自动调节和温度补偿，从而在需要重新调节之前实现更长的循环寿命。
阀体密封：在这种设计中，密封是在填料函的压力边界之上完成的，同样使用单个或多个密封圈。一些制造商可能在压力边界以下的阀杆上使用推力轴承，但实际上并没有在那里进行密封。这些密封件使用“轭”或“填料压盖”进行加载，使用拧入阀体的螺栓将密封件压缩在填料函中。这种设计通常利用螺栓上的多个贝氏弹簧再次对压盖板进行“活载”，使阀杆密封件能够自我调节。
这种设计的优点是阀杆可以在密封件内自由浮动，从而减少扭矩并延长阀杆密封件的使用寿命。该设计还允许采用“逸散性泄露”设计，利用多组密封，为有毒和高循环应用创建额外或冗余的密封件。
应用情况
凭借现代球阀提供的先进设计和材料，它们可以应用在许多行业。主要包括：
▶ 石油化工行业：主要用于石油、天然气、炼油及化工生产过程中的原料输送、产品分离和精炼等环节。球阀凭借其优良的密封性能和可靠性，保证了这些行业中的流体安全高效传输。
▶ 水利、供水和排水系统：用于城市供水、排水、给排水处理等设施中调节和截止水流。球阀对介质的适应性强，操作简单，因此在水利工程中具有广泛的应用前景。
▶ 电力行业：球阀在热力发电、核电等领域中得到广泛应用。比如热力发电厂锅炉、汽轮机及各种热力管线系统等，用于实现精确控制和安全阻断。
▶ 食品和制药行业：在食品和制药领域，卫生和清洁至关重要，球阀的无死角设计和良好的材质使其能够满足严格的卫生标准。此外，球阀还可以确保各种食品、饮料和药品原料在生产过程中的精确调节和控制。
▶ 制冷空调系统：球阀由于其优越的密封性能和高压承受能力，能够有效地控制制冷剂的流量，从而提高系统的运行效率和稳定性。
▶ 船舶与海洋工程：球阀在船舶动力系统、船舶辅助系统以及海洋油气开采等领域中能够承受高压、耐腐蚀，确保介质的可靠传输。
紧凑的设计、简单的使用方式、易于维修和广泛的性能，使得球阀成为现代工业应用中的主导设计。球阀仍然在不断地发展更新，以满足更为严苛的需求。如今的工业领域越来越重视安全、环保、提高效率和降低成本，因此，球阀凭借其独有的价值将为现代工业的安全生产和高效运行发挥重要的作用。