梁世耿全焊接球状管线球阀设计修改4.19

目录
一、概述 (2)
二、阀门动作与密封原理：……………………………………..(2-3)
2.1动作原理
2.2密封原理
三、主要机构介绍……………………………………..…………(4-8)
3.1全焊接球状阀体
3.2组合密封阀座
3.3固定球与上下支撑板设计
3.4阀杆防吹出设计
3.5防火设计
3.6防静电设计
3.7紧急密封系统设计
四、材料的选用………………………………….………………(8-9)
4.1阀杆、球体、上径材料的选用
4.2阀座材料的选用
4.3阀杆材料的选用
五、计算…………………………………………………………(9-10)
5.1密封必需比压计算
5.2球阀直径的计算即选用
5.3球阀扭矩的计算
5.4球阀阀杆强度验算
全焊接球状阀体管线球阀设计
一、概述
根据《Pipeline》杂志2000年统计，全世界已建成管线260万公里，其中输油管线80万公里。

输油输气管线是一条能源供应线，是一条生命线，已遍布全球，并且每年仍以3万公里的速度递增。

管线阀门的最高压力级PN42.0Mpa（Cass2500）,阀门最大通径60英寸（DN1500）。

长输管线是全球性，是一条能源共给线从北极圈到赤道，从高山到海底，从高原道沙漠，期间穿过地震带，沼泽地、冻土层、江河、湖泊、上坡。

有架设的，有直埋地下，在野外操作维修困难，要求30年使用寿命。

一般输送原油、天然气，虽然处理但含硫，含铁绣及金属颗粒，且要求零级密封，实际的使用环境恶劣和能源供给线的重要性，对管线球阀提出了严格的技术要求。

适合长输管线严酷要求的管线紧急切断阀，全焊接阀体管线球阀是目前管线工程中的唯一选择。

全焊接阀体结构形式管线球阀经过半个世纪的发展，形成了两大流派，一派是以美国Cameron公司为代表的球状阀体全焊接结构，另一派是以意大利Grove公司为代表的筒状阀体全焊接机构，球状阀体结构比较筒状阀体结构具有以下优点；
(1)阀体的外形接近球体即使在复杂的受力情况下，也是获得最佳抗拉变形能力和满足轻度要求；
(2)材料利用率高，重量轻，可降低制造成本；
(3)可缩短加工周期；
(4)结构紧凑可减少安装空间。

本设计就以NPS12 Class600来设计。

二、阀门动作与密封原理
2.1 动作原理
图1中逆时针转动蜗轮箱的手轮1，手轮1带动蜗杆2，蜗杆2带动蜗轮3，蜗轮3通过键4带动阀杆5,阀杆5带动球体6作逆时针90转动，使阀门处于开启位置。

图2中顺时针转动蜗轮箱的手轮1，手轮1带动蜗杆2，蜗杆2带动蜗轮3，蜗轮3通过键4带动阀杆5,阀杆5带动球体6作顺时针90转动，使阀门处于开启位置。

图1 名称图2名称
1—手轮2—滑杆3—涡轮4—键5—阀杆6—球体
2.2 密封原理
全焊接球状阀体管线球阀阀座采用组合密封结构，即金属对金属的初始“密封”，以阻挡固体颗粒的进入。

用橡胶软密封材料作为次级密封，以保证“零”泄漏。

密封用的橡胶采用三角形形状，并用压板和紧定螺钉固定，使橡胶在开关过程中不被吹出或破坏。

密封阀座通过弹簧加载保证初始密封比压，弹簧密封比压，弹簧采用螺旋弹簧。

全焊接球状阀体管线球阀进口端和出口端阀座采用对称双向密封设计。

活塞式的介质自密封结构，按API 6D标准可设计成DBB（单活塞效应）和DIB（双活塞效应）结构。

该设计为DIB（双活塞效应）结构，如图3所示，即进口端和出口端同时密封，无论是气体介质或液体介质，腔体中均设有安全阀，以保证腔体压力超过压力相应等级的压力值的1.33倍时排放至大气环境中。

图3：DIB（双活塞效应）结构
三、主要结构介绍
3.1 全焊接球状阀体
阀体通过一条环焊缝将主阀体和侧体焊接成一体，外形接近于球状。

全焊接阀体保证阀门无任何外漏。

主阀体和侧体的原材料均采用锻造工艺，克服了铸件固有的缺陷。

阀体焊接采用埋弧自动焊和U型焊接坡口如图4所示。

图4阀体焊接结构
3.2 组合密封阀座
金属对金属的初始“密封”，以阻挡固体颗粒的进入。

用橡胶软密封材料作为次级密封，以保证“零”泄漏。

图5：组合密封阀座
1—金属2—橡胶3—球体
3.3 固定球与上下支承板设计
采用固定球、浮动阀座结构，如图6所示。

作用在球体上的介质力由两个滑动轴承支撑。

滑动轴承以不锈钢作为基体，内衬PTFE塑料，具有承载比压高且摩擦系数低，保证球阀的低操作扭矩。

球体车削成上下两个轴径，并用上下支撑板支承。

上下支撑板设计，使阀体底部巧妙的留出空间，将阀体泄放阀设于阀体的最底部，排放更彻底。

1—球体2—减磨垫3—支撑板
图6：固定球与上下支承板设计
3.4 阀杆防吹出结构设计
阀杆均具有防脱出结构，防止阀杆不会被介质吹出。

阀杆上防吹出的凸缘处置一减磨垫，以减少摩擦系数。

结构如图7所示。

根据图7接着简述一下防吹出过程
图7：阀杆防吹出结构
3.5 填料结构设计
阀杆填料可采用三级“O”型橡胶圈密封，阀杆最顶部的“O”型橡胶圈可在管线带压的情况下轻松更换。

结构如图8所示
图8：填料设计
3.6防火结构设计
组合密封阀座、阀杆均具有防火设计。

防火采用了柔性石墨，在高温或被火烧之后，里面的橡胶密封圈就会被烧坏失效，然而防火圈柔性石墨就不会被烧坏，从而还可以起到密封作用。

如图9所示
图9：防火设计
3.6 防静电机构设计
阀杆与球体以及阀杆与填料箱之间均用钢球和弹簧防静电，因为阀体里面的金属和塑料产生静电，所用钢球通过弹簧的弹力把球顶道阀体上，让整个球体边成，通过阀体和地连接形成了一道回路。

图10：防静电设计
3.7 紧急密封系统设计
紧急密封系统由注脂阀和单向阀组成，分别安装在阀体上，在阀座处的外测和阀杆填料处外侧。

紧急密封系统可以用来阻止或减少管线中阀门密封座的泄漏，密封剂注射前需进行清洁和冲洗，可选择进口的清洁剂和密封脂，用手动或电动的工具将清洗剂或密封脂从注射器口注入。

如图11所示
1—阀体2—球体3—阀座4—弹簧5—注脂阀6—单向阀7—注脂通道
图11：紧急密封系统设计
四、材料的选用
4.1 阀体、球体、上径材料的选用
球体采用LF2材料，表面镀有一层镍。

热处理后硬度HRC＞60。

与阀座接触表面有一定的硬度差，增强了球体的抗咬性能和密封性能。

球体表面经抛光后达到镜面。

4.2 阀座材料的选用
阀座材料的选用是根据流体的性质、压力、温度等因素来选择。

①在化学性能方面，要求密封件材料具有高的耐腐蚀、耐溶解性能。

②在物理力学性能方面，应具
有足够高的强度，能长期经受流体压力作用，并能多次拆装；弹性和塑性好；滑动摩擦系数和膨胀系数低；耐磨性能和自润滑性能优良，并具有好的不渗透型和不吸湿性等。

③在热热力学性能方面，要求能耐热耐寒和耐温度的急剧变化，并有良好的导热性能。

所以选用了硅橡胶。

硅橡胶有较好的耐高温和耐低温性能，最低和最高使用温度分别大-100℃和300℃，安全使用温度未-70~200℃。

硅橡胶属于饱和橡胶，因此，具有两还的耐气候耐臭氧性能。

且压缩永变形小。

4.3 阀杆是阀门中主要受力零件，阀杆材料必须具有足够的强度和韧性，能耐介质、大气及填料的腐蚀，耐擦伤，工艺性好。

为了提高阀杆表面耐腐蚀耐擦伤性能所以选：35CrMn+ENP
五、计算
5.1 密封必需比压计算
必需比压是为保证密封，密封面单位面积上所必需的最小压力，用q mf 表示。

q mf = (4+0.6×P)/ b'm1/2=7.5（MPa ） （1）
式中 P ——介质工作压力=10（MPa ）
b'm ——O 形圈与阀杆的接触宽度=1.78(mm)
5.2 球阀直径的确定计算即选用
球体直径的大小影响球阀结构的紧凑性，因此应尽量缩小球体直径。

球体半径一般按R=（0.75~0.90）d 计算或者在图上取直径D=465.为保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径或下列公式进行校核：
D min =222
d D =451(mm) （2） 必需满足 D ＞D min
式中 D min ——最小计算直径（mm ）；
D 2 ——阀座外径=335.2（mm ）；
d ——球体通道孔直径=303（mm ）;
D ——球体实际直径=465（mm ）
、 结论：根据计算D ＞D min 符合要求
5.3 球阀转矩的计算
阀杆总摩擦力矩计算：MF=MQG+ MFT+ M2C=5321（N.m）（3）
式中：M QG ——阀座密封圈与球体间的摩擦转矩=2280.65（N.m）
M FT ——阀杆与填料件的摩擦转矩=282.65（N.m）
M zC——轴承的摩擦转矩=2757.71（N.m）
a)阀座密封圈与球体件的摩擦转矩的计算
M QG= M QG1+ M QG2=2280.65（N.m）（4）
式中M QG1——阀座对称球阀的预紧力所产生的摩擦力矩=409.98（N.m）M QG2——介质压力产生的摩擦力矩=1870.67（N.m）
M QG1＝π(D２
ＭＷ-D２
ＭＮ
)(1+COSφ)×q
Ｍ
×f
Ｍ
×R/4＝409.98（N.m）（5）
式中D
ＭＷ
——阀座密封圈与球体接触面内径=331.3(mm)
DＭＮ——阀座密封圈与球体接触面外径=326.3(mm)
qＭ——球阀最小预紧比压=2
fＭ——球体与密封面的摩擦系数（0.20）
M QG2=π×p×f M×(D/2)(D2JH-0.5D2MN-0.5D2MW)(1+COSφ)/8COSφ=1870（N.m）（6）式中D JH——阀座与阀体配合活塞外径=335.2(mm)
b)阀杆与填料间摩擦转矩的计算
Q T=π×d1×b'm×n×qmf×f M=7537.47（N）（7）
式中b'm= O形圈与阀杆的接触宽度=1.78(mm)
n= O形圈数量=3.50
O形密封圈与阀杆之间的摩擦转矩
M FT= (Q T×d1)/2=282.65 (N.m) （8）
式中d1= 0形圈内径=75(mm)
c)阀杆轴承摩擦转矩的计算
固定球球阀的轴承承受着较大的径向作用力，旋转式会产生很大的摩擦力，为降低此摩擦力，在球体轴径处或阀杆支承套外径处可以安装滑动轴承，以减小摩擦力，较低开启或关闭时的转矩。

阀杆轴承摩擦转矩：
M ZC= (π×D2JH×p×f Z×d QJ)/8=2757.71(N.m) （9）
式中D JH——阀座与阀体配合活塞外径=335.2(mm)
f Z=轴套摩擦系数=0.80
d QJ=径向轴套内径=125
根据总扭矩M F=5321(N.m)
5.4球阀阀杆强度验算
（1）Ⅰ—Ⅰ断面处进行扭应力τN的计算：
τN=M F/W≤{τN}=86.44（N.m）（10）
式（10）中M F—阀座密封圈与球体之间的摩擦转矩=5321（N. m）
W —Ⅰ—Ⅰ断面的抗扭断面系数（mm3）
（2）对轴伸键槽扭转应力计算
键槽截面扭转应力:τN1= M F/W≥{τN1}=84.24（MPa）（11）
式中M F—阀座密封圈与球体之间的摩擦转矩（N.m）
W —Ⅱ—Ⅱ断面的抗扭断面系数（mm3）
通过计算，结果得出τN≥{τN1} 所以符合要求
六、蜗轮装置
驱动装置是用于操作阀门并与阀门相连接的一种装置。

改装置可以用电力、气压、液压或其组合形式的动力源来驱动，其动作过程可以由行程、转矩或轴向推力的大小来控制。

根据上面扭矩的计算采用的是手轮气动装置的驱动器，它的结构简单，气源很容易获得，能得到较快的开关速度，而且气体压缩性大，关闭时有弹性。

在气源失效的时候还可以有手轮来开启（或关闭）阀门。

通过计算和选材整体的球阀的密封性能可靠，机构紧凑，便于操作，此外，球体的流体阻力小，其阻力系数与管道长度相等。

在全开和全闭时由于球体和阀座的密封面与介质隔离因此流体高速通过阀门不会造成阀体内腔的侵蚀和泄漏。

七、结语。

参考文献
[1] 江万权、朱春玲、陈祖耀等，超细α-Fe粒子对磁性粒子浓悬浮体系磁流变性能的增强，化
学物理学报，2001，14(5):629~632
[2] 江万权、朱春玲、何沛等，磁性粒子浓悬浮液体系中非磁性粒子的磁流变液性能增强效应，
功能材料，2001，32(3):243~244,247
[3] 江万权、朱春玲、陈祖耀等，微米级高聚物包埋型金属铁复合粒子的球磨法制备及其磁流变
效应，化学物理学报，2001，14(5):543~547
[4] 魏铁华、杨晓红，电流变技术与磁流变技术，水利电力机械，2002，24(2):57~60
[5] 徐佩弦，高聚物流变学及其应用[M].北京化学工业出版社，2003，92-9。