球阀的设计与计算.pdf
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球阀的设计与计算
一、球阀的设计 1.1 设计输入
即设计任务书。应明确阀门的具体参数（公称通径、公称压力、温度、介质、驱动方式等），使 用的条件和要求（如室内或室外安装、启闭频率等）及相关执行的标准（产品的设计与制造、结构 长度、连接型式、产品的检验与试验等） 1.2 确定阀门的主体材料和密封圈材料 1.3 确定阀门承压件的制造工艺方法 1.4 确定阀门的总体结构型式
2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2
35CrMoAlA、38CrMoAlA TDCoCr1-x
TDCr-Ni（含 Ni）
HB 80～95 HB 95～110
HB≥110 HB 120～170
HB 140～170
HB 200～300 HR 35～40
Hv 800～1000 HR 40～45 HB 280～320
式中：qMF：密封面上的必须比压（MPa） ① 可根据工作压力来计算，qMF =1.2P（适用于中低压通径不大场合） ② 由试验得出的经验公式计算：
qMF
=
m( a
+ cp ) b
式中：m:与流体性质有关的系数 对常温液体：m=1 对常温油品和空气、蒸汽以及高于 100℃的液体：m=1.4 对氢、氮及密封要求高的介质：m=1.8
1. 对阀门结构的确定: 一般如果压力不高,DN≤150 时,可优先采用浮动式结构,其优点是:结构简单 如果浮动球式结构满足不了需要时,应采用固定式结构或其它结构型式(如半球、撑开式…) 2. 对密封的材料的确定 由于球阀的使用受温度的影响很大,因此,密封的材料的选定很关键： ① 对使用温度≤300℃时,密封面材料可选择塑料类材料(如聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、尼
SFB-1，SFB-2，SFB-3 SFBN-1，SFBN-2，SFBN-3
[q] 密封面 间无 滑动
80 100 80 100
[MPa] 密封面 间有 滑动 20 25 25 35
150
40
250
45
300
80
250
80
250
80
5
4
20
15
40
30
注：钢和铜合金的牌号对于铸态和堆焊均适用。 2.3 球阀的转矩计算 2.3.1 浮动球阀总转矩计算
Dmin = D22 + d 2 （mm），应满足 D ＞ Dmin
式中： Dmin ：球体最小计算直径（mm）， D2 ：阀座接触面外径(mm)，d：球径通道孔直径（mm）
D：球体实际直径（mm）
二、球阀的计算
2.1 壁厚的确定 见闸阀相应的计算
2.2 球体与阀座之间比压的计算
应满足 qMF < q < [q]
其它符号：同前 MFT：填料与阀杆的摩擦力矩
① 对聚四氟乙烯成型填料 ： M FT = 0.6π f z h dF P （N·mm）
式中：f :阀杆与填料的摩擦系数。f =0.05
进口密封固定球球阀结构
q = P(2 W ) 8Rh cosϕ
式中：DJH：进口密封座导向外径 （mm） 设计给定 R： 球体半径 （mm） 设计给定 h： 密封面接触的宽度在水平方向的投影 （mm） h = l2-l1
式中l2 ，l1：球体中心至密封面的距离（mm）见图示 ③ 其它密封球阀，略 [q]：密封面材料的许用比压[MPa] 查下表
浮动球阀中，所有载荷由介质出口的阀座密封圈承受，总转矩由下式计算 MF = MQz + MFT + MMJ
式中：MQZ：球体在阀座中的摩擦力矩
MQZ=
π
(
DMW
+
) DMN 2 P R
32 cosϕ
f (1+ cosϕ )
（N·mm）
式中：f :球体与阀座的摩擦系数 对聚四氟乙烯：f=0.05 对增强聚四氟乙烯：f=0.08～0.15 对尼龙：f=0.1～0.15
密封面材料的许用比压 [q]
黄铜
青铜
奥氏体 不绣钢 马氏体 不绣钢 氮化钢 堆焊 合金 中硬 橡胶
F-4
尼龙
密封面材料
材料硬度
CuZn40Pb2，CuZn38Mn2Pb2，CuZn38 CuZn16Si4 CuAL10Fe3
CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2
1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti
a，c：与密封面材料有关的系数，见表所示
密封面材料
a
c
钢、硬质合金
3.5
1
聚四氟乙烯、尼龙
1.8
0.9
铜、铸铁
3.0
1
中硬橡胶
0.4
0.6
软橡胶
0.3
0.4
P ：流体的工作压力（MPa），设计给定
b :密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度
b= t ⋅ cosϕ （mm）
t :密封面宽度（mm），设计给定
φ ：密封面法向与流道中心线的夹角
q ：球阀密封比压（MPa）
① 对浮动球阀：（见图示）
q = (DMW + DMN )P 4(DMW − DMN )
式中：DMW ：阀座密封面外径（mm）设计给定 DMN ：阀座密封面内径（mm）设计给定 P ：介质工作压力（MPa）
② 对进口密封的固定球阀（见图示）
龙、对位聚苯) ② 当使用温度超过 300℃.或者介质代颗粒状时,密封面材料应选金属密封。 3．对球阀使用要求的确定
主要确定,球阀是否具有防火.防静电要求 4．对阀体型式确定
由于球阀公称通径适用的范围很广,其阀体型式也较为多样,一般分为以下三种： ① 整体式阀体
一般用于 DN≤50 的小通径阀门,此时,其材料多用棒材或厚壁管材直接加工击来,而对 口径较大时,多采用二体式、三体式或全焊接结构 ② 二体式结构由左右不对称的二个阀体组成，多采用铸造工艺方法 ③ 三体式结构由主阀体和左右对称的二个阀体组成,可采用铸造或锻造工艺方法 5．阀门通道数量(直通、三通、四通…) 6．选择弹性元件的形式 1.5 确定阀门的结构长度和连接尺寸 1.6 确定球体通道直径 d 球体通道直径应根据阀门在管道系统中的用途和性质决定，并要符合相关的设计标准或用户要 求。 球体通道直径分为不缩径和缩径二种： 不缩径：d 等于相关标准规定的阀体通道直径 缩径：一般 d=0.78 相关标准规定的阀体通道直径，此时，其过渡段最好设计为锥角过渡，以确 保流阻不会增大。 1.7 确定球体直径 球体半径一般按 R=（0.75～0.95）d 计算 对小口径 R 取相对大值，反之取较小值 为了保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径后，须按下式校核
一、球阀的设计 1.1 设计输入
即设计任务书。应明确阀门的具体参数（公称通径、公称压力、温度、介质、驱动方式等），使 用的条件和要求（如室内或室外安装、启闭频率等）及相关执行的标准（产品的设计与制造、结构 长度、连接型式、产品的检验与试验等） 1.2 确定阀门的主体材料和密封圈材料 1.3 确定阀门承压件的制造工艺方法 1.4 确定阀门的总体结构型式
2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2
35CrMoAlA、38CrMoAlA TDCoCr1-x
TDCr-Ni（含 Ni）
HB 80～95 HB 95～110
HB≥110 HB 120～170
HB 140～170
HB 200～300 HR 35～40
Hv 800～1000 HR 40～45 HB 280～320
式中：qMF：密封面上的必须比压（MPa） ① 可根据工作压力来计算，qMF =1.2P（适用于中低压通径不大场合） ② 由试验得出的经验公式计算：
qMF
=
m( a
+ cp ) b
式中：m:与流体性质有关的系数 对常温液体：m=1 对常温油品和空气、蒸汽以及高于 100℃的液体：m=1.4 对氢、氮及密封要求高的介质：m=1.8
1. 对阀门结构的确定: 一般如果压力不高,DN≤150 时,可优先采用浮动式结构,其优点是:结构简单 如果浮动球式结构满足不了需要时,应采用固定式结构或其它结构型式(如半球、撑开式…) 2. 对密封的材料的确定 由于球阀的使用受温度的影响很大,因此,密封的材料的选定很关键： ① 对使用温度≤300℃时,密封面材料可选择塑料类材料(如聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、尼
SFB-1，SFB-2，SFB-3 SFBN-1，SFBN-2，SFBN-3
[q] 密封面 间无 滑动
80 100 80 100
[MPa] 密封面 间有 滑动 20 25 25 35
150
40
250
45
300
80
250
80
250
80
5
4
20
15
40
30
注：钢和铜合金的牌号对于铸态和堆焊均适用。 2.3 球阀的转矩计算 2.3.1 浮动球阀总转矩计算
Dmin = D22 + d 2 （mm），应满足 D ＞ Dmin
式中： Dmin ：球体最小计算直径（mm）， D2 ：阀座接触面外径(mm)，d：球径通道孔直径（mm）
D：球体实际直径（mm）
二、球阀的计算
2.1 壁厚的确定 见闸阀相应的计算
2.2 球体与阀座之间比压的计算
应满足 qMF < q < [q]
其它符号：同前 MFT：填料与阀杆的摩擦力矩
① 对聚四氟乙烯成型填料 ： M FT = 0.6π f z h dF P （N·mm）
式中：f :阀杆与填料的摩擦系数。f =0.05
进口密封固定球球阀结构
q = P(2 W ) 8Rh cosϕ
式中：DJH：进口密封座导向外径 （mm） 设计给定 R： 球体半径 （mm） 设计给定 h： 密封面接触的宽度在水平方向的投影 （mm） h = l2-l1
式中l2 ，l1：球体中心至密封面的距离（mm）见图示 ③ 其它密封球阀，略 [q]：密封面材料的许用比压[MPa] 查下表
浮动球阀中，所有载荷由介质出口的阀座密封圈承受，总转矩由下式计算 MF = MQz + MFT + MMJ
式中：MQZ：球体在阀座中的摩擦力矩
MQZ=
π
(
DMW
+
) DMN 2 P R
32 cosϕ
f (1+ cosϕ )
（N·mm）
式中：f :球体与阀座的摩擦系数 对聚四氟乙烯：f=0.05 对增强聚四氟乙烯：f=0.08～0.15 对尼龙：f=0.1～0.15
密封面材料的许用比压 [q]
黄铜
青铜
奥氏体 不绣钢 马氏体 不绣钢 氮化钢 堆焊 合金 中硬 橡胶
F-4
尼龙
密封面材料
材料硬度
CuZn40Pb2，CuZn38Mn2Pb2，CuZn38 CuZn16Si4 CuAL10Fe3
CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2
1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti
a，c：与密封面材料有关的系数，见表所示
密封面材料
a
c
钢、硬质合金
3.5
1
聚四氟乙烯、尼龙
1.8
0.9
铜、铸铁
3.0
1
中硬橡胶
0.4
0.6
软橡胶
0.3
0.4
P ：流体的工作压力（MPa），设计给定
b :密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度
b= t ⋅ cosϕ （mm）
t :密封面宽度（mm），设计给定
φ ：密封面法向与流道中心线的夹角
q ：球阀密封比压（MPa）
① 对浮动球阀：（见图示）
q = (DMW + DMN )P 4(DMW − DMN )
式中：DMW ：阀座密封面外径（mm）设计给定 DMN ：阀座密封面内径（mm）设计给定 P ：介质工作压力（MPa）
② 对进口密封的固定球阀（见图示）
龙、对位聚苯) ② 当使用温度超过 300℃.或者介质代颗粒状时,密封面材料应选金属密封。 3．对球阀使用要求的确定
主要确定,球阀是否具有防火.防静电要求 4．对阀体型式确定
由于球阀公称通径适用的范围很广,其阀体型式也较为多样,一般分为以下三种： ① 整体式阀体
一般用于 DN≤50 的小通径阀门,此时,其材料多用棒材或厚壁管材直接加工击来,而对 口径较大时,多采用二体式、三体式或全焊接结构 ② 二体式结构由左右不对称的二个阀体组成，多采用铸造工艺方法 ③ 三体式结构由主阀体和左右对称的二个阀体组成,可采用铸造或锻造工艺方法 5．阀门通道数量(直通、三通、四通…) 6．选择弹性元件的形式 1.5 确定阀门的结构长度和连接尺寸 1.6 确定球体通道直径 d 球体通道直径应根据阀门在管道系统中的用途和性质决定，并要符合相关的设计标准或用户要 求。 球体通道直径分为不缩径和缩径二种： 不缩径：d 等于相关标准规定的阀体通道直径 缩径：一般 d=0.78 相关标准规定的阀体通道直径，此时，其过渡段最好设计为锥角过渡，以确 保流阻不会增大。 1.7 确定球体直径 球体半径一般按 R=（0.75～0.95）d 计算 对小口径 R 取相对大值，反之取较小值 为了保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径后，须按下式校核