彈簧組彈性閥座結(jié)構(gòu)分析
彈簧組彈性閥座是一種在閥門流體通道的橫截面圓周上均勻布置一組壓縮彈簧，利用彈簧的推力使得密封圈與球體緊密接觸，達到預緊密封作用的閥門密封結(jié)構(gòu)。
彈簧組彈性閥座在固定球閥中使用時，在球閥的閥前和閥后都要布置彈性閥座。這樣的布置在改變球閥相關(guān)幾何參數(shù)情況下，可以實現(xiàn)球閥的閥前密封、閥后密封及閥前閥后雙面密封。而對于這三種密封形式，結(jié)構(gòu)相似但是特點不同，可以滿足不同的工作需要。因此彈簧組彈性閥座在固定球閥中，不論高溫、低溫及普通溫度都有應用。
2 彈簧組彈性閥座
彈簧組彈性閥座是利用彈簧組達到預緊接觸密封，依靠流體壓力實現(xiàn)密封的閥門密封結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。
1.閥體2.彈簧3.閥座密封圈4.閥座
5.球體密封圈6.球體
圖1 彈簧組彈性閥座
其中d1為閥體接觸面中徑；d2為球體接觸面中徑。d1與d2的大小關(guān)系是決定彈簧組彈性閥座三種密封形式的關(guān)鍵。當d1＞d2時，彈簧組彈性閥座為閥前密封閥座；當d1＜d2時，彈簧組彈性閥座為閥后密封閥座；當d1＞d2；d1'＜d2'時，彈簧組彈性閥座為雙面密封閥座。
2.1 彈簧組彈性閥座閥前密封
當d1＞d2時，彈簧組彈性閥座為彈簧組閥前密封彈性閥座結(jié)構(gòu)如圖2所示。此時，閥座的流體受壓面積A1大于球體密封圈反向受壓面積A2。此時，閥前閥座在彈簧預緊密封力和流體在A1和A2受壓面壓差推力作用下，球體密封圈緊緊貼到球體上，實現(xiàn)閥門的密封。此時，閥后閥座不起密封作用。
圖2 彈簧組閥前密封彈性閥座
對于閥后閥座的結(jié)構(gòu)，并沒有明確的規(guī)定。其設(shè)計需要根據(jù)閥門體腔泄壓形式?jīng)Q定。對于泄壓流體排放到閥前，這種結(jié)構(gòu)的體腔泄壓流體，由于閥體中流體的壓力作用，將有很大一部分體腔流體無法排除。對于泄壓流體排放到閥后，在閥門關(guān)閉時，下游壓力降低可以將體腔內(nèi)大部分的流體排除。而當采用泄壓流體排放到閥后結(jié)構(gòu)時，閥后閥座結(jié)構(gòu)形式必須采用腔內(nèi)閥座受壓面積A3大于腔外閥座A4受壓面積的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
圖3 閥后閥座結(jié)構(gòu)
此結(jié)構(gòu)：d1'＞d2'；A3＞A4。當中腔壓力升高時，流體閥座受壓面積A3大于閥座反向受壓面積A4，在流體的壓差推力作用下球體和球體密封被推開，高壓中腔流體排放到閥后管道中去，實現(xiàn)泄壓。
對于閥前閥座密封，其優(yōu)點：閥門的填料函、閥蓋及大部分閥體不用承受流體的壓力；閥門體腔不會存在大量介質(zhì)侵蝕填料、閥蓋等；當體腔意外升壓時，能將流體迅速排出，避免了對閥門的沖擊；閥后也不會形成積液區(qū)。所以，閥前閥座密封特別適用于腐蝕性介質(zhì)和低溫液體氣化的場合。缺點：密封力作用在球體上，轉(zhuǎn)動球體所需的轉(zhuǎn)矩荷載很大，閥桿受到較大的帶動推力；對于密封比壓的計算精度要求較高，密封比壓過大時，就會造成閥座過載和球體轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩較大；密封比壓較小時，就會造成閥座密封失效；只能在一定壓力范圍內(nèi)使用。
2.2 彈簧組彈性閥座閥后密封
當d2＞d1時，彈簧組彈性閥座為彈簧組閥后密封彈性閥座結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 彈簧組閥后密封彈性閥座
當d1＞d2時，前閥座流體受壓面積A1小于球體密封圈反向受壓面積A2。此時，流體在A1和A2受壓面壓差推力作用下，將球體密封圈推離球體，產(chǎn)生流體間隙通道，流體進入到球閥的體腔中。而后閥座的流體受壓面積A3小于受壓面積A4。進入中腔中的介質(zhì)，在受壓面A3和A4上產(chǎn)生壓差推力，將后閥座密封圈緊緊貼到球體上，實現(xiàn)閥門的密封。
對于閥后密封彈簧組閥后密封彈性閥座來說，閥前閥座和閥后閥座結(jié)構(gòu)基本相同。閥前閥座：d1＜d2；A1＜A2。閥后閥座：d1'＜d2'；A3＜A4。
對于閥后閥座密封，其優(yōu)點：流體進入到體腔中，利用后閥座密封。因此流體壓力在球體和閥座上的有效作用力小，球體的轉(zhuǎn)動需要的轉(zhuǎn)矩就小、閥桿軸承受力也小。因此，適用于高壓大通徑場合。軸承具有自潤滑性。缺點：流體始終存在體腔中，對于填料、閥蓋的密封、閥體都是不利的；不適合控制腐蝕性流體；不能自動泄壓，低溫液體氣化場合使用，必須設(shè)置泄壓裝置；要充分保證d2＞d1，相比就要縮小流通管徑或者增大球體和閥體的尺寸。
2.3 彈簧組彈性閥座雙面密封
當d1＞d2；d1'＜d2'時，彈簧組彈性閥座為彈簧組雙面密封彈性閥座結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 彈簧組雙面密封彈性閥座
彈簧組雙面密封彈性閥座其實為彈簧組彈性閥座閥前和閥后密封的結(jié)合。閥前閥座：d1＞d2；A1＞A2；閥后閥座：d1'＜d2'；A3＜A4。這樣無論是體腔中沒有滲入流體或滲入或多或少的流體產(chǎn)生高于、低于管道內(nèi)流體壓力的現(xiàn)象，都能實現(xiàn)球體密封圈對閥門的密封作用。
對于雙面閥座密封，其優(yōu)點：密封性能可靠；總會有或多或少的流體進入中腔，產(chǎn)生一定的壓力作用在球體、閥座上，球體的轉(zhuǎn)動扭矩荷載小。所以，使用在對于密封要求較高的場所。缺點：雙面閥座密封無法實現(xiàn)自動泄壓。因此，在控制液化氣體時，必須設(shè)置泄壓裝置。
3 結(jié)論
固定球閥彈簧組彈性閥座是一種涉及高、低和普通溫度的密封結(jié)構(gòu)，應用十分廣泛。三種形式的密封結(jié)構(gòu)特點各不相同，在應用時必須選擇正確。密封壓比受受壓面積壓差推動力、預緊彈簧彈力及滑動摩擦力影響。同時受到受壓面積壓差推動力影響較大。然而，兩受壓面中徑尺寸一般相差不大。所以設(shè)計時必須進行精確的計算。
（1）固定球閥彈簧組彈性閥座的閥體接觸面中徑d1和球體接觸面中徑d2的大小關(guān)系決定了閥門的三種密封形式。
（2）固定球閥彈簧組彈性閥座的密封比壓（即密封的可靠性）主要取決于閥體接觸面中徑d1和球體接觸面中徑d2的比例關(guān)系。
（3）對三種密封結(jié)構(gòu)來說，閥前閥座密封，可以使用在壓力P≤10MPa的腐蝕和液化氣體中以及閥門通徑較大的場合；閥后閥座密封，通常使用于壓力P≥16MPa的80～100通徑的閥門中；雙面密封，特別使用于危險的對密封要求高的場所。
