管線球閥的發展與結構形式
管線球閥經歷半個多世紀的發展，形成兩大閥體結構形式。一種是全焊接球狀閥體結構，以美國Ca-meron公司為代表，其他有德國的Bosig公司、Shuck公司，日本TIX公司、Tubota公司，以及俄羅斯Tyazhpromarmatuva公司等。另一種是筒狀閥體結構，有全焊接的，也有分體式的，以意大利Grove公司為代表，其他有意大利閥門公司、Perar公司、Nuovo Pignone公司、PCC公司、B.F.E公司和捷克的MSA公司等。
一、美國公司全焊接球狀管線球閥
在20世紀50年代，美國Cameron公司，推出一種球狀結構，全焊接鍛鋼閥體的管線球閥（圖1），其結構特征如下。
圖1 美國Cameron公司全焊接球狀閥體管線球閥
①閥體是全焊接，球狀，由四塊鍛件拼接組成，焊接是在產品組裝完成后進行，焊接工藝是最后一道工序，這樣形成一個封閉的產品，不可再分解、拆卸。這種以焊接作為產品最后一道工序的，稱為“焊接產品”。這樣，內件如球體、密封座、密封環、軸承無須更換，因此，這種結構上的合理性及其帶來的客戶效益，是在服役生命期內的可靠密封（sealed for life）。另外，整體閥體提供了足夠的強度和剛性，產品經彎曲試驗和壓縮試驗驗證了閥體的強度和剛性。
�、诳赊D動閥座，閥座外緣加工成棘輪，球體表面上固定著一個撥動機構，球閥每開或關一次，棘輪轉動一個角度。設計者的思路是考察球體對閥座之間相對運動，作用在閥座密封環帶上，磨損的不均勻性，憑借閥座的轉動來獲得密封環磨損的均勻。但實踐結果恰恰和這一預期效果相反，閥座的轉動加速了閥座的泄漏。因為管道中砂粒出現在管線的底部，劃痕從密封環底部位置上發生，閥座的轉動增加了泄漏點，這一原始結構設計，現在已不被人們所認可。
�、酃潭ㄇ蚪Y構，球體上有兩個軸孔，插入兩個過盈配合的支承軸，形成一個組合球體，上支承軸作為驅動軸，與傳動機構采用花鍵連接。軸承采用低摩擦系數的PTFE塑料軸承，無須潤滑，操作輕便。
�、苄D閥座上的密封環材料為尼龍或PTFE，并被牢固地鎖定在金屬座圈內。閥座與閥體之間的密封采用唇式密封結構，用PTFE制成。背面有平板彈簧推動，提供密封座的初始密封。當密封座上軟密封失效時，有一個密封脂緊急注入通道，密封脂通過一個注油嘴和單向閥通向球體表面，提供一個臨時緊急密封。這一組合密封座結構滿足DBB的功能要求以及低的密封壓力，避免產生高的操作轉矩，密封座的設計成為前級密封，具有自泄放功能，腔體壓力異常升高時，出口端閥座自動排放。
�、蓍y桿上的密封環用PTFE制造，有上、下兩個軸封，如果需要，上軸封可以被更換。
�、蕻a品的火燒試驗證明，塑料密封環被燒毀后密封座的金屬球面金屬相接觸，密封座與閥體間的PTFE唇式密封環燒毀后，碟形彈簧的兩個平面與閥體和閥座金屬面相接觸，其泄漏量的總和是有限的，能夠達到液滴密封等級（drop-tight）的要求。
⑦對于直埋地下的管線，閥桿可以被延伸，接至地面，排污管、取氣管、密封脂注入管亦接至地面。圖2是Cameron T-31型產品組裝圖，可以詳細看到其內部結構。
圖2 Cameron T-31型產品組裝圖
1—螺釘；2—鎖緊墊片；3—指示器；4—墊板；5—螺母；6—軸限位塊；7—軸封壓蓋；8—軸外密封； 9—上閥體；10—排液堵頭；11—軸承；12—軸內密封；13—組合球體；14—撥動機構；15—下閥體； 16—密封環；17，18—負載彈簧；19—唇式密封；20—連接端；21—塞子；22—單向閥
幾十年前Cameron公司這一全焊接球形鍛造閥體，固定球浮動閥座，無螺栓連接的管線球閥問世，提供了一個緊湊型、高強度、輕重量、無維護的集成型產品，在長輸管線中取代了傳統的管線閘閥，從此風靡全球，而且時至今日，仍是管線工業中的主導產品，其壓力等級Class150～2500，通徑NPS12～42。
二、德國公司全焊接球狀管線球閥
而后，德國Borsig公司發展類似的全焊接球狀鍛鋼閥體結構的管線球閥（圖3），在結構上變化可以歸納為：
圖3 德國Borsig管線球閥
①球形殼體的焊縫在中間位置，殼體由左、右兩個半球殼組成，軸頸部分的焊接與加工在左、右閥體焊接之后，在工藝上有很大變化；
�、隍寗虞S直接與球體相焊接；
�、勖芊庾闹髅芊獠捎梅鹉z或PTFE塑料，彈簧采用螺旋彈簧；
④軸端密封有兩種結構，O形橡膠密封或PTFE U形密封圈加石墨防火填料（圖4）。
圖4 軸端密封結構
另外，在提供全焊接球狀閥體管線球閥的同時，并提供上裝式管線球閥。密封結構與全焊接球形閥體管線球閥相同，殼體采用鑄件，上裝式結構主要用于場站，需要在線維修的場合。
德國Borsig的閥門的發展中，除了一般的常規試驗之外，還進行了球體應力、應變測試，閥體彎曲試驗和應力分析，焊接殘余應力測定，環境艙內低溫下壓力與功能試驗，扭矩測試等強度分析和附加形式試驗，產品的規格:通徑NPS12～60，壓力等級Class150～900。
三、日本公司全焊接球狀管線球閥
日本KITZ公司、久保田鐵工（株）和TIX公司亦積極從事球狀閥體全焊接結構的研究和開發工作，并且卓有成效和創新，可以以TIX公司產品作為代表來說明日本管線球閥的發展（圖5），其產品特征如下：
圖5 日本TIX管線球閥
�、匍y體由對稱的兩個左、右鍛造半球體組成，焊縫在中間，采用TIG焊，軸頸的填料箱體與閥體球殼焊接是一縱向焊縫，不同于德國的Borsig公司的橫向焊縫，焊縫處的應力狀態更為合理；
�、谏�、下軸頸填料箱體與球體之間增加一道密封，旨在防止固體顆粒進入驅動軸系統；
�、垓寗虞S與球體采用一個圓柱銷作為驅動軸的鍵，來傳遞轉矩；
�、芙M合密封座的密封環采用PTFE或尼龍，并用一個可動內環來固定（圖6）。
圖6 TIX組合密封座
日本的產品（包括KITZ和Tubota）都經過嚴格的形式試驗，這些試驗除了耐壓強度、氣密性和動作試驗之外尚有砂粒磨損試驗，異物嵌入試驗，吹風試驗，外載荷彎曲，拉伸、壓縮試驗，密封脂緊急注射泄漏量測定試驗，長期介質浸漬試驗，配管焊接時溫度分布的測定等。例如，久保田鐵工（株），Kubaba公司對于一個Class150，NPS8的閥門，提供彎曲試驗時，在不同內壓和不同外部彎曲載荷下的扭矩變化曲線（圖7）。產品在外載荷條件下，閥門的操作力矩沒有發生突變，開關是安全的。
圖7 外部彎曲載荷下的扭矩變化曲線
四、俄羅斯公司全焊接球狀管線球閥
俄羅斯Tyazhpromarmatuva公司亦是一家生產全焊接球形閥體管線球閥的工廠，其產品的外貌如圖8所示。
圖8 俄羅斯Tyazhpromarmatuva管線球閥
五、意大利Grove公司筒狀閥體管線球閥
在石油、天然氣長輸管線的集輸與分輸站，以及天然氣加工工業中需要分體式閥體的管線球閥。意大利Grove公司最早發展了這一產品。按結構可以分為兩段式（two pieces）和三段式（three pieces）閥體結構，如圖9和圖10所示。
圖9 Grove兩段式閥體管線球閥
圖10 Grove三段式B-5型閥體管線球閥
B-4型兩段式閥體主要是用在NPS 4以下，壓力等級Class150～1500級。固定球結構，浮動閥座，前級進口側密封，后級出口側閥腔壓力超壓泄放，球體表面鏡面拋光，驅動軸與閥體接觸處有一減摩的推力墊，以降低啟閉轉矩。軸頸處兩道O形橡膠密封，有一個外部的限位機構來限定閥門的“開”和“關”位置，有一個外部執行器的連接平臺可供蝸輪箱或其他動力裝置的安裝。這種固定球的結構，在球體上有兩個軸孔，兩個固定軸精確地插入球孔中，有一對滑動軸承來支撐作用在球體上的介質力，保持球的回轉中心。由于采用浮動閥座，減少并可控密封環的密封比壓，可以使產品服務于更高的壓力等級至Class1500級。兩個獨立的對置的浮動閥座，背面各有一個碟形彈簧加載，提供密封必需的初始密封比壓，保證在低壓差條件下的密封性能。兩個閥座可以沿著流道的軸線方向做微小移動。進口端介質壓力作用在閥座上，使用增強特氟龍材料制造的密封環緊貼球體表面，達到氣泡級無可見泄漏，并滿足DBB功能要求。
B-5型三段式閥體由主閥體和兩個副閥體組成，用一組螺栓將其連接起來，在主閥體的上部有一個孔，插入填料箱體，并由螺栓連接在閥體上，一塊用以連接執行機構的支板，通過填料箱上預留的通孔，也用螺栓連接在主閥體上。這種閥體的結構設計，很大程度上削弱了主閥體的強度，最新版本的樣本，參照中國管線球閥的結構設計，采用焊接閥頸。球體上下有兩個支軸，并有兩塊帶有PTFE塑料軸承的支板支撐，使軸回轉中心不變。兩塊支板則夾持在左右副閥體的中間，這樣主閥體、副閥體，支板形成一個封閉的尺寸鏈，其間隙的控制，根據制造廠的經驗，既不能使固定球的回轉中心偏移，又不能使支撐板受過度的壓縮，發生應變而影響球的驅動。驅動軸插入球體軸頸內，有一對高硬度、高強度的銷子來傳遞轉矩，使球體轉動。由于介質的力全部作用在支撐板上，驅動軸不承受任何的側向力，只承受純的扭轉應力，從而具有低的操作力矩和長的使用壽命。軸的密封有上下兩道橡膠O形圈。上部的O形圈可以在帶壓情況下在線維修；下部O形圈如果閥門處于關閉位置，把腔體中壓力放至大氣后，也可以更換。
密封座采用高硬度氟橡膠O形圈作為密封材料來替代PTFE塑料。這一改進使閥座在很小的壓差下即可獲得氣泡級的“零”泄漏。這樣，兩個密封座的設計可以由兩種功能設計。
�、偾凹墸ㄟM口端）閥座密封，后級（出口端）閥座排放，閥座是單向截止型的，稱為“單活塞效應”（single piston effect），如圖11所示。
圖11 前級閥座密封，后級閥座排放-單活塞效應
�、谇昂蠹壝芊庾瑫r密封，即進口端壓力高于閥腔，前級閥座是密封的；閥腔壓力高于出口端壓力，后級閥座也是密封的；閥腔與進出口是隔離的（isolation），稱為雙活塞效應（double piston effect），球的兩側均被閥座緊貼而密封，如圖12所示。仔細考察這一結構設計的實施，是把密封點的密封直徑，置于閥座外側O形圈的中心的直徑位置上，當進口側壓力高于腔體壓差時，產生的推力作用在前閥座上，將閥座推向球體；當閥腔壓力高于出口端壓力時，產生一個推力，作用在后閥座上，也是推向球體，如圖12所示。這一雙活塞效應在商業上大大地被宣揚，贏得客戶的滿意。而且，同時滿足DBB功能的要求。至于就一個單獨的密封座而言，也是一個組合的密封座功能，即金屬對金屬的初級密封，橡膠彈性體對金屬次級主密封，以及在緊急情況下密封脂注射的緊急密封，同球形全焊接管線球閥組合密封座設計的概念一樣。
圖12 閥座雙活塞效應設計——雙重密封功能
另外，同樣由于采用彈性體橡膠密封的原因，背部加載的彈簧力，很容易使閥座在很低壓差條件下，并可獲得可靠的密封。
由于球體上的軸頸被很好地固定在球體的回轉中心，而且采用低摩擦因數的PTFE塑料軸承，從而獲得低的操作力矩。
主閥體與副閥體之間的防火結構，驅動軸處的防火結構如圖3-33所示，是一個石墨墊。防靜電結構和軸防吹出結構，如圖13所示。
圖13 防火和軸防吹出結構
為了與全焊接閥體球狀結構相競爭，在這一分體式筒狀閥體的基礎上，將閥體連接螺栓代之以環向焊縫，就變為一只全焊接筒形閥體管線球閥，它的內部零件球體、閥座、軸都是和分體式筒狀閥體管線球閥通用的。這樣，在管線球閥的發展中形成兩大流派，一派是球狀全焊接閥體管線球，如美國Cameron，德國Bosig和Schuck，日本TIX和Tubota。另一派是筒狀閥體管線球閥，有全焊接閥體和分體式閥體兩種形式。除了意大利Grove司之外，尚有Parer， Nuovo Pignone，美國Velan，捷克MSA等，結構幾乎類同，僅在驅動軸與球體相連接部分，有的采用扁身，有采用方身來傳遞轉矩，筒狀閥體管線球閥的通徑為NPS12～60，壓力等級為Class150～2500。
在管道工業中，某些場合需要可以在線維修的上裝式管線球閥，它的結構如圖14所示。一個鑄造的整體閥體，中間一個帶有兩個軸頸的球體，下軸頸與閥體相配合，中間有一個塑料減摩滑動軸承支撐，上軸頸與閥門頂部端蓋相配合，中間亦有一個塑料滑動軸承，這樣將球體固定在回轉中心上，驅動軸與球體通過一個扁身來傳遞轉矩，閥座的結構類同于分體式管線球閥閥座，主要是需要考慮裝配時和在線維修時能向水平方向兩側移動，以便球體在開啟位置時，從閥座中取出或者裝入。上裝式管線球閥的通徑為NPS12～40，壓力等級為Class150～2500級。
圖14 上裝式管線球閥
