固定球閥的設計與計算

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，并繞球閥軸線作旋轉運動的閥門，它具有流體阻力小、密封性能好、使用壽命長、操作方便、啟閉迅速等優點。隨著石油、天然氣長輸管線發展，材料和制造技術提高，管線球閥得到廣泛應用。本文介紹支撐板結構鍛鋼固定球閥設計計算。

1 結構特性

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，支撐板軸頸處設置滑動軸承，軸承采用不銹鋼板作為基體，內襯PTFE，摩擦阻力小，承載壓力高，保證球閥的低操作扭矩。介質作用在球體上的力全部傳遞到支撐板上，閥桿只承受扭轉應力。

2 密封條件

低壓時，靠彈簧力推動密封圈壓緊球體，產生預緊比壓，實現低壓密封。一般最小預緊比壓qM=0.1P（p為介質工作壓力），但不小于2MPa，對PTFE或卡普隆密封圈，qM≥1MPa。

圖1 低壓密封圖

如圖1所示，設單個圓柱彈簧剛度為P′，壓縮量為HT，單邊彈簧個數為n，則有：

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

高壓時，作用在閥座的介質力與彈簧合力使密封圈與球體產生密封比壓，且密封部位的實際比壓必須等于或大于必需的密封比壓，這樣才能達到高壓密封。為保證密封的可靠性，考慮因密封圈過載造成的損壞，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為密封的設計比壓，[q]為密封材料的許用比壓。

對于PTFE來說，密封的必需比壓為：

對于中等硬度橡膠來說，密封的必需比壓為：

密封面的設計比壓：

式中，DJH為進口密封圈活塞外徑，mm；DMN為閥座密封面接觸內徑，mm；DMW為閥座密封面接觸外徑，mm。

3 設計計算

3.1 扭矩的計算

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為閥座預緊力產生的摩擦力矩，N·mm；MM2為由介質工作壓力產生的摩擦力矩，N·mm。

式中，qM為球體最小預緊比壓，MPa；P為設計壓力，取公稱壓力，MPa；fM為球體與密封面間摩擦系數；PTFE取fM=0.05，RPTFE取fM=0.08～0.15， 尼 龍 取fM=0.1～0.15，橡膠（無潤滑）fM=0.3～0.4，橡膠（有潤滑）fM=0.15。

3.1.2 軸承的摩擦力矩

軸承的摩擦力矩為：

式中，QC為在介質壓力作用下，上下軸承受的總推力。

總推力QC的計算公式為：軸

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

設計軸承時，受壓面為軸承的投影面積，于是面壓值的計算公式為：

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

對石墨填料來說，摩擦力矩為：

式中，fT為閥桿與填料的摩擦系數，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。

對橡膠O形圈來說，摩擦力矩為：

文化遺產包括分布于各地有具體形態的物質遺產及無形的非物質文化遺產，但無論何種形式都承載了不同民族、不同文化、不同時代的人文傳統，對它們的整理、開發及利用能加強多民族、多元文化的溝通及交流，促進我國與沿線各國的平等互信、合作共贏及可持續發展。

式中，Z為O形圈個數，fo為橡膠對閥桿的摩擦系數，fo=0.3～0.4；do為O形圈的橫截面直徑，mm。

3.2 閥桿強度計算

3.2.1 閥桿與球體連接部分的計算

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，計算可近似采用擠壓長度LZY=0.3a，作用力矩的臂長K=0.8a，則擠壓應力σZ可以按式（14）計算：

式中，MM為閥座密封圈對球體的摩擦力矩，N·mm；a為設計給定的長度，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力，MPa。

按等強度條件考慮，即擠壓應力等于扭轉應力，一般取h=（1.8～2.2）a，正方形時，a改為b。h不要取得過大，否則球體活動性減小，為了減小擠壓應力，需加大接觸面寬度。

對奧氏體不銹鋼：當σb＜600 MPa時，取[σZY]=122 MPa或按式（15）計算：

圖3 閥桿強度校核圖

3.2.2 閥桿強度校核

如圖3所示，Ⅰ-Ⅰ斷面處的扭轉應力為：

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

正方形端面的抗扭斷面系數為：

矩形斷面端面的抗扭斷面系數為：

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

表1 系數β與b/a的對應關系

Ⅱ-Ⅱ斷面處的扭轉應力為：

式中，M為閥桿力矩，N·mm；WⅡ為Ⅱ-Ⅱ斷面的抗扭斷面系數，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 自泄式閥座體腔內介質壓力超壓釋放計算

體腔內介質壓力超過閥門額定值的1.33倍時，閥座自動泄放的計算公式為：

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計算

對小口徑R取相對大值，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為球體實際直徑，mm；D＞Dmin。

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

當球體密封有效區域裕度為±1°時，則單邊裕度寬度（mm）為：

對于大口徑，高壓力級閥門的球體，應作球體變形計算，這種變形足以引起密封失效。

3.5 支撐板兩邊定位銷直徑確定

支撐板定位銷主要承受來自球體及自身重量的剪切力作用，銷所受剪力為：

式中，GB、GQ分別是單件支撐板與球體質量，N；dX為銷直徑，mm；Z為支撐板銷個數；[τ]為材料的需用剪切強度，MPa。

3.6 驅動扭矩

考慮閥門不經常開關，低溫操作以及介質雜質對實際操作扭矩的增加而留有余量，通常取驅動扭矩大于等于設計扭矩的2倍，即MQ≥2M，其中，MQ為驅動扭矩，N·mm；M為閥桿所受的總扭矩，N·mm。

4 結語

采用支撐板固定球結構，改善閥桿受力狀態，閥桿轉動時只承受扭矩而不承受彎矩，閥門啟閉時扭矩減小，閥門使用壽命延長，適用于大口徑高壓固定球閥及全焊接固定球閥。