全焊接固定球阀设计与计算

1全焊接固定球阀的设计与计算陆培文根据 GB/T 19672-2005、GB/T 20173-2006 和美国石油学会标准 API 6D-2008、国际标准化组织标准 ISO14313:2007 标准规定。固定球球阀为双阀座阀门、对于双阀座阀门分：单向密封、双向密封、双阀座双向密封、双阀座一个阀座单向密封一个阀座双向密封，双截断- 泄放阀，如图 1 所示。单向密封阀门设计在一个方向密封的阀门。 双向密封阀门 设计在两个方向都能密封的阀门。 双隔离-泄放阀 DIB-1(双阀座双向密封)双阀座、每个阀座均能达到双向密封。双隔离-泄放阀 DIB-2（双阀座一个阀座单向密封一个阀座双向密封）双阀座，一个为单方向密封阀座，一个为两个方向都能密封的阀座。双截断-泄放阀 DBB在关闭位置时，具有双密封副的阀门，当两密封副间的体腔通大气或排空时，阀门体腔两端的介质流动应被切断。标准还要求密封试验时，应为进口端阀座密封。 图 1 固定球球阀阀座密封分类1 全焊接固定球球阀通道直径的确定 在设计计算全焊接固定球球阀时，首先要确定阀体的通道直径，以便作为其他部位计算的基础。球体通到底最小直径要符合相应标准的规定。设计国标全焊接固定球球阀时，全通径球阀的最小通径应符合 GB/T 19672-2005管线阀门 技术条件或 GB/T20173-2006石油、天然气工业管线输送系统管线阀门标准规定。设计美标全焊接固定球球阀时，全通径球阀的最小通径应符合 API6D-2008/ISO14313:2007石油、天然气工业管道输送系统管道阀门标准规定。对于全焊接缩径固定球球阀，标准规定对于公称尺寸DN300(NPS12)的球阀，球阀公称尺寸的孔径缩小一个规格，按标准规定内径；对于公称尺寸 DN350（NPS14）DN600(NPS24)的球阀，球阀的公称尺寸的孔径缩小两个规格，按标准规定的内径尺寸；对于公称尺寸DN600(NPS24)的球阀，应和用户商定。对于没有标准规定的全焊接球阀，通常球体通道的截面积应不小于管道额定截面积的 60%，设计成缩径形式，这样可以减小球阀的结构，减轻重量，减小阀座密封面上的作用力和启、闭转矩。一般采用球阀公称尺寸 DN 与球体通道直径之比等于 0.78。此时，球阀的阻力不会过大。2 球体半径的确定2设计球阀首先应根据球体通道直径和介质工作压力 p 来确定球体外圆半径 R。如图 2所示。当 =45时， , , ，所以 。如果按此式确定sin2DNRsi2=DNR则 2球体半径，则公称尺寸 DN 和球体长度 L 相等，则 DN=L。当球阀关闭时，A 点实际上仍在密封环的边缘，而不能起到密封作用。因此，L 尺寸必须增大，而使 LDN,使 A 点移到密封环的面上起到密封作用。所以，必须对上式进行修改。球阀在达到密封时，所需的密封面宽度，如图 3 所示。首先依据密封圈材料的许用比压，按密封面必须比压的公式，初步算出密封圈的宽度bM(mm)：/10MFcKPqb（1） 若阀座密封圈的材料为聚四氟乙烯，则许用比压为q=17.5MPa；c 为与密封面材料有关的系数，对于聚四氟乙烯，c=1.8；K 为在给定密封面条件下，考虑为质压力对比压值的影响系数，对于聚四氟乙烯，K=0.9。把以上数值代入式(1),经过运算，得bM =0.027p2 +0.1p+0.1 (2)上式中 p 为设计压力，通常取公称压力 PN 数值的 （MPa） 。10对于阀座密封圈用金属圈加固时，许用挤压应力可适当加大。 所以不管球阀处于开启状态还是处于关闭状态，密封面与球体接触面的宽度，都不应小于 bM，L应增加两倍密封面的投影宽度，球体半径也应增大a，如图 4 所示。因为 ,所以 2a=bM,因此球体的直径tn12aMb应增加 bM,则球体半径 ，此值为达b2RDN到密封时的球体最小直径。如球体强度需加大，可适当加大球体直径。33 全焊接固定球球阀中体最小壁厚的计算（1）全焊接固定球球阀的结构形式通常有两种，即圆筒式壳体（如图 5 所示）和球形壳体( 如图 6 所示)。不过这两种结构的中体和左、右体的最小壁厚计算方法是相同的。依据 API6D-2008 和 GB/T 20173-2006 标准要求，对于全焊接固定球球阀的角焊缝强度有效系数取 0.75。按 GB/T 150-1998钢制压力容器和美国 ASME 锅炉和压力容器规范 BPVC第卷 第 1 册 UG-27 受内压容器的壁厚 ,结合 ASME B16.34-2009法兰、螺纹和焊连接的阀门的最小壁厚计算式。笔者认为焊缝强度有效系数取 0.75，即是局部无损检测，也就是中体和颈部的焊接，属于角焊缝，只能做表面无损检测，即 MT 或 PT，不能做射线无损检测，也不能做超声波无损检测。因此，角焊缝的强度有效系数才取 0.75，也就是用加厚壁厚，增加焊缝深度，来弥补由于焊缝不能进行全面 100%的射线检测可能出现的缺陷。因此，全焊接球阀中体和左、右体的最小壁厚的计算，按 ASME B16.34-2009 中的公式，分母中的应力系数应乘以 0.75。即：图 51.52.CFPdtSEp （3） 图 64t计算得出的壁厚， in；PCclass 数值，如 class600，P C=600；class900，P C=900；dC 中腔内径，in；SF基本应力系数，取 7000E焊缝强度有效系数，取 0.75C附加裕量， in，见表表 1 附加裕量 C inclassdC150 300 600 900 1500 2500 450010 0.187 0.180 0.112 0.095 0.096 0.101 0.10112 0.185 0.184 0.107 0.096 0.097 0.099 0.10113 0.188 0.181 0.109 0.102 0.103 0.098 0.09714 0.182 0.178 0.111 0.097 0.098 0.097 0.10215 0.186 0.185 0.103 0.103 0.104 0.096 0.09716 0.190 0.182 0.106 0.098 0.099 0.096 0.10217 0.183 0.179 0.108 0.104 0.105 0.105 0.09718 0.187 0.176 0.110 0.099 0.100 0.104 0.10219 0.171 0.183 0.102 0.105 0.096 0.103 0.09720 0.184 0.180 0.105 0.100 0.102 0.102 0.10221 0.188 0.177 0.107 0.096 0.097 0.101 0.09822 0.182 0.184 0.109 0.101 0.103 0.100 0.10323 0.186 0.181 0.101 0.097 0.098 0.099 0.09824 0.189 0.178 0.104 0.102 0.104 0.098 0.10325 0.173 0.185 0.106 0.098 0.09926 0.177 0.182 0.108 0.103 0.105 27 0.180 0.179 0.100 0.099 0.101 28 0.174 0.176 0.102 0.104 0.096 29 0.178 0.183 0.105 0.100 0.102 30 0.172 0.180 0.107 0.095 0.097 32 0.179 0.184 0.101 0.096 0.098 34 0.177 0.178 0.106 0.097 0.100 35 0.180 0.185 0.098 0.103 0.105 36 0.174 0.182 0.100 0.098 0.101 38 0.171 0.176 0.105 0.099 40 0.179 0.180 0.099 0.101 41 0.173 0.177 0.101 0.096 42 0.176 0.184 0.104 0.102 43 0.180 0.181 0.096 0.097 44 0.174 0.178 0.098 0.103 46 0.171 0.182 0.103 0.104 48 0.179 0.176 0.097 0.105 50 0.176 0.181 0.102 0.096 52 554 56 58 60 若按 GB/T12224-2005 标准计算最小壁厚应为：(4)161.52907.NBKPDt CSE式中：t B虑内压的最小计算壁厚，mm；PN公称压力数值；S应力系数，取 48.3MPa;DN阀体中腔最大内径，mm；E焊缝强度有效系数，取 0.75；K系数，见表 2；C1附加裕量，见表 3表 2 K 系数公称压力PN 16 20 25 40 50 63100110150160250260 420K 1.25 1.25 1.0 1.0 1.0 0.91 0.91 1.0 0.97 1.0表 3 附加裕量 C1 mmPNDN 16 20 25 40 50 63100110150160250260 4206 2.93 2.9 2.9 2.84 2.80 2.77 2.60 2.68 2.70 2.7610 2.87 2.84 2.84 2.74 2.67 2.72 2.62 2.76 2.46 2.3915 2.81 2.76 2.76 2.71 2.61 2.63 2.28 2.73 2.03 1.7920 2.74 2.67 3.07 3.18 3.14 3.44 3.14 3.21 2.41 2.0825 3.68 3.69 3.79 3.94 3.98 3.85 3.11 3.79 2.49 2.6832 4.38 4.28 4.28 3.96 3.74 3.59 2.63 3.56 2.70 2.5940 4.28 4.15 4.15 3.75 3.48 3.48 3.09 3.42 2.52 2.0650 4.85 4.79 4.89 4.69 4.65 4.40 3.01 3.08 2.48 3.0665 4.66 4.54 4.64 4.49 4.26 4.53 2.70 3.01 2.51 1.9480 4.56 4.30 4.80 4.60 4.46 4.86 2.68 3.14 2.05 1.7390 4.63 4.93 5.23 4.74 4.43 4.48 2.50 3.19 2.50 2.12100 4.90 4.77 5.07 4.68 4.60 5.30 2.92 2.95 2.66 3.21125 4.98 5.07 5.37 4.82 4.48 4.45 2.73 3.84 2.85 3.39150 4.85 4.66 5.06 4.86 4.75 4.71 2.53 4.23 3.04 3.46175 4.93 4.75 5.25 4.91 4.63 4.66 2.64 4.11 3.53 4.146200 5.10 4.64 5.24 4.85 4.60 4.61 2.45 4.20 3.52 3.72225 4.98 4.74 5.34 4.80 4.48 4.66 2.55 4.39 3.20 3.80250 4.85 4.53 5.23 4.74 4.45 4.71 2.66 4.48 3.19 3.98275 4.93 4.62 5.32 4.78 4.43 4.86 2.96 4.77 3.08 4.05300 5.20 4.82 5.62 4.83 4.30 4.81 3.07 5.15 3.37 4.13325 5.28 4.91 5.81 5.17 4.78 5.16 2.57 5.54 3.56 4.01350 5.35 5.00 6.00 5.42 4.95 5.31 2.48 5.63 3.75 4.08400 5.31 4.89 5.99 5.30 4.80 7.41 2.89 6.20 3.93 4.34450 5.36 4.87 6.17 5.49 4.95 5.62 2.80 6.18 3.91 5.09500 5.41 4.86 6.26 5.38 4.81 5.72 3.21 6.56 4.09 5.35550 5.36 4.75 6.35 5.57 4.95 5.92 3.13 7.53 3.97 5.50600 5.61 4.93 6.63 5.56 4.81 5.92 3.04 8.01 4.44 5.76650 5.56 4.92 6.72 5.74 4.96 6.22 2.95 8.48 4.62 6.01700 5.71 4.90 6.80 5.63 4.81 6.32 3.36 8.96 4.50 6.46750 5.56 4.79 6.89 5.82 4.96 6.52 3.27 9.13 4.68 6.72800 5.81 4.98 7.18 5.81 4.81 6.53 3.48 9.71 4.86 6.97850 5.86 4.96 7.36 6.00 4.96 6.83 3.40 10.18 5.04 7.13900 5.91 4.95 6.55 6.09 5.11 7.03 3.51 10.66 5.22 7.38950 5.86 4.83 7.53 6.07 4.96 7.43 3.72 11.14 5.40 7.641000 6.11 5.02 7.82 6.26 5.11 7.33 3.63 11.61 5.57 8.091050 6.16 5.01 7.91 6.25 4.96 7.33 3.74 12.09 5.75 8.351100 6.11 4.99 8.09 6.34 5.11 7.64 3.65 12.56 5.63 8.501150 6.06 4.88 8.18 6.53 5.26 7.94 3.86 13.04 5.81 8.761200 6.32 5.06 8.46 6.51 5.11 7.94 3.78 13.41 5.99 9.011250 6.37 5.05 8.55 6.70 5.26 8.14 3.89 13.69 6.17 9.46（2）壳体开孔补强的要求1）不另行补强 设计压力 2.5MPa 两相邻开孔中心间的距离（对于曲面间距以弧长计算）应小于两孔直径之和的两倍； 接管公称外径 89mm； 接管最小壁厚满足表 4 要求表 4 接管最小壁厚 mm接管公称外 径 25 32 38 45 48 57 65 76 897最小壁厚 3.5 3.5 3.5 4.0 4.0 5.0 5.0 6.0 6.0注： 钢材的标准抗拉强度下限值 RM540MPa,接管与壳体的连接宜采用全焊透的 a结构型式。接管腐蚀裕量为 1mm。 b2）平盖开孔补强要求见 GB150 第 8.6 节。3）通过开孔中心，且垂直于壳体表面的截面上的最小补强面积按下列要求确定：圆筒或球壳开孔所需补偿面积按式 5 计算：（5）et21rAdf式中：A开孔削弱所需要的补强截面积， mm2；d开孔直径，圆形孔取接管内直径加 2 倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量）,mm;壳体开孔处的计算厚度，mm；对于圆筒壳体：2CitPD（6）对于球形壳体：4Cit（7）式中：P C计算压力，MPa；Di圆筒或球壳的内直径，mm； t设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力，MPa.按 GB150 第 4 章，角焊缝强度有效系数，按 API6D,取 0.75。et接管有效厚度， et=nt-C，mm式中： nt接管名义厚度，mmC厚度附加量， mm C=C1+C2式中：C 1钢材厚度负偏差，钢管的厚度负偏差按钢材标准规定，当钢材的厚度负偏差不大于 0.25mm，且不超过名义厚度 6%时。偏差可以忽略不计。C2腐蚀裕量， mm；介质为天然气，C 21.5mmfr强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，当此值不大于 1.0 时，取 fr=1.0。圆筒或球壳补强厚度：圆筒壳体按式 6球形壳体按式 74 全焊接固定球球阀密封比压的计算（1）单向密封球阀密封比压的计算 如图 7 所示。球体 5 安装在两个滑动轴承 3 中，阀座安装于活动套筒 6 内，活动套筒在阀体中靠 O 形圈 14 与阀体孔密封，阀座借助弹簧组 12 预压紧球体。介质进口端阀座，在球体关闭时，靠阀座密封圈内径 DMN 和进口密封套筒外径 DJH 所形成的环形面积上的介质作用力压紧球体，以达到球阀的密封。密封的可8靠性在很大程度上取决于密封面平均直径 DMP 与套筒外径 DJH 之比。如果 DJH 和 DMP 的比值不够大时，球阀将不能保证可靠密封。另一方面，如果 DJH 过大将造成阀座密封圈过载，而使球阀的开关转矩加大，阀门磨损加快。1）进口端阀座对球体的压力（N ）：FQ=FZJ+FTH (8)式中 FZJ介质经阀座压在球体上的力（N） ，按式（9）计算；FTH弹簧组压紧力（ N）,按式（10）计算。(9)24JHMZJpD式中 DJH活动套筒外径（mm） ；DMN阀座密封面内径（mm） ；p设计压力，取公称压力的 110（MPa） 。(10)THMYF式中 FMY阀座密封圈对球体的预紧力（N） 、按式（11）计算；FMM阀座密封圈上的 O 形圈与阀体孔之间的摩擦力（N） ，按式（12）计算。（11）min24MYMYWDq式中 DMW阀座密封面外径（mm） ；qMY min阀座预紧密封的最小比压，对于 PTFE，q MY min=1.6MPa。则式 改写成： 。min2MYMYWNF220.4YMWNFDqfJHbZ（12）式中 DJH活动套筒外径（mm） ；O 形圈与阀体内孔的接触宽度（ mm） ；取 O 形圈断面半径的 ；bm 13ZO 形圈个数；取两个；密封比压(MPa), ；若 O 形圈断面取 5.3mm，O 形qF o0.46pq/1mFb圈密封与压力关系不大，故体腔内压力取 po=0MPa,则：qMF=1.35MPa；f 为橡胶 O 形圈与阀体孔的摩擦系数，取 f=0.4。则 (13)3.140.832.5043MJHJHDD因此 22+ 0.785p.QZJTHJYNMWNJHFF56.7p+16D2)阀座密封面上的实际工作比压。阀座密封面工作比压（MPa）： qMHA9（14）图 7 单向密封全焊接固定球球阀结构1阀体；2支撑板；3滑动轴承；4轴承；5阀体；6阀座支撑圈；7键；8阀杆；9防静电装置；10阀座注脂孔；11注脂管； 12弹簧；13防火垫；14O 形圈；15卡紧圈式中 N阀座密封圈对球体的法向压力（ N）, ；QF=COSAMH密封圈环带面积（mm 2） ，A MH= 。12Rl则 0.785p3.60.785p1.26cosq=2shcosQJHJMWNMHFDDRh2p3.8161.JMWND（15）（2）双向密封球阀密封比压的计算 双向密封球阀和单向密封一样，球阀的进口端和出口端使用同样的单向密封阀座，就得到双向密