一種改進的固定式軟密封管線球閥設計研究

黃軍本

（中國石油西部管道 甘肅輸油分公司，蘭州 730030）

1 概述

用長輸管線輸送氣、油等介質時，都具有量大、壓力大、材料要求高等特點。長輸管線在傳送流動介質時需要對它們進行控制，因而在管線上設置大量閥門。閥門的作用分兩種：1）各系統(tǒng)干線的出入口，開啟和關閉的作用；2）中部增壓站等，控制介質的輸送。目前閥門的種類較多，有平板閘閥、球閥、止回閥等。閥門的連接形式有法蘭和對接焊連接兩種。目前球閥由于其結構緊湊、密封性能好、開關速度快等優(yōu)點而被廣泛應用。如圖1所示為其中一種球閥。

球閥的組成一般有閥座、閥體、球體、閥桿和轉動裝置五部分。其中閥體的形式有：兩段式螺栓連接閥體、三段式螺栓連接閥體、全焊接式閥體和上裝式閥體。介質溫度范圍為-29℃～200℃；球閥的結構長度標準為API6D、API608；適合介質有石油、天然氣、煤氣等；操作方式為渦輪轉動、手動和電動等。

圖1 球閥圖片

1.1 工作原理

球閥就是用閥桿帶動圓形通道的球體繞軸線旋轉的閥門。主要負責接通和切斷流體通道，所以球閥一般是閉路閥，也可以用于控制和調節(jié)流體。球閥是一個有孔的球體，借助手柄等裝置在閥桿上施加轉矩使其沿著和通道的軸線垂直方向旋轉90度，完成分配、切斷或改變介質流向的管道和動作。近年來隨著其技術的發(fā)展，它又具備了節(jié)流和控制流量的作用。

1.2 球閥特點

球閥結構簡單、體積小、重量輕、密封性好和操作簡單，近些年來發(fā)展迅速，在各行業(yè)都得到廣泛應用，成為主導的閥門之一。

1）密封性能好： 大部分球閥的閥座選用彈性材料聚四氟乙烯等制造，緊急注脂的密封性較好，對密封表面的粗糙程度和表面的加工精度的要求也不高。

2）使用壽命長： 管線投入使用是不允許停止的，聚四氟乙烯的自潤滑性很好，對球體的磨損較小，加上先進的加工技術，使其粗糙度降低，延長其使用壽命。

3）流體阻力?。?球閥為全流量型，其管道內徑就是整個通道直徑，因此管內阻力很小，是所有閥門中流阻最小的一種。

4）開啟關閉方便迅速： 只要手柄轉動90°就能很輕松的控制球閥。

5）閥體內光滑平整： 對于輸送粘性流體、固體顆粒、漿液都很適宜。

2 球閥結構

下面具體介紹本文所選用的固定球球閥的結構，圖2為本文介紹的固定球球閥彈性閥座結構。

1）球體支撐結構形式

通常球閥按照球體的支撐方式可以分為有浮動球和固定球球閥兩種，而浮動球球閥的球體中并無支撐軸，球體的支撐依靠閥門進口、出口的閥座來控制。固定球球閥就具有支撐軸，相比浮動球球閥所能承受的重力要大得多，所以我們選擇固定球形式的球閥。固定式受壓后球體不會移動，而是浮動的閥座移動，使密封圈緊壓球閥，確保其密封性。

2）密封形式

這里我們選擇彈性密封閥座，這樣球體的彈力在介質壓力和彈簧預壓縮的雙重作用之下，能夠滿足密封力和密封比壓的要求，獲得較好的密封比壓。如圖1所示，在沿著閥門的通道橫截面周圍布置一組壓縮彈簧，作為其推力，這樣就能保持閥座和球體的預緊狀態(tài)。

3）減速器的結構

考慮到軸減速器在球閥中的形式以及其安裝的位置，考慮用體積較小、傳動比大的蝸輪-蝸桿減速器，球閥球體只需要旋轉90°，用扇形的蝸輪來取代全蝸輪減速器。

4）軸承端蓋的結構

軸承端蓋也是十分重要的一個零件，用途廣泛。主要用作軸承外圈的固定、防塵和密封、調節(jié)軸承間隙并承受軸向力，使得主軸箱平穩(wěn)轉動。它可分為嵌入式和凸緣式，選擇凸緣式軸承端蓋效果更好，密封性能好，調整軸承間隙方便。

圖2 固定球球閥彈性閥座

3 設計過程

3.1 設計規(guī)范

按照上面關于球閥的介紹，依據(jù)GB12221-2005決定用PN40、DN500來做球閥金屬閥門結構長度，其結構長度l=1250mm,由計算確定鋼質閥體的壁厚最小t=30mm；球閥連接法蘭的尺寸為D=755mm，d=500mm；球閥力Q=247793.7N，彈簧的預緊力Q1=35168N；驅動裝置的輸出轉矩M=7701348N/mm，選擇蝸輪-蝸桿傳動作為減速器；用聯(lián)軸器連接驅動裝置和閥桿。此外還需要增加防靜電裝置、防火裝置、緊急注脂等，滿足特殊場合下使用的要求。

3.2 強度計算及材料

1）計算密封力

預緊力不但確保低壓球閥的密封性，同時補充流體作用力，確保使用時高壓球閥的密封性。固定球球閥的預緊力靠彈性元件達到。

（2）彈簧預緊力Q1的計算:

公式中，qmin為最小比壓，qmin=0.1Mpa。D1、D2分別表示閥座的內徑和外徑。

（3）計算閥座滑動摩擦力Q2：

公式中，d1為支座的外徑；為0形圈開始彈性壓縮在接觸面上的摩擦力；F0為0形圈在流體壓力下的摩擦力。

2）球閥轉矩的計算

計算球體和閥座密封圈摩擦轉矩的公式：

滑動或者滾動軸承能夠降低球閥旋轉時所產(chǎn)生的巨大摩擦力。軸承的結構和軸頸連接方式，由球閥的通徑、壓力、工作介質等因素決定。軸承摩擦轉矩Mc的公式：

3）主要零部件的校核

校核的范圍包括牙嵌式離合器的強度、閥桿的強度、鍵的強度、中法蘭用雙頭螺栓的強度。

4）選擇球閥材料

選擇球閥的材料要考慮到球閥的具體用途和使用所需的條件。主要考慮介質的溫度、介質的腐蝕性、輸送介質的性質等方面。本文中選擇球體A105，側閥體和中閥體為WCB，閥桿、蝸桿軸、蝸輪軸選擇40Cr，蝸輪的輪轂型號為TH200、輪芯型號為ZCuSn10P1，軸承端蓋采用HT150，減速器的箱體選用HT250。

4 未來發(fā)展趨勢

管線球閥今后的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)為：1）大型化管線球閥的大型化將帶去更大的經(jīng)濟效益。2）高耐腐蝕材料閥門技術的發(fā)展，要求高強度的耐腐蝕材料與之適應 。3）多重密封結構閥門想要更長的使用壽命，需要多重復合材料。4）快速關閉及高可靠性。 5）高自動化能夠預知事故的發(fā)生，緊急關斷球閥。

5 結束語

本文設計的對象為管線球閥，球閥由于開關迅速、阻力小、密封性好等特點而被廣泛采用。對于球閥的球體支撐結構、密封形式、減速器等進行了詳細設計，確定了結構較好的固定式軟密封球閥，并給出了結構圖；又詳細給出了零件所用材料和強度校核的計算。最后指出了球閥今后的發(fā)展趨勢。這種球閥結構合理，性能較好，能夠滿足長輸管線的要求。

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