固定球阀按其阀座材料和密封元件的类型来分，可分为软密封固定球阀和硬密封固定球阀（又叫金属密封固定球阀）。软密封固定球阀的阀座多属于塑料类材料，最高的使用温度在250℃左右。但是，与之匹配的密封元件往往是一些橡胶类的O型圈，最高使用温度在200℃左右。因此，对于软密封的固定球阀来讲，其最高的使用温度也就在200℃左右。
而在固定球阀的实际使用中，介质的温度有时远远高于200℃，比如在石化、煤化工、煤制气、煤制油行业等的介质温度会高达500℃左右。在这样的高温工况下，软密封的固定球阀就不能够被使用了，而只能够使用硬密封的固定球阀。硬密封固定球阀的阀座是金属材料制成的，在其阀座和球体的密封面上，往往需要喷涂、喷焊或堆焊有一定硬度差的耐蚀合金或硬质合金材料，以提高阀座和球体密封副的耐腐蚀，耐磨损，耐冲刷，防咬死等性能，从而延长阀门使用寿命。在要求高于200℃的高温工况下，金属密封固定球阀的阀座和阀体之间的密封材料采用增强的柔性石墨环是很好的选择。
1 柔性石墨密封的特性
柔性石墨又称为膨胀石墨。顾名思义，它的密封能力往往是通过外力把柔性石墨环的轴向尺寸进行压缩，而使其径向尺寸方向上发生膨胀变形，从而在密封面上产生了膨胀变形力，进而实现密封。但是，由于柔性石墨的回弹性很差（与橡胶O型圈比较），以至于它不能像橡胶O型圈那样有良好的密封自动补偿能力。正是因为这一点，如果在密封实现过程中，柔性石墨环的位置发生变动，就会引起密封面上发生泄漏。这就是阀杆填料的位置要设计成压力可调结构的原因所在，如图1所示。
图1 典型的阀杆填料压力可调结构
该结构是依靠调节螺栓产生的阀杆轴向压力，使柔性石墨膨胀变形，以使柔性石墨环和填料涵之间，柔性石墨环和阀杆之间产生膨胀变现力而密封。当发生泄漏时，需继续向下调节螺栓，以使柔性石墨环获得使密封面重新获得密封的膨胀力。
2 硬密封球阀产生内漏的原因
软密封固定球阀的阀座和阀体之间的密封是靠橡胶O型圈的弹性变形来实现的。但是如果要靠柔性石墨的变形来实现阀座和阀体之间的密封的话，往往是不可靠的。因为柔性石墨不是弹性材料，它的变形属于塑性变形，而非弹性变形。因此，柔性石墨往往只用于静态密封，并且可以重复加压的场合，比如阀门的阀杆填料等。这也是很多硬密封球阀产生内漏的主要原因所在。
尽管固定球阀的球体是固定的，开、关阀门时，球体绕轴线原地转动，但是在球体的转动过程中，部分阀座会出现悬空的现象（如图2所示）。
图2 硬密封固定球阀开、关过程示意图
加之阀座弹簧对阀座产生的推力以及阀座安装间隙的存在，在开启或关闭阀门的过程当中，就会导致阀座产生摇动。对于硬密封固定球阀来讲，阀座的摇动势必会带动柔性石墨环的晃动，这样就会破坏柔性石墨环和阀体间的静态密封副，进而产生泄漏。
因此，把硬密封固定球阀的阀座和阀体之间的密封，设计成这种依靠柔性石墨的膨胀力提供密封的静态密封形式，是相当错误的，它直接影响阀门的密封能力和使用寿命。如果把此处的静态的密封改为动态的密封就能改变这种状况。
3 动态密封设计
3.1 设计思路
硬密封固定球阀阀座的增强柔性石墨环的动态密封是指依靠阀门内部的介质压力作用于它，并引起它的各个密封面上的接触应力均能够大于阀门内部的介质压力，从而实现可靠密封的一种形式。如果说前面讲的静态密封是一种被动密封的形式的话，那么可以把这种动态密封的形式称为主动密封。
在这里，以字母代表关键结构的数值，并推导出增强柔性石墨环动态密封实现的条件。在阀门工作过程中，要研究增强柔性石墨环的关键密封面如图3中所示的密封面1和密封面2。其上箭头表示各自的接触应力，只要密封面1和密封面2上的接触应力均大于阀门介质的工作压力，那么，介质就不能穿过密封面1和密封面2，从而实现有效的密封。这两个密封面上的接触应力会随着阀门介质压力的变化而变化，但接触应力始终大于阀门的介质压力。在阀门的设计工作压力范围之内，它不会由于介质工作压力的波动而造成泄漏。因此，可以把它看作是动态的、主动的密封形式。
图3 增强柔性石墨环的有效密封面示意图
3.2 研究对象的结构和尺寸参数的定义
增强柔性石墨环的结构尺寸如图4所示。
图4 增强柔性石墨环的结构尺寸图
具体几何参数定义如下：d1为增强柔性石墨环的外径，mm；d2为增强柔性石墨环的内径，mm；w为增强柔性石墨环的外径宽度，mm；t为增强柔性石墨环的内径宽度，mm；α为增强柔性石墨环的外径宽度上的一部分，α＝（w－t）/2，mm；θ为增强柔性石墨环的楔角，°；Sm1为密封面1的有效载荷接触面积，mm2；Sm2为密封面2的有效载荷接触面积在阀门流道方向上投影面积，mm2。
3.3 关键密封面接触应力计算
在阀门的工作状态下，增强柔性石墨环的受力情况如图5所示。
图5 压环和增强柔性石墨环受力图
3.3.1 受力分析和力学参数定义
压环的受力如图5（a）所示，压环会受到介质工作压力P对它产生的推力T以及弹簧对它的推力FS。作用在压环上的推力又会作用于增强柔性石墨环的斜面上。根据牛顿力学作用力与反作用力的原理可知，增强柔性石墨环的两侧斜面的受力状态是相同的（图5（b））。其具体受力矢量三角形如图5（c）所示。
具体的力学参数的定义为：P为介质工作压力，MPa；T为介质工作压力P对压环产生的推力，N；FS为弹簧对压环产生的推力，N；F为压环对增强柔性石墨环产生的水平方向推力，N；F′为阀座对增强柔性石墨环的推力，在数值上有F′＝F，N；F1为分别为F和F′在竖直方向上的分力，N，其方向是垂直于密封面1；Pm1为密封面1上接触应力，MPa；Pm2为密封面2上的接触应力，MPa；n为弹簧数量，个；f为单个弹簧提供的工作力，N。
3.3.2 密封面1的接触应力的计算
受力分析如图5所示，有如下的计算公式：
经计算后，得：
另外，密封面1处的密封实现的条件为：
（7）
那么，有：
（8）
化简式（8）后，有：
（9）
而
所以，若要式（9）成立，只需
（10）
又因为
（图4），所以，式（10）可变为：
（11）
从而可得出增强柔性石墨环的密封面1可以实现动态（或称为主动密封）密封的必要条件为：
（12）
3.3.3 密封面2的接触应力的计算
由图5可知道密封面2的接触应力Pm2与式（3）～式（5）以及下式有关：
（13）
（14）
代入计算，得：
（15）
对式（15）进行分析，可得：
所以有：
（16）
式（16）表明：只要设计时，确定合理的弹簧数量和单个弹簧的工作力，以及增强柔性石墨环的内、外径尺寸，就能保证密封面2处的良好密封。
3.3.4 综合分析
由上面所述可知，在满足增强柔性石墨环的合理尺寸和制作工艺的前提条件下，图4所示结构的增强柔性石墨环实现动态（主动）密封的条件是式（12）。
4 结论
通过合理的增强柔性石墨环的结构设计，可以使它的密封形态发生质的变化。不仅可以用它来实现传统意义上的静态密封方式，也可以用实现可靠的动态密封方式，把被动密封的形式，提升为主动密封的形式。采用这样的密封形式，性能良好的增强柔性石墨环不仅可以应用于高温的工况，也可以应用于高温且高压的工况。