管线球阀的发展与结构形式
管线球阀经历半个多世纪的发展，形成两大阀体结构形式。一种是全焊接球状阀体结构，以美国Ca-meron公司为代表，其他有德国的Bosig公司、Shuck公司，日本TIX公司、Tubota公司，以及俄罗斯Tyazhpromarmatuva公司等。另一种是筒状阀体结构，有全焊接的，也有分体式的，以意大利Grove公司为代表，其他有意大利阀门公司、Perar公司、Nuovo Pignone公司、PCC公司、B.F.E公司和捷克的MSA公司等。
一、美国公司全焊接球状管线球阀
在20世纪50年代，美国Cameron公司，推出一种球状结构，全焊接锻钢阀体的管线球阀（图1），其结构特征如下。
图1 美国Cameron公司全焊接球状阀体管线球阀
①阀体是全焊接，球状，由四块锻件拼接组成，焊接是在产品组装完成后进行，焊接工艺是最后一道工序，这样形成一个封闭的产品，不可再分解、拆卸。这种以焊接作为产品最后一道工序的，称为“焊接产品”。这样，内件如球体、密封座、密封环、轴承无须更换，因此，这种结构上的合理性及其带来的客户效益，是在服役生命期内的可靠密封（sealed for life）。另外，整体阀体提供了足够的强度和刚性，产品经弯曲试验和压缩试验验证了阀体的强度和刚性。
②可转动阀座，阀座外缘加工成棘轮，球体表面上固定着一个拨动机构，球阀每开或关一次，棘轮转动一个角度。设计者的思路是考察球体对阀座之间相对运动，作用在阀座密封环带上，磨损的不均匀性，凭借阀座的转动来获得密封环磨损的均匀。但实践结果恰恰和这一预期效果相反，阀座的转动加速了阀座的泄漏。因为管道中砂粒出现在管线的底部，划痕从密封环底部位置上发生，阀座的转动增加了泄漏点，这一原始结构设计，现在已不被人们所认可。
③固定球结构，球体上有两个轴孔，插入两个过盈配合的支承轴，形成一个组合球体，上支承轴作为驱动轴，与传动机构采用花键连接。轴承采用低摩擦系数的PTFE塑料轴承，无须润滑，操作轻便。
④旋转阀座上的密封环材料为尼龙或PTFE，并被牢固地锁定在金属座圈内。阀座与阀体之间的密封采用唇式密封结构，用PTFE制成。背面有平板弹簧推动，提供密封座的初始密封。当密封座上软密封失效时，有一个密封脂紧急注入通道，密封脂通过一个注油嘴和单向阀通向球体表面，提供一个临时紧急密封。这一组合密封座结构满足DBB的功能要求以及低的密封压力，避免产生高的操作转矩，密封座的设计成为前级密封，具有自泄放功能，腔体压力异常升高时，出口端阀座自动排放。
⑤阀杆上的密封环用PTFE制造，有上、下两个轴封，如果需要，上轴封可以被更换。
⑥产品的火烧试验证明，塑料密封环被烧毁后密封座的金属球面金属相接触，密封座与阀体间的PTFE唇式密封环烧毁后，碟形弹簧的两个平面与阀体和阀座金属面相接触，其泄漏量的总和是有限的，能够达到液滴密封等级（drop-tight）的要求。
⑦对于直埋地下的管线，阀杆可以被延伸，接至地面，排污管、取气管、密封脂注入管亦接至地面。图2是Cameron T-31型产品组装图，可以详细看到其内部结构。
图2 Cameron T-31型产品组装图
1—螺钉；2—锁紧垫片；3—指示器；4—垫板；5—螺母；6—轴限位块；7—轴封压盖；8—轴外密封； 9—上阀体；10—排液堵头；11—轴承；12—轴内密封；13—组合球体；14—拨动机构；15—下阀体； 16—密封环；17，18—负载弹簧；19—唇式密封；20—连接端；21—塞子；22—单向阀
几十年前Cameron公司这一全焊接球形锻造阀体，固定球浮动阀座，无螺栓连接的管线球阀问世，提供了一个紧凑型、高强度、轻重量、无维护的集成型产品，在长输管线中取代了传统的管线闸阀，从此风靡全球，而且时至今日，仍是管线工业中的主导产品，其压力等级Class150～2500，通径NPS12～42。
二、德国公司全焊接球状管线球阀
而后，德国Borsig公司发展类似的全焊接球状锻钢阀体结构的管线球阀（图3），在结构上变化可以归纳为：
图3 德国Borsig管线球阀
①球形壳体的焊缝在中间位置，壳体由左、右两个半球壳组成，轴颈部分的焊接与加工在左、右阀体焊接之后，在工艺上有很大变化；
②驱动轴直接与球体相焊接；
③密封座的主密封采用氟橡胶或PTFE塑料，弹簧采用螺旋弹簧；
④轴端密封有两种结构，O形橡胶密封或PTFE U形密封圈加石墨防火填料（图4）。
图4 轴端密封结构
另外，在提供全焊接球状阀体管线球阀的同时，并提供上装式管线球阀。密封结构与全焊接球形阀体管线球阀相同，壳体采用铸件，上装式结构主要用于场站，需要在线维修的场合。
德国Borsig的阀门的发展中，除了一般的常规试验之外，还进行了球体应力、应变测试，阀体弯曲试验和应力分析，焊接残余应力测定，环境舱内低温下压力与功能试验，扭矩测试等强度分析和附加形式试验，产品的规格:通径NPS12～60，压力等级Class150～900。
三、日本公司全焊接球状管线球阀
日本KITZ公司、久保田铁工（株）和TIX公司亦积极从事球状阀体全焊接结构的研究和开发工作，并且卓有成效和创新，可以以TIX公司产品作为代表来说明日本管线球阀的发展（图5），其产品特征如下：
图5 日本TIX管线球阀
①阀体由对称的两个左、右锻造半球体组成，焊缝在中间，采用TIG焊，轴颈的填料箱体与阀体球壳焊接是一纵向焊缝，不同于德国的Borsig公司的横向焊缝，焊缝处的应力状态更为合理；
②上、下轴颈填料箱体与球体之间增加一道密封，旨在防止固体颗粒进入驱动轴系统；
③驱动轴与球体采用一个圆柱销作为驱动轴的键，来传递转矩；
④组合密封座的密封环采用PTFE或尼龙，并用一个可动内环来固定（图6）。
图6 TIX组合密封座
日本的产品（包括KITZ和Tubota）都经过严格的形式试验，这些试验除了耐压强度、气密性和动作试验之外尚有砂粒磨损试验，异物嵌入试验，吹风试验，外载荷弯曲，拉伸、压缩试验，密封脂紧急注射泄漏量测定试验，长期介质浸渍试验，配管焊接时温度分布的测定等。例如，久保田铁工（株），Kubaba公司对于一个Class150，NPS8的阀门，提供弯曲试验时，在不同内压和不同外部弯曲载荷下的扭矩变化曲线（图7）。产品在外载荷条件下，阀门的操作力矩没有发生突变，开关是安全的。
图7 外部弯曲载荷下的扭矩变化曲线
四、俄罗斯公司全焊接球状管线球阀
俄罗斯Tyazhpromarmatuva公司亦是一家生产全焊接球形阀体管线球阀的工厂，其产品的外貌如图8所示。
图8 俄罗斯Tyazhpromarmatuva管线球阀
五、意大利Grove公司筒状阀体管线球阀
在石油、天然气长输管线的集输与分输站，以及天然气加工工业中需要分体式阀体的管线球阀。意大利Grove公司最早发展了这一产品。按结构可以分为两段式（two pieces）和三段式（three pieces）阀体结构，如图9和图10所示。
图9 Grove两段式阀体管线球阀
图10 Grove三段式B-5型阀体管线球阀
B-4型两段式阀体主要是用在NPS 4以下，压力等级Class150～1500级。固定球结构，浮动阀座，前级进口侧密封，后级出口侧阀腔压力超压泄放，球体表面镜面抛光，驱动轴与阀体接触处有一减摩的推力垫，以降低启闭转矩。轴颈处两道O形橡胶密封，有一个外部的限位机构来限定阀门的“开”和“关”位置，有一个外部执行器的连接平台可供蜗轮箱或其他动力装置的安装。这种固定球的结构，在球体上有两个轴孔，两个固定轴精确地插入球孔中，有一对滑动轴承来支撑作用在球体上的介质力，保持球的回转中心。由于采用浮动阀座，减少并可控密封环的密封比压，可以使产品服务于更高的压力等级至Class1500级。两个独立的对置的浮动阀座，背面各有一个碟形弹簧加载，提供密封必需的初始密封比压，保证在低压差条件下的密封性能。两个阀座可以沿着流道的轴线方向做微小移动。进口端介质压力作用在阀座上，使用增强特氟龙材料制造的密封环紧贴球体表面，达到气泡级无可见泄漏，并满足DBB功能要求。
B-5型三段式阀体由主阀体和两个副阀体组成，用一组螺栓将其连接起来，在主阀体的上部有一个孔，插入填料箱体，并由螺栓连接在阀体上，一块用以连接执行机构的支板，通过填料箱上预留的通孔，也用螺栓连接在主阀体上。这种阀体的结构设计，很大程度上削弱了主阀体的强度，最新版本的样本，参照中国管线球阀的结构设计，采用焊接阀颈。球体上下有两个支轴，并有两块带有PTFE塑料轴承的支板支撑，使轴回转中心不变。两块支板则夹持在左右副阀体的中间，这样主阀体、副阀体，支板形成一个封闭的尺寸链，其间隙的控制，根据制造厂的经验，既不能使固定球的回转中心偏移，又不能使支撑板受过度的压缩，发生应变而影响球的驱动。驱动轴插入球体轴颈内，有一对高硬度、高强度的销子来传递转矩，使球体转动。由于介质的力全部作用在支撑板上，驱动轴不承受任何的侧向力，只承受纯的扭转应力，从而具有低的操作力矩和长的使用寿命。轴的密封有上下两道橡胶O形圈。上部的O形圈可以在带压情况下在线维修；下部O形圈如果阀门处于关闭位置，把腔体中压力放至大气后，也可以更换。
密封座采用高硬度氟橡胶O形圈作为密封材料来替代PTFE塑料。这一改进使阀座在很小的压差下即可获得气泡级的“零”泄漏。这样，两个密封座的设计可以由两种功能设计。
①前级（进口端）阀座密封，后级（出口端）阀座排放，阀座是单向截止型的，称为“单活塞效应”（single piston effect），如图11所示。
图11 前级阀座密封，后级阀座排放-单活塞效应
②前后级密封座同时密封，即进口端压力高于阀腔，前级阀座是密封的；阀腔压力高于出口端压力，后级阀座也是密封的；阀腔与进出口是隔离的（isolation），称为双活塞效应（double piston effect），球的两侧均被阀座紧贴而密封，如图12所示。仔细考察这一结构设计的实施，是把密封点的密封直径，置于阀座外侧O形圈的中心的直径位置上，当进口侧压力高于腔体压差时，产生的推力作用在前阀座上，将阀座推向球体；当阀腔压力高于出口端压力时，产生一个推力，作用在后阀座上，也是推向球体，如图12所示。这一双活塞效应在商业上大大地被宣扬，赢得客户的满意。而且，同时满足DBB功能的要求。至于就一个单独的密封座而言，也是一个组合的密封座功能，即金属对金属的初级密封，橡胶弹性体对金属次级主密封，以及在紧急情况下密封脂注射的紧急密封，同球形全焊接管线球阀组合密封座设计的概念一样。
图12 阀座双活塞效应设计——双重密封功能
另外，同样由于采用弹性体橡胶密封的原因，背部加载的弹簧力，很容易使阀座在很低压差条件下，并可获得可靠的密封。
由于球体上的轴颈被很好地固定在球体的回转中心，而且采用低摩擦因数的PTFE塑料轴承，从而获得低的操作力矩。
主阀体与副阀体之间的防火结构，驱动轴处的防火结构如图3-33所示，是一个石墨垫。防静电结构和轴防吹出结构，如图13所示。
图13 防火和轴防吹出结构
为了与全焊接阀体球状结构相竞争，在这一分体式筒状阀体的基础上，将阀体连接螺栓代之以环向焊缝，就变为一只全焊接筒形阀体管线球阀，它的内部零件球体、阀座、轴都是和分体式筒状阀体管线球阀通用的。这样，在管线球阀的发展中形成两大流派，一派是球状全焊接阀体管线球，如美国Cameron，德国Bosig和Schuck，日本TIX和Tubota。另一派是筒状阀体管线球阀，有全焊接阀体和分体式阀体两种形式。除了意大利Grove司之外，尚有Parer， Nuovo Pignone，美国Velan，捷克MSA等，结构几乎类同，仅在驱动轴与球体相连接部分，有的采用扁身，有采用方身来传递转矩，筒状阀体管线球阀的通径为NPS12～60，压力等级为Class150～2500。
在管道工业中，某些场合需要可以在线维修的上装式管线球阀，它的结构如图14所示。一个铸造的整体阀体，中间一个带有两个轴颈的球体，下轴颈与阀体相配合，中间有一个塑料减摩滑动轴承支撑，上轴颈与阀门顶部端盖相配合，中间亦有一个塑料滑动轴承，这样将球体固定在回转中心上，驱动轴与球体通过一个扁身来传递转矩，阀座的结构类同于分体式管线球阀阀座，主要是需要考虑装配时和在线维修时能向水平方向两侧移动，以便球体在开启位置时，从阀座中取出或者装入。上装式管线球阀的通径为NPS12～40，压力等级为Class150～2500级。
图14 上装式管线球阀
