球阀

定义

球阀是启闭件为球体、依靠球体绕阀杆轴线旋转来接通或截断管道介质的阀门^[1]。国家标准《阀门术语》(GB/T 21465-2008)给出的表述为：启闭件（球体）由阀杆带动，并绕阀杆的轴线作旋转运动的阀门^[5]。在阀门的用途分类中，它属于截断阀类，主要作用是切断或接通管路中的介质流动^[3]。

按结构特性划分，球阀与旋塞阀同属旋转形阀门，关闭件为球体，围绕自身的中心线转动^[6]。按驱动方式划分，它属于需要借助人力、电力、气力或液力操纵的驱动阀门^[4]。球阀在管路中主要承担切断、分配介质以及改变介质流向的功能，其中V形开口的球阀还具备一定的流量调节能力^[3]。

原理

球阀的核心是一个开有圆形通孔、可在阀体内转动的球体，阀杆与球体相连，阀座密封圈则分别贴在球体两侧^[2]。球体通孔的轴线与阀杆轴线垂直，转动阀杆就带动球体转动，改变通孔与进、出口的相对位置^[7]。当通孔与管道通道对正时，介质可直线通过，阀门处于开启状态；球体再转过90°，进、出口处呈现的均为球面，通道被封闭^[2]。

因为开启和关闭都靠球体旋转完成，阀杆只需转动约90°即可实现全开或全关，所需力矩较小^[2]。全开状态下流道几乎与管道等径，介质直线流过，阻力系数很小^[1]。阀门的密封包括阀体与阀盖等固定连接处的静密封，以及阀杆填料处、球体与阀座接触面处的动密封^[8]。

按球体的支承方式，常见结构分为浮动球球阀与固定球球阀两种^[9]。浮动球的球体不与阀体刚性固定，关闭时在上游介质压力推动下向出口端阀座压紧，由此形成密封，构造简单，多用于中低压场合^[10]。固定球则通过上、下阀杆和轴承把球体固定，只旋转不位移，改由浮动阀座在弹簧预紧力与介质压力共同作用下压向球体，转动摩擦小，适用于高压和大口径管路^[9]。另有弹性球球阀，球体与阀座密封圈均为金属，靠阀杆楔形头使开有弹性槽的球体涨开压紧阀座，用于高温高压介质^[1]。

发展历程

19世纪80年代，美国已开始设计球阀，但当时缺少合适的密封材料，球体加工精度与表面粗糙度也难以保证，球阀长期未能成为正式的工业产品^[8]。球阀作为一类新型阀门在20世纪50年代问世^[2]。

促成这一转变的条件有两项：一是聚四氟乙烯等弹性密封材料的出现，解决了阀座密封的可靠性问题；二是机床工业的发展提高了球体加工技术，使球体能达到所需的尺寸精度和表面粗糙度^[8]。此后生产工艺与产品结构不断改进，球阀在数十年间发展为主要阀类之一，在工业发达国家用量逐年上升^[2]。

围绕密封与操作性能，后续又衍生出多种结构，例如在密封面间压注润滑油形成油膜、以兼顾密封性与操作扭矩的油封球阀，以及启闭过程中球体与阀座不接触的轨道球阀^[10][1]。按球芯形式则有O型球阀与开有V形切口的V型球阀之分，后者可实现近似等百分比的流量特性^[11]。

应用

球阀的应用覆盖石油炼制、长输管线、化工、造纸、制药、水利、电力、市政和钢铁等行业^[2]。它适用的介质包括水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，也可用于氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等工况较苛刻的介质^[1]。由于球体在启闭时对密封面有擦拭作用，含悬浮固体颗粒的介质也可使用^[2]。

按通道形式，球阀分为直通式、三通式和直角式，其中三通式与直角式用于介质的分配和流向改变^[1]。三通球阀的流道又有L型与T型之别，L型用于切换流向，T型可用于分流、合流及流向切换^[8]。在驱动方式上，除手动手柄外，还可配装电动、气动、液动执行机构，形成电动球阀、气动球阀等不同控制形式^[2]。

口径与参数范围较宽，公称通径可从几毫米做到数米，适用压力从高真空到高压，适用温度范围依材质不同约为-196℃至540℃^[1][2]。在电厂等场合，球阀常与闸阀、截止阀、蝶阀并列，配用电动装置操作^[12]。

局限

球阀的阀座密封圈常用聚四氟乙烯，这种材料化学惰性好、摩擦系数低，但耐温等级有限，一般只能在180℃以下使用，若考虑长期使用通常控制在120℃左右；温度超过这一范围，密封材料会老化，密封可靠性随之下降^[3]。因此球阀虽适用于高压介质，工作温度却有明确限制^[12]。

在调节性能上，球阀通常不如截止阀，配气动或电动执行机构时差距更明显，普遍认为它更适合做开关切断而非节流^[3][1]。浮动球结构把介质载荷全部传给出口端密封圈，压力较高时球体可能偏移，故一般限于中低压工况；固定球结构密封更可靠，但结构复杂、制造成本与维护难度都更高^[10][9]。

安装与使用上也有约束：需为阀柄旋转留出空间，带传动机构的球阀应直立安装，管道中一般宜水平安装^[1]。球体与阀体之间的空腔可能积存介质，若介质易沉积或变质，存在滞留污染的风险，这也是部分密封结构改进所针对的问题^[7]。

参见

• 闸阀 —— 同为截断类阀门，关闭件沿垂直于阀座的方向移动，与球阀的旋转启闭方式不同。

• 蝶阀 —— 以圆盘形关闭件绕阀座内轴旋转的阀门，常与球阀在同类管路中比较选用。

• 旋塞阀 —— 关闭件为柱塞并绕自身中心线旋转，球阀即由旋塞阀演变而来。

• 截止阀 —— 关闭件沿阀座中心线移动，调节性能通常优于球阀。

• 阀座 —— 与球体表面贴合形成密封副的部件，其材料决定球阀的适用温度。

• 聚四氟乙烯 —— 球阀阀座密封圈的常用材料，其耐温上限制约球阀的使用温度。