球阀是近几来发展最快的阀门品种之一。特别是在美、德、日等工业发达国家，球阀在向大口径、高密封性、长寿命、优良的调节性能以及一阀多功能方向发展，其可靠性及其他性能指标均达到较高水平，并已取代部分闸阀、截止阀、节流阀。
目前大口径球阀技术水平最高的是美国，该国的EscherWyss公司产品最大公称通径已达3050mm，设计压力达4.8MPa。虽然我国生产球阀的厂家很多，但是通径达20”以上的球阀生产厂家却很少，而且密封件性能都不太理想。四川自贡的大口径球阀技术与美国共同研发，还未形成自己的知识产权，国内在海底输油管线工程上用的大口径阀门还依赖进口。因此，笔者就强密封、小力矩、高安全大口径球阀的开发问题进行了探讨。
1 国内外研究现状及趋势
在以环保、电子等高科技领域发展及世界可持续发展为主的大背景下，为球阀行业带来了技术的飞速变革和发展。在设计中，利用计算机技术来进行产品的开发（如CAD）有效提高了设计本身的速度；在生产制造中，以数控技术CAM为代表的制造技术业已深入球阀生产；在开发中，把有限元法作为控制阀的静态分析和动态分析的重要手段。国内外在结构动态领域的研究十分活跃，特别是美国、西欧等一些工业发达国家，十分重视关于结构动态问题的研究，并将其列为结构设计领域的重点发展方向之一。在我国，有限元分析方法已普遍应用于球阀阀体的结构分析，研究方向也由单纯静力分析向参数化建模、结构优化和动态特性等扩展，而且将有限元分析计算与试验研究相结合，呈现多样化的局面。在大口径球阀方面，主要沿着以下几个方面发展，一是密封面材料，耐高温、耐磨、耐腐蚀的低摩擦系数的金属或非金属密封材料将会不断被研制出来；二是新型结构球阀将会不断涌现，其目的主要在于提高寿命、密封可靠性和改善加工工艺；三是长输管线用球阀会在遥控、自控、工作可靠性、寿命诸方面得到提高。
目前，美国的EscherWyss公司为田纳西州的一个泵站所提供的4台球阀，用作透平机出口的切断阀，其球阀最大公称通径已达3050mm，设计压力为4.8MPa。在我国，径达20"以上的球阀生产厂家不多，而且在密封件性能方面都不太理想。西川自贡高压阀门有限公司所产的40"-6002b球阀虽达到大口径要求，但其生产是和美国GE新比隆公司合作，没有自己的自主知识产权。目前，国内在大型工程上用的大口径球阀还依赖进口。因此，在我国，急需设计出强密封、小力矩、高安全的大口径球阀。
2 强密封及小力矩和高安全大口径球阀设计
2.1 工作原理
以球体作为关闭件的阀门，称为球阀。球阀主要由阀体、阀座、球体、阀杆、手柄（或其他驱动装置）组成。球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体通道，即球阀通常为闭路阀。因此，球阀的作用原理是：借助手柄或其他驱动装置在阀杆上端施加一定的转矩并传递给球体，使它旋转90°（特殊球阀结构例外），球体的通孔则与阀体通道中心线重合或垂直，球阀便完成了全开或全关的动作。
2.2 关键技术
2.2.1 大口径球阀强密封实现
1）采用抗腐蚀、高性能、耐磨的高性能变形合金（X750），其变形量会随载荷的变化而变化，是一种动态自紧密封装置。初始密封利用装配时的过盈量和挤压量实现。当有介质载荷作用于C形弹簧圈和金属弹簧密封套时，它会发生形变，使密封接触面应力和密封能力增大，从而实现高压密封。
2）应用高性能变形合金材料、设计整体式波形弹簧装置来实现阀座与球阀的预紧，实现阀门的低压密封，当阀腔内介质压力升高时，介质会推动阀座向前运动，使阀座与球体紧密贴合，形成高压密封。碟形弹簧的张紧力随阀腔内介质载荷的变化而波动，处于浮动密封状态。
3）参照API6D管道阀门标准及NACE规范，关键零件选用不锈钢材料；阀杆处C形金属密封结构选用优质高温变形合金（X750）；对各部件采取相应的热处理及表面处理，保证零件既有良好的综合机械性能，又能满足恶劣工况的要求。
2.2.2 大口径球阀小开关力矩实现
1）选用耐磨、抗老化、摩擦系数小的高分子材料，轴承表面进行电镀PTFE处理，阀座与球体间的密封材料为PTFE，阀杆填料处为金属密封，并对其表面进行电镀处理，这些都降低了阀门的开关力矩，使得阀门开关灵活、操作方便。
2）设计省力驱动装置，使阀门开关灵活轻便。
3）阀体、球体结构强度和变形经solidedge三维有限元计算优化，球体采用空心结构分段冲压成型，减轻了结构重量。
4）采用固定式安装，球体的全部重量由尾杆承担，减少阀门启闭扭矩。
2.2.3 大口径球阀高安全实现
1）选用石墨材料作为耐火圈，选用高温变形合金（X750）作弹簧，在高温下保持良好的弹性，满足阀门耐火的要求。
2）设计弹性阀座的高分子材料密封件，当球阀处于正常工作状态时，其与球体接触并保持密封，此时，球体与弹性阀座上的浮动支座保持1～2mm的间隙。一旦高分子材料密封件被烧毁或软化，则弹性阀座的浮动支座在流体压力作用下被推向球体，使预先加工好的金属支座密封面与球体接触，起到临时的部分密封作用，待灾情解除后再予修复或更换。
3）设计防静电装置，该装置使球体与阀体等金属件导通，消除零件间的电位差，从而避免电火花现象，消除安全隐患。
4）防范腔内异常压力升高引起爆炸的风险：阀杆采用内装式，消除了阀杆在流体压力作用下因填料压盖松开而飞出的事故隐患；阀门设计自动泄压装置，通过调节泄压螺钉，使阀门内腔压力始终保持在调定压力范围内。
2.3指标对比