1 概述

    球閥由于具有啟閉迅速、輕便、流體阻力小，便于氣控和電控的特點，在各行業(yè)的管道上被廣泛采用。近年來，由于材料和制造技術的發(fā)展，球閥已用于高溫高壓工況。本文探討一種適用于高壓工況下的大口徑球閥的結構設計。

    2 分析

    球閥按其結構形式一般分為浮動球球閥（圖1）和固定球球閥（圖2）2種。當閥門公稱通徑DN≥200mm時，一般采用固定式球閥。但是，當閥門公稱通徑DN≥200mm。且公稱壓力PN為1500磅級（25MPa），或為2500磅級（42MPa）時，圖2所示的固定式球閥就不能正常工作。因為閥門受結構限制，閥桿不能設置防沖出結構。僅靠填料壓蓋上的螺栓防止閥桿因高壓而沖出。由于壓力很高，這樣的結構其安全可靠性不好。另外，閥桿負荷過重。此結構的閥桿既受介質推力而產生彎矩，又要使球體旋轉而產生扭矩。這樣，閥桿的使用壽命大大降低。而介質壓力很高使閥門所受推力很大，閥桿轉動時所產生的摩擦力也很大，進而使閥門的開啟扭矩也增大。

    3 結構設計

    針對高壓工況的需求，設計了大口徑固定式球閥（圖3）。為便于裝配，閥體采用三段式結構。閥門上閥軸外增設定位軸套，使介質的推力由定位軸套承擔，而上閥軸只承受扭應力。上閥軸與定位軸套間無摩擦。上閥軸還設有防沖臺階，定位軸套可防止上閥軸因介質壓力過高而沖出。球體與定位軸套間設有滑動軸承，以減小摩擦力。滑動軸承以鋼板為基體，表面燒結鉛錫青銅合金，其厚度2.5mm，使用溫度可達280℃。定位軸套與閥體間及上閥軸與定位軸套間均采用0形圈密封，球體與閥座密封圈之間的密封采用一般固定式球閥的密封結構，即閥前密封或是閥后密封。閥座材料根據介質壓力及材料的許用比壓選用尼龍或銅合金。

    4 設計計算

    4.1 閥體壁厚

    閥體的計算厚度S_B′為

    式中  S_B′－－計算厚度，mm
          P－－計算壓力，MPa
          D_m－－計算內徑，mm
          [σ_L]－－許用拉應力，MPa
          C－－腐蝕余量，mm

    當閥體實際厚度S_B≥S_B′時，強度合格。

    4.2 密封比壓

    閥前密封比壓q_i為

    閥后密封比壓q₀為

    驗算合格條件為q_MF<q<[q]

    式中 q_MF－－密封面上必需的比壓，MPa
         [q]－－密封面許用比壓，MPa
         φ－－球體與密封圈接觸點與通道軸法向夾角，（^o）
         p－－設計壓力，MPa

    D_JH、D_MN、D_MW、R、h和D_CH如圖4所示，設計選定。

    4.3 閥桿強度

    閥桿力矩M_F為

    M_F=M_QG+M_FT+M_ZC

    式中 M_F －－ 閥桿力矩，N·mm
         M_QG－－ 球體與閥座密封面間的摩擦力矩，N·mm
         M_QG=M_QG1+M_QG2
         M_QG1－－閥座對球體的預緊力產生的摩擦力矩，N·mm

         M_QG2－－由介質工作壓力產生的摩擦力矩，N·mm

         M_FT－－填料與閥桿間的摩擦力矩（此種結構MFT近似為0），N·mm
         M_ZC－－軸承產生的摩擦力矩，N·mm

         q_M－－球體*小預緊比壓，MPa
         f_M－－球體與密封面間摩擦系數（取f_M=0.05~0.1）
         f_Z－－軸承摩擦系數（取f_Z=0.05~0.1）
         D_QJ－－軸徑，設計給定，mm

    閥桿端頭扭轉剪切應力（圖5）τ_N為

    式中τ_N－－閥桿端頭扭轉剪切應力，MPa
        ω－－I-I斷面抗轉矩斷面系數，mm³
        ω=βα³
        β－－ 系數
        α－－ 閥桿頭矩形斷面厚度（圖6），mm

    5 結語

    高壓球閥的上閥軸處設置了定位軸套。由于定位軸套承擔了介質的推力，使上閥軸處的密封性得以改善，又使上閥軸所承擔的扭矩大為降低。它還可防止閥桿因介質壓力過高而沖出。該閥適用于在溫度<280℃，壓力≥1500磅級（25MPa）且公稱通徑≥200mm工況下使用。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動化儀表有限公司