高压球阀的结构分析.docVIP

球阀由于具有启闭迅速、轻便、流体阻力小，便于气控和电控的特点，在各行业的管道上被广泛采用。近年来，由于材料和制造技术的发展，球阀已用于高温高压工况。本文将探讨一种适用于高压工况下的大口径球阀的结构设计。 一、结构分析 ??? 球阀按其结构形式一般分为浮动球球阀（图1）和固定球球阀（图2）2种。当调节阀公称通径DN≥200mm时，一般采用固定式球阀。但是，当阀门公称通径DN≥200mm。且公称压力PN为1500磅级（25MPa），或为2500磅级（42MPa）时，图2所示的固定式球阀就不能正常工作。因为阀门受结构限制，阀杆不能设置防冲出结构。仅靠填料压盖上的螺栓防止阀杆因高压而冲出。由于压力很高，这样的结构其安全可靠性不好。另外，阀杆负荷过重。此结构的阀杆既受介质推力而产生弯矩，又要使球体旋转而产生扭矩。这样，阀杆的使用寿命大大降低。而介质压力很高使阀门所受推力很大，阀杆转动时所产生的摩擦力也很大，进而使阀门的开启扭矩也增大。 二、结构设计 ??? 针对高压工况的需求，设计了大口径固定式球阀（图3）。为便于装配，阀体采用三段式结构。阀门上阀轴外增设定位轴套，使介质的推力由定位轴套承担，而上阀轴只承受扭应力。上阀轴与定位轴套间无摩擦。上阀轴还设有防冲台阶，定位轴套可防止上阀轴因介质压力过高而冲出。球体与定位轴套间设有滑动轴承，以减小摩擦力。滑动轴承以钢板为基体，表面烧结铅锡青铜合金，其厚度2.5mm，最高使用温度可达280℃。定位轴套与阀体间及上阀轴与定位轴套间均采用0形圈密封，球体与阀座密封圈之间的密封采用一般固定式球阀的密封结构，即阀前密封或是阀后密封。阀座材料根据介质压力及材料的许用比压选用尼龙或铜合金。 三、设计计算 ??? 1、阀体壁厚 ??? 阀体的计算厚度SB′为 ??? ??? 式中? SB′--计算厚度，mm????????? P--计算压力，MPa????????? Dm--计算内径，mm????????? [σL]--许用拉应力，MPa????????? C--腐蚀余量，mm ??? 当阀体实际厚度SB≥SB′时，强度合格。 ??? 2、密封比压 ??? 阀前密封比压qi为 ??? ??? 阀后密封比压q0为 ??? ??? 验算合格条件为qMFq[q] ??? 式中 qMF--密封面上必需的比压，MPa????? ?? [q]--密封面许用比压，MPa?????? ? φ--球体与密封圈接触点与通道轴法向夹角，（o）?????????p--设计压力，MPa ??? DJH、DMN、DMW、R、h和DCH如图4所示，设计选定。 ??? 3、阀杆强度 ??? 阀杆力矩MF为 ??? MF=MQG+MFT+MZC ??? 式中 MF -- 阀杆力矩，N·mm???????? MQG-- 球体与阀座密封面间的摩擦力矩，N·mm??????? ?MQG=MQG1+MQG2??????? ?MQG1--阀座对球体的预紧力产生的摩擦力矩，N·mm ?????? ? ????? ? ?MQG2--由介质工作压力产生的摩擦力矩，N·mm ?????? ? ????? ?? MFT--填料与阀杆间的摩擦力矩（此种结构MFT近似为0），N·mm?????? ??MZC--轴承产生的摩擦力矩，N·mm ???? ?? ? ?????? ? qM--球体最小预紧比压，MPa???? ? ? fM--球体与密封面间摩擦系数（取fM=0.05~0.1）?????? ? fZ--轴承摩擦系数（取fZ=0.05~0.1）?????? ? DQJ--轴径，设计给定，mm ??? 阀杆端头扭转剪切应力（图5）τN为 ??? ??? 式中τN--阀杆端头扭转剪切应力，MPa??????? ω--I-I断面抗转矩断面系数，mm3??????? ω=βα3??????? β-- 系数??????? α-- 阀杆头矩形断面厚度（图6），mm 四、结论 ??? 高压球阀的上阀轴处设置了定位轴套。由于定位轴套承担了介质的推力，使上阀轴处的密封性得以改善，又使上阀轴所承担的扭矩大为降低。它还可防止阀杆因介质压力过高而冲出。该阀适用于在温度280℃，压力≥1500磅级（25MPa）且公称通径≥200mm工况下使用。