四、设计理念 长输管线严酷的自然条件从北极圈-70C°到赤道沙漠＋70C°的温度；经受地震、地基沉降、泥石流、滑坡、洪水等自然灾害；地下水的电位腐蚀、含硫介质的应力腐蚀等均是造成事故的诱发因素。城市管网爆炸已常见不鲜，自然灾害而造成的管线破坏也常有报道，如汉城城市天然气管网破裂引起大火，在国内如1984年铁秦管线，因连日暴雨，秦皇岛大石河水库开闸，冲断输油管线，3000吨原油流入大海；1996年马惠线，环江上游洪水暴发，冲断管线，1000吨原油泄漏。根据《Pipeline》杂志，Sealweld公司估计，一只36”管线
球阀的价格约45，000～65，000美元，故障需排尽上游端和下游端管线的天然气损失约50，000～100，000美元。因此，管线球阀的设计和制造，对安全性和可靠性的强调，无论如何亦不为过分。而且这一理念应贯彻在产品设计，工艺规范，零件加工，型式试验，产品试验，质量控制，售后服务的全过程。
管线球阀的设计理念最根本的是安全和可靠性。无论是长输管线或者是城市管网都是能源的供给线，是一条国家经济命脉线。全球性的地下输油、输气管线和管网就象地上输配电网一样，是城市工业和民用赖以生存的基础，没有这条能源供给线现代化城市功能立即停止。
五、设计 1、阀体 可分为全焊接阀体设计和分体式阀体设计。
全焊接阀体设计有筒状结构和球状结构，筒状结构是双焊缝，焊接过程热量输入大，残余应力复杂，轴向和径向变形大。球状结构Cameron公司是四条焊缝拼接，现在由于工艺技术进步，采用左右阀体热锻压成型，可中间单焊缝焊接成型，减少线能量输入，降低轴向和径向变形。
分体式结构一般由阀体和左右连接体组成。连接体与阀体由螺栓连接，连接法兰厚度与螺栓的连接强度应按与阀体内径相当的法兰进行类比设计，其连接强度必须防止管道应力而产生连接松弛，使密封失效。阀体与连接体面对面接触，中间无间隙。密封必须满足失火安全要求，采用橡胶“O”型圈与缠绕式金属垫组合密封。如图（五）所示。
图（五）阀体与连接体防火结构
阀体的材料为锻件温度-29C°以上选用ASTMA105；-29C°以下选用ASTM A350LF2。对于焊接阀体，对A105或LF2材料的化学成分、含碳量、碳当量以及硫、磷等元素应另有特殊限制。锻件按三级锻件标准验收，做100％无损探伤，焊缝处做着色检查和超声波探伤。
2、密封座与密封 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、PTFE塑料、尼龙、PEEK等软密封作为次级密封，以保证“零”级泄漏，如图（六）所示。但由于管线中的异物的意外导入对软密封材料的损坏，管线球阀均设有紧急密封剂的注入系统，以获得暂时性的密封要求。
图（六）组合密封结构
密封用的橡胶圈有圆形、三角形或其他特殊形状。每一公司都有自己的设计结构和工艺措施，防止橡胶圈在开关过程中被吹出（Blowout）或切坏。对于Class900磅级以上，应选用防爆降压(AED)特性的材料作为O型圈材料。图（七）压力自泄放密封座结构
PTFE的密封圈一般采用筒状镶嵌式结构，亦可做成倒钩状组合式结构，旨在保证密封圈不被吹出而导致密封失效。
密封座材料与阀体材料相同，化学镀镍有弹簧加载以保证初始密封比压，弹簧可采用螺旋弹簧，板弹簧或碟形弹簧，材料为InconelX－750。
进口端和出口端阀座采用对称双向密封设计。这种活塞式的介质自密封结构，按照客户需要可设计成“单活塞效应”（Singlepiston action），压力自泄放密封座结构（图七）和“双活塞效应”（Double Pistoneffect）双重密封结构。（图八）
图（八）“双活塞效应”（Double Piston effect）双重密封结构
单活塞效应即进口端密封，出口端腔体压力自动排放。
图（九）阀杆与填料结构
3、球体与支承轴 管线球阀口径（2”或2”以上）大都采用支承球、浮动阀座结构（Trunnion mounted Ball and FloatingSeat）。作用在球体上的介质力有两个滑动轴承支撑，对于高压、大口径，这一轴向推力可达到几十吨至几百吨，滑动轴的比压必须进行计算，其许用比压不能超过供货商提供的滑动轴套许用比压。许多公司都用不锈作为基体，内衬PTFE塑料，这种轴承套承载比压可达200～400Mpa，许用比压取100～200Mpa，且摩擦系数低，可降低球阀的操作扭矩。
支承轴的设计，一种是在球上车削成上下轴颈，并用二个上下支撑板支承，中间内置由PTFE内衬的不锈钢轴套，支承轴长度L与轴颈d之比，由于结构限制取L/d=0.4~0.8。另一种设计是球体车削成内孔，上下由二个支承轴，支承在阀体上，这种设计一般L/d=1.2~2.。这二种结构，前者由于轴颈粗而短，所以球阀的阻力矩较大，而后者的上支承轴，同时又是传动扭矩的阀杆，所以是处于复合的受力状态，支承轴（阀杆）的材料可选用ANSI 4140并需化学镀镍。阀杆与球体扭矩的传递可用单键、双键、花键连接，亦有直接连接装配后与球体焊接的结构设计。
球体的加工精度，圆度≤0.005mm，化学镀镍，镀层厚度高于阀座的镀层。
对于大口径，高压力级
调节阀的球体，应作球体变形计算，这种变形足以引起密封失效。
4、阀杆与填料 标准的阀杆安全设计应防止在工作压力下被“吹出”，阀杆上防吹出的凸缘处置一环状环，以减少摩擦系数。填料可采用二级“O”形圈密封，亦可采用皮碗形用PTFE加工的填料，并有失火安全石墨填料和紧急状态下外部密封剂的注入系统。在阀杆与球体接合部以及阀杆与阀体接触处应有一防静电机构，防止静电在球体上集聚，如图（九）所示。
5、直埋地下 直埋地下的
阀门为全焊接阀体管线球阀，阀杆按客户要求接长，阀杆接长部分设计应牢固，能抗地面承载，所有阀体上的连接管、密封剂注入器，底部排泄阀、安全泄放装置均接至地表，接管与阀体焊接。接长杆的设计，其长轴的绕曲和传动链结合部的间隙应予控制，防止开关过程中，球体不能准确地处于关或开的位置，造成传动失误。
6、范围 按API标准6D，以及制造厂的装备能力，产品的供货范围：
Class100－600磅级 DN1/2”-60”
Class900磅级 DN1/2”-36”
Class1500磅级 DN1/2”-16”
Class2500磅级 DN1/2”-12”
在特殊场合，国外供货商可提供
Class150－600磅级 最大口径至DN72”
Class900磅级 最大口径至DN40”
Class1500磅级 最大口径至DN36”
Class2500磅级 最大口径至DN24”
7、DBB功能设计
DBB功能设计是指无论是阀门处于开启或关闭状态，阀腔泄压排放时，上游端和下游端阀座应同时截止（Double Block& Bleed），并允许从排泄阀处对在线阀门进行阀座密封性能测试，而不影响管线运行。
8、紧急密封系统的设计 紧急密封系统由注射器（Injector）和
止回阀(CheckValve)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，密封剂注射前要进行清洁和冲洗，有专门生产的清洁剂和密封脂，用手动或电动的工具将清洗剂或密封脂从注射器口注入，并按供货商所提供的使用说明进行清洁和紧急密封操作。（如图十）
图（十）注射器与止回阀
失火安全与防静电设计已在支承轴、密封座章节中予以说明，防静电结构设计，在24VDC下测定，电阻值不超过10欧姆。
9、失火安全与防静电设计
阀体连接螺栓用ASTMA 193 B7材料制造，螺母用ASTM () 制造，并符合NACE-TM0284规定，客户可以要求作着色试验，按ASME第V篇24款进行。
双活塞效应即进口端、出口端同时密封，无论是气体介质或液体介质，腔体必须设有
安全阀，以保证压力泄放。
单活塞效应和双活塞效应设计的阀座，其腔体压力排放是有区别的。双活塞效应设计是腔体压力超过压力等级相应的压力值的1.33倍时排放，且排放至大气环境。而单活塞效应的设计则是只要腔体压力大于下游端管线压力就自动排放至下游管线。因此，一般公司把单活塞效应产品作为标准产品，双活塞效应产品作为选项产品。
设置安全阀时，安全阀口径应≥1/2”，泄放压力≤1.33倍额定压力。阀座与连接体配合处应有失火安全设计，与阀座配合处连接体内表面应局部化学镀镍。
10、阀门的操作 阀门的操作，有手动、蜗轮传动、气动（双作用或弹簧复位），高压气动（直接使用管线气体）、电动、液动（双作用或弹簧复位）以及气液联动。气液联动可实施本地和远程控制，与卫星遥控的SCADA系统相配合，当下游压力降的速率或持续时间超多设定值时，（即管线爆裂），紧急
切断阀自动截断，并带有救急性的蓄压器，供手动操作。
11、端部设计 连接端按客户要求，有法兰连接端和焊接端。
法兰连接端应带凸面或环形槽，其尺寸、公差与光洁度、以及打孔、法兰面，锪孔、倒孔等应按下列标准
DN600及其以下，按ASME B16.5，其中DN550按MSS-SP44；
DN650以上按ASME B16.47中A系列
焊接端应按ASMEB31.4中434.8.6节图（1）、（2）或ASME B31.8中图（14）和（15）。
六、数值仿真技术 采用有限元分析的数值仿真技术作为管线球阀的辅助设计是必要的，对于复杂应力状态，复杂的焊接工艺过程，可为设计和焊接工艺优化提供有力的论证，下列零件的设计与制造可以进行数值仿真：
1、全焊接阀体管线球阀阀体的应力分析
2、分体式管线球阀阀体及连接螺栓应力分析
3、全焊接阀体焊接过程的温度场分布，焊接残余应力分布，焊接轴向变形和径向变形预测，如图（十一）所示；
（a）阀门轴向变形 （b）阀门径向变形
图（十一）固有应变法计算焊接变形
4、焊接过程对支撑板受力状态的影响，如图（十二）所示；
图（十二）支撑板应力分布
5、球体的变形预测，尤其对于大口径、高压力级在介质力作用下球体可能发生变形，这种变形应控制在加工圆度的公差范围内，如图（十三）所示；
图（十三）额定压力下球体弹性变形
6、全焊接阀体球阀强度分析，如图（十四）所示；
（a）筒型全焊接阀门强度 （b）仿球形全焊接阀门强度
图（十四） 阀门强度分析
7、扭矩传递系统设计与故障失效分析。
8、对于快速启闭球阀（<0.5秒）传动轴的动应力分析。
9、全焊接球形阀体结构的上下支承轴承受弯矩和扭矩的复合载荷作用，应作应力分析。
