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球阀是一种流量控制装置,它使用空心、穿孔和枢转的球来控制流经其中的流体。当球体中间的孔与流体入口对齐时,阀门打开;当通过阀手柄将其旋转 90 度时,阀门关闭,从而阻止流体流动。[1]手柄在打开时平放,与流量对齐,在关闭时垂直于流量,从而可以轻松目视确认阀门的状态。[2]关闭位置 1/4 圈可以是顺时针方向或逆时针方向。
球阀经久耐用,多次循环后性能良好,而且可靠,即使在长期不使用后也能安全关闭。这些品质使它们成为关闭和控制应用的绝佳选择,在这些应用中它们通常优于闸阀和截止阀,但在节流应用中它们缺乏这些替代品的精细控制。
该球阀易于操作、维修和多功能性,使其具有广泛的工业用途,支持高达 1,000  bar (100  MPa ; 15,000  psi )的压力和高达 750 °F (400 °C) 的温度,具体取决于所使用的设计和材料。尺寸通常为 0.2 至 48 英寸(5 至 1200 毫米)。阀体由金属、塑料或金属加陶瓷制成;浮球通常镀铬以提高耐用性。球阀的一个缺点是,当用于控制水流时,球阀在关闭位置时会将水困在中心腔中。如果环境温度低于冰点,侧面可能会由于结冰引起的膨胀而破裂。[3]在这种情况下,某些绝缘方法或加热带通常可以防止损坏。寒冷气候的另一个选择是“耐冻球阀”。这种类型的球阀在侧面装有防冻塞,因此在发生冻结时,防冻塞会破裂,充当“牺牲”故障点,从而更容易修复。无需更换整个阀门,只需安装新的防冻塞即可。[4]
对于低温流体或可能在球内部膨胀的产品,阀门上游侧钻有一个通风口。这被称为通风球。
球阀不应与“球形止回阀”混淆,“球形止回阀”是一种使用实心球来防止意外回流的止回阀。
其他类型的直角回转阀门包括蝶阀、旋塞阀和防冻球阀。

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类型

球阀一般有五种阀体形式:单体式、三片式、分体式、上装式和焊接式。差异取决于阀门部件(尤其是包含球本身的外壳)的制造和组装方式。每种情况下阀门的操作都是相同的。[5]
一体式阀体提供了非常坚固的结构,在某些版本中,球可以从阀门上拆卸下来,而无需将整个阀门从管路中取出,但是多件式阀体为巧妙的设计提供了更大的范围。
此外,还存在与滚珠机构本身的孔有关的不同样式。根据工作压力的不同,球阀又分为低压球阀和高压球阀。在大多数行业中,工作压力高于 3,000 psi (210 bar) 的球阀被视为高压球阀。通常高压球阀的最大工作压力为 7,500 psi (520 bar),具体取决于结构、尺寸和密封材料。高压球阀的最大工作压力可达 15,000 psi (1,000 bar)。高压球阀常用于液压系统中,故又称液压球阀。[6]
尺寸最大 2 英寸(51 毫米)的球阀通常采用单件式、两件式或三件式设计。一件式球阀几乎都是缩径的,相对便宜,并且通常需要更换而不是修理。两片式球阀通常具有稍微缩小(或标准)的孔径,并且可以是一次性的或可维修的。三件式设计使得包含球体、阀杆和阀座的阀门中心部分可以轻松地从管道上拆卸下来。这有助于有效地清洁沉积物、更换阀座和压盖填料、抛光球上的小划痕,所有这些都无需从阀体上拆下管道。三片式阀门的设计理念是可修复的。每个阀门都被加热到一定程度,同时从阀体上修剪掉多余的材料。[7]

全通径

全通径(有时是全通径)球阀具有超大尺寸的球,因此球上的孔与管道的尺寸相同,从而降低了摩擦损失。流量不受限制,但阀门更大且更昂贵,因此仅在需要自由流动的情况下使用,例如在需要清管的管道中。

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在缩径(有时是缩口)球阀中,流过阀门的管道尺寸比阀门的管道尺寸小一圈,导致流通面积比管道小。由于流量保持恒定并且等于流量面积 (A) 乘以速度 (V),
速度随着流动面积的减小而增加。

V端口

V 形端口球阀具有“V”形球或“V”形阀座。这允许线性甚至等百分比流量特性。[8]当阀门处于关闭位置并开始打开时,“V”的小端首先打开,从而在此阶段实现稳定的流量控制。由于流体速度较高,这种类型的设计通常需要更坚固的结构,这可能会损坏标准阀门。如果加工正确,这些都是出色的控制阀,具有卓越的泄漏性能。

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许多行业都会遇到球阀残留物的问题。当流体供人类消耗时,残留物也可能对健康造成危害,并且当流体不时变化时,可能会发生一种流体与另一种流体的污染。残留物的产生是因为在球阀的半开位置,球孔和阀体之间产生了间隙,流体可能被截留在其中。为了避免流体进入该空腔,必须堵塞该空腔,这可以通过以始终与球接触的方式延伸阀座来完成。这种类型的球阀称为腔体填充球阀。
与球体的连接和横向运动相关的球阀有几种类型:

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耳轴球阀在顶部和底部对球进行了额外的机械锚定,适用于更大和更高压力的阀门(通常高于 3.9 英寸(10 厘米)和 580 磅/平方英寸(40 巴))。
浮动球阀是一种球体不通过耳轴固定到位的阀。在正常操作中,这将导致球稍微向下游漂浮。这会导致底座机构在压在其上的球下方压缩。此外,在某些类型中,如果某些力导致阀座机构消散(例如阀门外部火灾产生的极高热量),球将一直漂浮到金属体上,该金属体旨在密封球,从而提供有点故障安全的设计。[9]
手动操作的球阀可以快速关闭,因此存在水锤的危险。一些球阀配备有气动、液压或电机操作的执行器。这些阀门可用于开/关或流量控制。气动流量控制阀还配备了定位器,可将控制信号相应地转换为执行器位置和阀门开度。

多端口

三通和四通中间有一个 L 形或 T 形孔。不同的流量组合如图所示。很容易看出,T 阀可以将任意一对端口或所有三个端口连接在一起,但 45 度位置可能会断开所有三个端口,因此没有任何误差余地。L 阀可以将中心端口连接到任一侧端口,或断开所有三个端口,但它不能将侧端口连接在一起。
具有 4 个或更多通道的多端口球阀也可在市场上买到,入口通道通常与出口平面正交。对于特殊应用,例如驱动气动马达从前进到后退,通过旋转单杆四通阀来执行操作。四通球阀的球体上有两个不互连的 L 形端口,有时称为“ × ”端口。
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