高压浮动式球阀阀座结构优化
作者 | 李婷，海晓洋，冯建国，魏浩东，梁晓科，张宏奇，王冠
摘要：为减小高压浮动式球阀在42 MPa压力工作环境下密封副的扭矩，本文选择DN25 Class2500浮动式球阀为研究对象，提出一种自平衡阀座设计方案。在同一压力水平下，自平衡阀座受球芯的正压力较常见阀座结构有效减小，自平衡阀座密封面对球芯的摩擦力相较于常见阀座结构降低了7.81%，有效减小了球阀由关闭状态到开启状态的阀杆扭矩，延长了球芯、阀座和阀杆的使用寿命。通过Workbench ANSYS有限元分析，自平衡阀座密封面上的变形量始终远小于常见阀座密封面上的变形量，有利于其与球芯形成更为紧密的贴合，从而提升密封可靠性。该研究为高压浮动式球阀阀座结构设计提供参考。
关键词：浮动式球阀；阀座；自平衡密封；结构优化
基金项目：宁夏自然科学基金(2023AAC05005)；国家自然科学基金项目（U24A201110）；宁夏重点研发计划项目（2026FRG05008）；六盘山实验室基础科研项目(LPS-2026-KY-D-JC-0005)
1 概述
近年来，高压浮动式球阀由于密封可靠、结构简单、流阻小、成本可控等优点，广泛应用于石油化工、煤化工等行业。浮动式球阀的工作原理是：球芯在介质压力作用下紧压出口端阀座，进而实现密封功能，压力越大，密封性能越好。但压力越高，球芯与阀座之间的正压力就越大，会出现启闭扭矩过大的问题，这对球阀前端执行器扭矩、阀杆强度以及球芯和阀座表面喷涂的涂层质量提出了较高的要求。
本文以高压浮动式球阀出口端的阀座为分析对象，提出一种自平衡阀座结构，通过理论计算、有限元仿真的方法研究其设计原理与结构特点，为高压低扭矩球阀设计制造提供理论依据。
2 浮动式球阀结构分析
2.1 常见阀座结构
常见浮动式球阀出口端阀座是固定的，阀门关闭时，上游的高压介质将球芯压紧在出口端阀座上。其密封结构由阀杆、垫片、阀座、球芯、阀体组成，见图1。其中，D11为阀座密封活塞外径，D12为阀座密封面外径，D13为阀座密封面内径。
1.阀杆 2.垫片 3.阀座 4.球芯 5.阀体
图1 常见浮动式球阀的密封结构
2.2 自平衡阀座结构
自平衡阀座结构设计如图2所示，由球芯、阀杆、阀体、导流孔1、碟簧、导流孔2、出口密封座、出口流道、平衡腔1、平衡腔2、密封面组成。其中，D1为阀座密封面外径，D2为平衡腔2外径，D3为平衡腔2内径，D4为阀座密封面内径，D5为平衡腔1内径，D6为平衡腔1外径，D7为阀座外径。
1.球芯 2.阀杆 3.阀体 4.导流孔1 5.碟簧 6.导流孔2 7.出口密封座 8.出口流道 9.平衡腔1 10.平衡腔2 11.密封面
图2 自平衡阀座结构原理图
当阀座和球芯压紧时，球芯表面和导流孔2形成平衡腔2，平衡腔2为环带，其将密封面S分为S1和S2，如图3所示。自平衡阀座结构受力分析如图4所示，高压介质由导流孔2进入平衡腔2，对球芯形成推力F3，该力抵消掉部分上游介质压力对球芯的力F1；阀体上导流孔1连接阀座前后两个端面，阀体和阀座后端形成平衡腔1，高压介质在平衡腔1对阀座后端的推力F5方向与高压介质在中腔对阀座前端的推力F2相反；F4为碟簧的压缩力，能够为阀座提供一部分密封力。
图3 自平衡阀座结构三维图
图4 自平衡阀座结构受力图
常见阀座结构简单可靠，制造和装配工艺相对简单，在小口径、低压工况下，介质压力能有效推动球体压紧阀座，实现可靠密封；但全部介质压力均作用在阀座上，导致球芯与阀座间的摩擦力较大，操作扭矩显著增加。高压下的大扭矩摩擦会加速密封面磨损，在含颗粒介质中，阀座尾部缝隙易被沉淀物堵塞，导致密封失效。由于扭矩随压力和口径增大而急剧增加，常规结构主要适用于低温、低压和小口径（通常6英寸以下，压力等级Class 600以下）工况，当压力过高或口径较大时，巨大的载荷可能超过阀座材料的承受能力，导致阀座损坏或密封面被压坏。依靠球体位移实现密封，通常只能保证下游阀座（出口侧）的单向密封，上游（入口侧）的密封效果不佳。
自平衡阀座在弹簧和部分介质压力下始终紧贴球体，密封比压稳定，球芯与阀座间的摩擦力小，扭矩小，能减小驱动器容量，更加节能。此外，阀座变形量小，磨损均匀，更贴合球芯，有利于提高密封性能，适用于高压和大口径工况。但自平衡阀座结构相对复杂，对弹簧预紧力的控制要求较高，在含颗粒的介质中，自平衡阀座存在被沉淀物淤堵的风险。
3 受力特性分析
3.1 密封面受力分析
假设球芯为刚体，忽略阀杆弯矩，则常见阀座受球芯的作用力为：
式中 S3——进口端阀座密封面内径对应的圆面积，为320.27 mm2
自平衡阀座受球芯的作用力为：
式中 S4——平衡腔2在球心表面形成的环带面积，为307.61 mm2
由(1)、(2)式可以看出，自平衡阀座受球芯的作用力远小于常见阀座受球芯的作用力。
3.2 密封比压计算
自平衡阀座与常见阀座密封面及受球芯挤压力方向如图5所示。
(a)自平衡阀座 (b)常见阀座
图5 自平衡阀座/常见阀座密封面及受球芯挤压力方向
根据必须密封比压经验公式：
式中 qMF——必须比压，MPa
p——介质工作压力或公称压力，MPa
bM——密封面宽度，mm
C——与密封面材料有关的系数，取3.5
Kp——考虑介质压力对比压值影响的系数，取1
DMW——密封面大径，mm
DMN——密封面小径，mm
常见阀座的bM=10.80 mm，必须密封比压qMF=13.84 MPa，而自平衡阀座的bM=8.91 mm，必须密封比压qMF=15.24 MPa。
式中 S——密封面面积，mm2
μ——摩擦系数，μ=0.2
常见阀座的密封面积为1184.44 mm2，自平衡阀座的密封面积为991.65 mm2。
由式（5）计算可得，常见阀座的摩擦力为3278.524 N，自平衡阀座的摩擦力为3022.556 N，自平衡阀座摩擦力较常见阀座摩擦力减小7.81%。
3.3 阀座的应力应变
本文使用Workbench ANSYS对自平衡阀座和常见阀座在额定压力42 MPa和最大工作压力63 MPa工况下进行有限元分析。采用自适应网格迭代算法精确模拟高压载荷下阀座的应力及变形情况，从而保证计算结果的准确性。
阀座、阀杆材料均为17-7PH，弹性模量E=199.955GPa，泊松比μ=0.28，屈服强度为1379 MPa，抗拉强度为1517 MPa。为加快计算速度，接触设为绑定接触，球芯设为刚体。自平衡阀座受液压力和碟簧预紧力作用，液压力数值分别为42 MPa和63 MPa，碟簧预紧力为3022.6N；常见阀座仅受液压力，液压力数值分别为42 MPa和63 MPa，加载及约束位置如图6所示。
(a)自平衡阀座载荷约束 (b)常见阀座载荷约束
图6 自平衡阀座/常见阀座载荷约束
为排除网格数量和网格质量对仿真结果的影响，本文使用4种密度的网格划分等级来确定合理的网格数量，如表1和表2所示。在自平衡阀座和常见阀座密封面各选取3个应力点，验证网格的无关性，3个应力点位置如图7所示。由表可知，当计算网格等级从3级增加至4级时，各点的应力收敛结果基本不变。综合考虑仿真精度和计算效率，本文采用3级网格进行后续的仿真计算工作。
表1 自平衡阀座网格无关性验证
表2 常见阀座网格无关性验证
(a)自平衡阀座 (b)常见阀座
图7 自平衡阀座/常见阀座密封面取点位置
当压力为42 MPa时，自平衡阀座的应力分布如图8（a）所示，最大等效应力为90.376 MPa，低于材料屈服强度1379 MPa；其位移变化情况如图8（b）所示，最大位移量为0.002674 mm。常见阀座的应力分布如图8（c）所示，最大等效应力为117.28 MPa，低于材料屈服强度1379 MPa；其位移变化情况如图8（d）所示，最大位移量为0.0095837 mm。
(a)自平衡阀座应力分布 (b)自平衡阀座变形情况 (c)常见阀座应力分布 (d)常见阀座变形情况
图8 42 MPa时自平衡阀座/常见阀座应力与变形云图
当压力为63 MPa时，自平衡阀座的应力分布如图9（a）所示，最大等效应力为136.28 MPa，低于材料屈服强度1379 MPa；其位移变化情况如图9（b）所示，最大位移量为0.0039711 mm。常见阀座的应力分布如图9（c）所示，最大等效应力为150.09 MPa，低于材料屈服强度1379 MPa；其位移变化情况如图9（d）所示，最大位移量为0.0098454 mm。
(a)自平衡阀座应力分布 (b)自平衡阀座变形情况 (c)常见阀座应力分布 (d)常见阀座变形情况
图9 63 MPa时自平衡阀座/常见阀座应力与变形云图
沿常见阀座的径向方向取密封面的中间位置Line1，径向半径为R1；沿自平衡阀座的径向方向取两个密封面的中间位置Line2和Line3，径向半径为R2和R3。Line1、Line2、Line3分布位置如图10所示。
(a)Line1位置 (b)Line2、Line3位置
图10 常见阀座/自平衡阀座密封面取点位置
提取压力为42 MPa和63 MPa时路径Line1、Line2、Line3上的等效应力数据，如图11所示。在同一压力水平下，自平衡阀座Line3处的等效应力最大，自平衡阀座Line2处的等效应力略高于常见阀座Line1处的等效应力。这是由于Line1、Line2、Line3的径向半径关系为R3＜R1＜R2。密封面上各点的等效应力大小主要随其径向坐标变化而变化，径向半径越小，等效应力越大。当压力由42 MPa增大至63 MPa时，Line1上的等效应力平均增大5.596%，Line2上的等效应力平均增大52.758%，Line3上的等效应力平均增大50.052%。自平衡阀座密封面的等效应力随加载压力的增大而显著增长，常见阀座密封面的等效应力增长幅度较小。
图11 不同压力水平下Line1、Line2、Line3上的等效应力
提取压力为42 MPa和63 MPa时路径Line1、Line2、Line3上的变形数据，如图12所示。当压力由42 MPa增大至63 MPa时，Line1上的变形量平均增大17.74%，Line2上的变形量平均增大31.27%，Line3上的变形量平均增大32.70%。自平衡阀座密封面的变形量随加载压力的增大而显著增长，常见阀座密封面的变形量增长幅度较小。当压力分别为42 MPa和63 MPa时，常见阀座Line1上的变形最大，自平衡阀座在0~56 mm区间Line3上的变形略高于Line2上的变形。在同一压力水平下，自平衡阀座密封面上的变形量始终远小于常见阀座密封面上的变形量。
图12 不同压力水平下Line1、Line2、Line3上的变形情况
4 结语
通过上述分析和计算，可以得出以下结论：
（1）在同一压力水平下，自平衡阀座受球芯的正压力较常见阀座结构有效减小，自平衡阀座密封面对球芯的摩擦力相较于常见阀座降低了7.81%。
（2）随着压力增加，常见阀座密封面的等效应力和变形增长幅度较小，自平衡阀座密封面的等效应力和变形增长幅度较大，但最大值仍在材料许用强度范围内。在同一压力水平下，自平衡阀座密封面上的变形量始终远小于常见阀座密封面上的变形量，有利于其与球芯形成更为紧密的贴合，提升密封可靠性。
本文下一步工作将综合考虑阀座密封面外径D1、平衡腔2外径D2、平衡腔2内径D3、阀座密封面内径D4对密封性能的影响，并制作样机进行实物试验，进一步
验证设计的正确性。在实际工况下，介质中可能有固体颗粒，本文的导流孔及平衡腔易被堵塞，后期将对阀座进行防堵塞结构优化。
引用格式：
李婷,海晓洋,冯建国,等.高压浮动式球阀阀座结构优化[J].阀门,2026,(7):796-802+696.DOI:10.16630/j.cnki.1002-5855.2026.07.012.
*本文节选自《阀门 · 学术版》2026年第7期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。