一种改进的固定式软密封管线球阀设计研究

    用长输管线输送气、油等介质时，都具有量大、压力大、材料要求高等特点。长输管线在传送流动介质时需要对它们进行控制，因而在管线上设置大量阀门。阀门的作用分两种：1）各系统干线的出入口，开启和关闭的作用；2）中部增压站等，控制介质的输送。目前阀门的种类较多，有平板闸阀、球阀、止回阀等。阀门的连接形式有法兰和对接焊连接两种。目前球阀由于其结构紧凑、密封性能好、开关速度快等优点而被广泛应用。如图1所示为其中一种球阀。

图1 球阀图片

    球阀的组成一般有阀座、阀体、球体、阀杆和转动装置五部分。其中阀体的形式有：两段式螺栓连接阀体、三段式螺栓连接阀体、全焊接式阀体和上装式阀体。介质温度范围为-29℃~200℃；球阀的结构长度标准为API6D、API608；适合介质有石油、天然气、煤气等；操作方式为涡轮转动、手动和电动等。

    1.1 工作原理

    球阀就是用阀杆带动圆形通道的球体绕轴线旋转的阀门。主要负责接通和切断流体通道，所以球阀一般是闭路阀，也可以用于控制和调节流体。球阀是一个有孔的球体，借助手柄等装置在阀杆上施加转矩使其沿着和通道的轴线垂直方向旋转90度，完成分配、切断或改变介质流向的管道和动作。近年来随着其技术的发展，它又具备了节流和控制流量的作用。

    1.2 球阀特点

    球阀结构简单、体积小、重量轻、密封性好和操作简单，近些年来发展迅速，在各行业都得到广泛应用，成为主导的阀门之一。

    1）密封性能好：大部分球阀的阀座选用弹性材料聚四氟乙烯等制造，紧急注脂的密封性较好，对密封表面的粗糙程度和表面的加工精度的要求也不高。

    2）使用寿命长：管线投入使用是不允许停止的，聚四氟乙烯的自润滑性很好，对球体的磨损较小，加上先进的加工技术，使其粗糙度降低，延长其使用寿命。

    3）流体阻力小：球阀为全流量型，其管道内径就是整个通道直径，因此管内阻力很小，是所有阀门中流阻最小的一种。

    4）开启关闭方便迅速：只要手柄转动90°就能很轻松的控制球阀。

    5）阀体内光滑平整：对于输送粘性流体、固体颗粒、浆液都很适宜。

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    2 球阀结构

    下面具体介绍本文所选用的固定球球阀的结构，图2为本文介绍的固定球球阀弹性阀座结构。

图2 固定球球阀弹性阀座

    1）球体支撑结构形式

    通常球阀按照球体的支撑方式可以分为有浮动球和固定球球阀两种，而浮动球球阀的球体中并无支撑轴，球体的支撑依靠阀门进口、出口的阀座来控制。固定球球阀就具有支撑轴，相比浮动球球阀所能承受的重力要大得多，所以我们选择固定球形式的球阀。固定式受压后球体不会移动，而是浮动的阀座移动，使密封圈紧压球阀，确保其密封性。

    2）密封形式

    这里我们选择弹性密封阀座，这样球体的弹力在介质压力和弹簧预压缩的双重作用之下，能够满足密封力和密封比压的要求，获得较好的密封比压。如图1所示，在沿着阀门的通道横截面周围布置一组压缩弹簧，作为其推力，这样就能保持阀座和球体的预紧状态。

    3）减速器的结构

    考虑到轴减速器在球阀中的形式以及其安装的位置，考虑用体积较小、传动比大的蜗轮-蜗杆减速器，球阀球体只需要旋转90°，用扇形的蜗轮来取代全蜗轮减速器。

    4）轴承端盖的结构

    轴承端盖也是十分重要的一个零件，用途广泛。主要用作轴承外圈的固定、防尘和密封、调节轴承间隙并承受轴向力，使得主轴箱平稳转动。它可分为嵌入式和凸缘式，选择凸缘式轴承端盖效果更好，密封性能好，调整轴承间隙方便。

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    3 设计过程

    3.1 设计规范

    按照上面关于球阀的介绍，依据GB12221-2005决定用PN40、DN500来做球阀金属阀门结构长度，其结构长度l=1250mm，由计算确定钢质阀体的壁厚最小t=30mm；球阀连接法兰的尺寸为D=755mm，d=500mm；球阀力Q=247793.7N，弹簧的预紧力Q1=35168N；驱动装置的输出转矩M=7701348N/mm，选择蜗轮-蜗杆传动作为减速器；用联轴器连接驱动装置和阀杆。此外还需要增加防静电装置、防火装置、紧急注脂等，满足特殊场合下使用的要求。

    3.2 强度计算及材料

    1）计算密封力

    （1）流体压力在阀座密封面上引起的作用力Q₀：

    Q_MJ为流体静压力在阀座密封面的作用力。

    Q_J为流体静压力在密封面余隙中的作用力；

    预紧力不但确保低压球阀的密封性，同时补充流体作用力，确保使用时高压球阀的密封性。固定球球阀的预紧力靠弹性元件达到。

    （2）弹簧预紧力Q₁的计算：

    公式中，qmin为最小比压，qmin=0.1Mpa。D1、D2分别表示阀座的内径和外径。

    （3）计算阀座滑动摩擦力Q₂：

    公式中，d₁为支座的外径；F'0为0形圈开始弹性压缩在接触面上的摩擦力；F0为0形圈在流体压力下的摩擦力。

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    2）球阀转矩的计算

    计算球体和阀座密封圈摩擦转矩的公式：

    滑动或者滚动轴承能够降低球阀旋转时所产生的巨大摩擦力。轴承的结构和轴颈连接方式，由球阀的通径、压力、工作介质等因素决定。

    轴承摩擦转矩Mc的公式：

    公式中，Q_C为轴承的径向作用力，Q_C=π/4•d₁²p固定球球阀，预紧力和阀座摩擦力对轴承的总推力相互抵消。

    3）主要零部件的校核

    校核的范围包括牙嵌式离合器的强度、阀杆的强度、键的强度、中法兰用双头螺栓的强度。

    4）选择球阀材料

    选择球阀的材料要考虑到球阀的具体用途和使用所需的条件。主要考虑介质的温度、介质的腐蚀性、输送介质的性质等方面。本文中选择球体A105，侧阀体和中阀体为WCB，阀杆、蜗杆轴、蜗轮轴选择40Cr，蜗轮的轮毂型号为TH200、轮芯型号为ZCuSn10P1，轴承端盖采用HT150，减速器的箱体选用HT250。

    4 未来发展趋势

    管线球阀今后的发展趋势呈现为：1）大型化管线球阀的大型化将带去更大的经济效益。2）高耐腐蚀材料阀门技术的发展，要求高强度的耐腐蚀材料与之适应。3）多重密封结构阀门想要更长的使用寿命，需要多重复合材料。4）快速关闭及高可靠性。5）高自动化能够预知事故的发生，紧急关断球阀。

    5 结束语

    本文设计的对象为管线球阀，球阀由于开关迅速、阻力小、密封性好等特点而被广泛采用。对于球阀的球体支撑结构、密封形式、减速器等进行了详细设计，确定了结构较好的固定式软密封球阀，并给出了结构图；又详细给出了零件所用材料和强度校核的计算。最后指出了球阀今后的发展趋势。这种球阀结构合理，性能较好，能够满足长输管线的要求。