高压球阀的结构分析与设计

    球阀由于具有启闭迅速、轻便、流体阻力小，便于气控和电控的特点，在各行业的管道上被广泛采用。近年来，由于材料和制造技术的发展，球阀已用于高温高压工况。本文将探讨一种适用于高压工况下的大口径球阀的结构设计。

一、结构分析

    球阀按其结构形式一般分为浮动球球阀（图1）和固定球球阀（图2）2种。当调节阀公称通径DN≥200mm时，一般采用固定式球阀。但是，当阀门公称通径DN≥200mm。且公称压力PN为1500磅级（25MPa），或为2500磅级（42MPa）时，图2所示的固定式球阀就不能正常工作。因为阀门受结构限制，阀杆不能设置防冲出结构。仅靠填料压盖上的螺栓防止阀杆因高压而冲出。由于压力很高，这样的结构其安全可靠性不好。另外，阀杆负荷过重。此结构的阀杆既受介质推力而产生弯矩，又要使球体旋转而产生扭矩。这样，阀杆的使用寿命大大降低。而介质压力很高使阀门所受推力很大，阀杆转动时所产生的摩擦力也很大，进而使阀门的开启扭矩也增大。

二、结构设计

    针对高压工况的需求，设计了大口径固定式球阀（图3）。为便于装配，阀体采用三段式结构。阀门上阀轴外增设定位轴套，使介质的推力由定位轴套承担，而上阀轴只承受扭应力。上阀轴与定位轴套间无摩擦。上阀轴还设有防冲台阶，定位轴套可防止上阀轴因介质压力过高而冲出。球体与定位轴套间设有滑动轴承，以减小摩擦力。滑动轴承以钢板为基体，表面烧结铅锡青铜合金，其厚度2.5mm，最高使用温度可达280℃。定位轴套与阀体间及上阀轴与定位轴套间均采用0形圈密封，球体与阀座密封圈之间的密封采用一般固定式球阀的密封结构，即阀前密封或是阀后密封。阀座材料根据介质压力及材料的许用比压选用尼龙或铜合金。

三、设计计算

    1、阀体壁厚

    阀体的计算厚度S_B′为

    式中  S_B′--计算厚度，mm
          P--计算压力，MPa
          D_m--计算内径，mm
          [σ_L]--许用拉应力，MPa
          C--腐蚀余量，mm

    当阀体实际厚度S_B≥S_B′时，强度合格。

    2、密封比压

    阀前密封比压q_i为

    阀后密封比压q₀为

    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
         φ--球体与密封圈接触点与通道轴法向夹角，（^o）
         p--设计压力，MPa

    D_JH、D_MN、D_MW、R、h和D_CH如图4所示，设计选定。

    3、阀杆强度

    阀杆力矩M_F为

    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摩擦力矩，N·mm
         M_QG=M_QG1+M_QG2
         M_QG1--阀座对球体的预紧力产生的摩擦力矩，N·mm

         M_QG2--由介质工作压力产生的摩擦力矩，N·mm

         M_FT--填料与阀杆间的摩擦力矩（此种结构MFT近似为0），N·mm
         M_ZC--轴承产生的摩擦力矩，N·mm

         q_M--球体最小预紧比压，MPa
         f_M--球体与密封面间摩擦系数（取f_M=0.05~0.1）
         f_Z--轴承摩擦系数（取f_Z=0.05~0.1）
         D_QJ--轴径，设计给定，mm

    阀杆端头扭转剪切应力（图5）τ_N为

    式中τ_N--阀杆端头扭转剪切应力，MPa
        ω--I-I断面抗转矩断面系数，mm³
        ω=βα³
        β-- 系数
        α-- 阀杆头矩形断面厚度（图6），mm

四、结论

    高压球阀的上阀轴处设置了定位轴套。由于定位轴套承担了介质的推力，使上阀轴处的密封性得以改善，又使上阀轴所承担的扭矩大为降低。它还可防止阀杆因介质压力过高而冲出。该阀适用于在温度<280℃，压力≥1500磅级（25MPa）且公称通径≥200mm工况下使用。

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