硬密封球阀设计

大口径硬密封球阀的设计

1 概述

球阀由于具有启闭迅速、轻便、流体阻力小，结构简单、体积小、重量轻、密封可靠、维修方便等特点，因此被广泛应用于化工、石油、发电、原子能等各行业的管道上。近年来，随着材料和制造技术的发展，中、小口径球阀已满足不了市场发展的需要。本文探讨了一种适用于高温高压工况下的大口径硬密封固定球球阀的结构设计。

2分析

球阀按其结构形式一般分为浮动球球阀和固定球球阀两种。而浮动球球阀一般用于中小口径，中低压管道。当阀门公称通径DN≥200mm,公称压力PN≥600Lb时,一般采用固定球球阀。

3结构设计

针对大口径工况的需求，设计了大口径硬密封固定球球阀（图

填料采

使更换填料更

下阀杆处增加了

二是具备了防静电功能。阀座后部设有弹簧座及弹簧，保证低压时阀座预紧力，保证密封。阀座弹簧预紧组件，具有自紧特性，实现上游密封。结构设计充分考虑了

介质沉积、结垢对弹簧的影响，采用配合尺寸对其进行封闭。而且阀门流

量孔径与管线内径一致，以便管线清扫。

4材料选择

首先，阀门的主要零件（阀体、球体、阀座、填料箱，阀杆等）材质采用双相钢S31803（中国牌号为00Cr22Ni5Mo3N）。球体及阀座密封面喷焊不同牌号的硬质合金，喷焊层厚度为 2.5mm,其硬度差达HRC50。双相不锈钢S31803（00Cr22Ni5Mo3N）硬度：HB≤290，而普通ASTM A182 F316L+G510的硬度：HB≤180。阀门密封件材料为双相钢喷焊硬质合金，不但硬度提高了，而且耐冲蚀性和抗擦伤性也随之提高。其次，双相不锈钢与普通的316L相比，耐晶间腐蚀性能更加优良，不但增加了强度和韧性，而且更容易密封。双相钢材质的球阀比普通的球阀使用寿命长一倍基至几倍。再次，普通的ASTM A182 F316L+G510球阀仅适用于尿素及甲胺液等腐蚀性介质，而双相钢球阀不但适用于尿素及甲胺液等腐蚀性介质，而且适用于含硫化氢、氢气、一氧化碳及有氯离子的介质，适用介质更加广泛。

5 设计计算

mm

MPa

壁厚合格。

2－0.6D MN2

JH 阀后密封比压：q o=P（0.6D MW2－D CH2+0.4D MN2）/8Rhcosψ

验算合格条件为：q MF＜q＜［q］

式中：q MF—密封面上必需的比压，MPa

［q］—密封面许用比压，MPa

ψ—球体与密封圈接触点与通道轴法向夹角，（°）

P—设计压力，MPa

D JH、D MN、D MW、R和h如图所示，设计给定。

5.3阀杆强度

阀杆力矩：M F= M QG+ M FT+ M ZC

式中：M F—阀杆力矩，N.mm

M QG—球体与阀座密封面间的磨擦力矩，N.mm

M QG = M QG1＋M QG2

M QG1—阀座对球体的预紧力产生的磨擦力矩，N.mm

M QG1 =π/4×（D MW2－D MN2）（1＋cosψ）q M F f M R

M QG2=πP f M R (D JH2－0.5D MN2－0.5D MW2)/δcosψ

M FT—填料与阀杆间的磨擦力矩(此种结构M FT近似为0)，N.mm

M ZC—轴承产生的磨擦力矩，N.mm

M ZC=π/8×D JH2P f Z d QJ

q M—球体最小预紧比压，

f M

f Z—轴承磨擦系数(取f Z=0.05

d QJ—阀杆直径,设计给定,mm

阀杆头部扭转剪切应力(图5)

式中：τN—

ω

ω=b3/4.8

β—系数

b—阀杆头正方形断面厚度(图

6 结语

硬密封固定球球阀是新一代高性能球阀，适用于长输管线和一般工业管线，其安全、耐恶劣环境性等在设计时均已进行了特殊考虑，用于各种

腐蚀性介质。它与浮动式球阀相比，工作时管道中阀前流体压力在球体上产生的作用力全部传递给了上、下轴承，球体不移动，阀门密封靠弹簧和介质压力推动阀座实现，因而阀座不会承受过大压力。所以，硬密封固定球球阀阀座变形小，操作力矩轻，密封可靠，使用寿命长，特别适用于高压、大口径的场合。随着化工行业进口装置的不断增大，采用大口径硬密封固定球球阀的厂家越来越多。该阀已成为各大化肥厂家选购球阀的首选阀门。