固定球閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算

李 超

（河北光德流體控制有限公司，滄州 061000）

球閥是指啟閉件（球體）由閥桿帶動(dòng)，并繞球閥軸線(xiàn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的閥門(mén)，它具有流體阻力小、密封性能好、使用壽命長(zhǎng)、操作方便、啟閉迅速等優(yōu)點(diǎn)。隨著石油、天然氣長(zhǎng)輸管線(xiàn)發(fā)展，材料和制造技術(shù)提高，管線(xiàn)球閥得到廣泛應(yīng)用。本文介紹支撐板結(jié)構(gòu)鍛鋼固定球閥設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 結(jié)構(gòu)特性

高壓大口徑鍛鋼固定球閥，一般采用三段式，便于加工和裝配。球體由上下支撐板固定，支撐板軸頸處設(shè)置滑動(dòng)軸承，軸承采用不銹鋼板作為基體，內(nèi)襯PTFE，摩擦阻力小，承載壓力高，保證球閥的低操作扭矩。介質(zhì)作用在球體上的力全部傳遞到支撐板上，閥桿只承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

2 密封條件

低壓時(shí)，靠彈簧力推動(dòng)密封圈壓緊球體，產(chǎn)生預(yù)緊比壓，實(shí)現(xiàn)低壓密封。一般最小預(yù)緊比壓qM=0.1P（p為介質(zhì)工作壓力），但不小于2MPa，對(duì)PTFE或卡普隆密封圈，qM≥1MPa。

圖1 低壓密封圖

如圖1所示，設(shè)單個(gè)圓柱彈簧剛度為P′，壓縮量為HT，單邊彈簧個(gè)數(shù)為n，則有：

式中，R為球體半徑，mm；bM為密封面接觸寬度，mm；β為密封面對(duì)中心的傾角，°；P為公稱(chēng)壓力，MPa。

高壓時(shí)，作用在閥座的介質(zhì)力與彈簧合力使密封圈與球體產(chǎn)生密封比壓，且密封部位的實(shí)際比壓必須等于或大于必需的密封比壓，這樣才能達(dá)到高壓密封。為保證密封的可靠性，考慮因密封圈過(guò)載造成的損壞，以及操作扭矩的加大和磨損加快，一般取qMF≤qS≤[q]，其中，qMF為密封的必需比壓，qS為密封的設(shè)計(jì)比壓，[q]為密封材料的許用比壓。

對(duì)于PTFE來(lái)說(shuō)，密封的必需比壓為：

對(duì)于中等硬度橡膠來(lái)說(shuō)，密封的必需比壓為：

密封面的設(shè)計(jì)比壓：

式中，DJH為進(jìn)口密封圈活塞外徑，mm；DMN為閥座密封面接觸內(nèi)徑，mm；DMW為閥座密封面接觸外徑，mm。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 扭矩的計(jì)算

按單向密封閥座（DBB），閥桿所受的總扭矩為：

式中，MM為閥座密封圈與球體的摩擦力矩，N·mm；MC為軸承的摩擦力矩，N·mm；MO為閥桿O形圈的摩擦力矩，N·mm；MT為閥桿填料的摩擦力矩，N·mm。

3.1.1 閥座密封圈與球體的摩擦力矩

閥座密封圈與球體的摩擦力矩為：

式中，MM1為閥座預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩，N·mm；MM2為由介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的摩擦力矩，N·mm。

式中，qM為球體最小預(yù)緊比壓，MPa；P為設(shè)計(jì)壓力，取公稱(chēng)壓力，MPa；fM為球體與密封面間摩擦系數(shù)；PTFE取fM=0.05，RPTFE取fM=0.08～0.15， 尼 龍 取fM=0.1～0.15，橡膠（無(wú)潤(rùn)滑）fM=0.3～0.4，橡膠（有潤(rùn)滑）fM=0.15。

3.1.2 軸承的摩擦力矩

軸承的摩擦力矩為：

式中，QC為在介質(zhì)壓力作用下，上下軸承受的總推力。

總推力QC的計(jì)算公式為：軸

承采用不銹鋼內(nèi)襯PTFE，最大承載壓力為100N/mm2，摩擦系數(shù)為0.03～0.18，由于軸承承受較大的徑向力，需對(duì)其面壓值qC進(jìn)行校核，qC＜[qC]，[qC]為接觸面許用面壓值，MPa。

設(shè)計(jì)軸承時(shí)，受壓面為軸承的投影面積，于是面壓值的計(jì)算公式為：

式中，hC為軸承高度，推薦hC=（0.4～0.6）dC，mm。

3.1.3 填料與閥桿的摩擦力矩

對(duì)石墨填料來(lái)說(shuō)，摩擦力矩為：

式中，fT為閥桿與填料的摩擦系數(shù)，取fT=0.05；hT為填料與閥桿的接觸高度，mm；dT為填料處閥桿直徑，mm。

對(duì)橡膠O形圈來(lái)說(shuō)，摩擦力矩為：

文化遺產(chǎn)包括分布于各地有具體形態(tài)的物質(zhì)遺產(chǎn)及無(wú)形的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，但無(wú)論何種形式都承載了不同民族、不同文化、不同時(shí)代的人文傳統(tǒng)，對(duì)它們的整理、開(kāi)發(fā)及利用能加強(qiáng)多民族、多元文化的溝通及交流，促進(jìn)我國(guó)與沿線(xiàn)各國(guó)的平等互信、合作共贏(yíng)及可持續(xù)發(fā)展。

式中，Z為O形圈個(gè)數(shù)，fo為橡膠對(duì)閥桿的摩擦系數(shù)，fo=0.3～0.4；do為O形圈的橫截面直徑，mm。

3.2 閥桿強(qiáng)度計(jì)算

3.2.1 閥桿與球體連接部分的計(jì)算

由于閥桿與球體連接部分是間隙配合，因此在接觸面上的比壓分布是不均勻的，如圖2所示。

圖2 閥桿與球體連接圖

由分析可知，計(jì)算可近似采用擠壓長(zhǎng)度LZY=0.3a，作用力矩的臂長(zhǎng)K=0.8a，則擠壓應(yīng)力σZ可以按式（14）計(jì)算：

式中，MM為閥座密封圈對(duì)球體的摩擦力矩，N·mm；a為設(shè)計(jì)給定的長(zhǎng)度，mm；h為閥桿頭部插入球體的深度，mm；[σZY]為球體材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa。

按等強(qiáng)度條件考慮，即擠壓應(yīng)力等于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，一般取h=（1.8～2.2）a，正方形時(shí)，a改為b。h不要取得過(guò)大，否則球體活動(dòng)性減小，為了減小擠壓應(yīng)力，需加大接觸面寬度。

對(duì)奧氏體不銹鋼：當(dāng)σb＜600 MPa時(shí)，取[σZY]=122 MPa或按式（15）計(jì)算：

圖3 閥桿強(qiáng)度校核圖

3.2.2 閥桿強(qiáng)度校核

如圖3所示，Ⅰ-Ⅰ斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：

式中，MM為閥座密封圈與球體的摩擦力矩，N·mm；[τN]為材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，MPa。

正方形端面的抗扭斷面系數(shù)為：

矩形斷面端面的抗扭斷面系數(shù)為：

式中，b為閥桿頭方形斷面邊長(zhǎng)，mm；a為閥桿頭矩形斷面厚度，mm，系數(shù)β可由表1查得。

表1 系數(shù)β與b/a的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Ⅱ-Ⅱ斷面處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：

式中，M為閥桿力矩，N·mm；WⅡ?yàn)棰?Ⅱ斷面的抗扭斷面系數(shù)，mm3。

式中，d1為閥桿Ⅱ-Ⅱ斷面處閥桿直徑，mm；b2為鍵槽寬度，mm；t為鍵槽深度，mm。

3.3 自泄式閥座體腔內(nèi)介質(zhì)壓力超壓釋放計(jì)算

體腔內(nèi)介質(zhì)壓力超過(guò)閥門(mén)額定值的1.33倍時(shí)，閥座自動(dòng)泄放的計(jì)算公式為：

3.4 球體直徑的確定

大口徑球體半徑一般按R=（0.745～0.775）d計(jì)算

對(duì)小口徑R取相對(duì)大值，反之取較小值。為了保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后，須按式（22）校核：

式中，Dmin為球體最小計(jì)算直徑，mm；DMW為閥座接觸面外徑，mm；d為球徑通道孔直徑，mm；D為球體實(shí)際直徑，mm；D＞Dmin。

對(duì)于大口徑球體，考慮閥桿與球體槽的配合間隙，驅(qū)動(dòng)裝置定位偏差及裝配精度，同時(shí)改善球體邊緣部分受力狀況，提高球體剛性。通常，球體密封有效區(qū)域要大于閥座密封面接觸外徑，保證球體在偏離正確關(guān)閉位置±1°～2°時(shí)球體表面仍能完全覆蓋閥座密封面，達(dá)到有效密封。

當(dāng)球體密封有效區(qū)域裕度為±1°時(shí)，則單邊裕度寬度（mm）為：

對(duì)于大口徑，高壓力級(jí)閥門(mén)的球體，應(yīng)作球體變形計(jì)算，這種變形足以引起密封失效。

3.5 支撐板兩邊定位銷(xiāo)直徑確定

支撐板定位銷(xiāo)主要承受來(lái)自球體及自身重量的剪切力作用，銷(xiāo)所受剪力為：

式中，GB、GQ分別是單件支撐板與球體質(zhì)量，N；dX為銷(xiāo)直徑，mm；Z為支撐板銷(xiāo)個(gè)數(shù)；[τ]為材料的需用剪切強(qiáng)度，MPa。

3.6 驅(qū)動(dòng)扭矩

考慮閥門(mén)不經(jīng)常開(kāi)關(guān)，低溫操作以及介質(zhì)雜質(zhì)對(duì)實(shí)際操作扭矩的增加而留有余量，通常取驅(qū)動(dòng)扭矩大于等于設(shè)計(jì)扭矩的2倍，即MQ≥2M，其中，MQ為驅(qū)動(dòng)扭矩，N·mm；M為閥桿所受的總扭矩，N·mm。

4 結(jié)語(yǔ)

采用支撐板固定球結(jié)構(gòu)，改善閥桿受力狀態(tài)，閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)只承受扭矩而不承受彎矩，閥門(mén)啟閉時(shí)扭矩減小，閥門(mén)使用壽命延長(zhǎng)，適用于大口徑高壓固定球閥及全焊接固定球閥。