毕业设计（论文）-金属硬密封球阀的研制.doc

毕毕业业 设设计计说说明明书书 题题 目：目： 金属硬密封球阀的研制 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指指 导导 教教 师师 ： 年年 级级 专专 业业 ： 过程装备与控制工程 2006 级 所在学院和系：所在学院和系： 完完 成成 日日 期：期： 2010 年 5 月 25 日 答答 辩辩 日日 期：期： 2010 年 6 月 12 日 金属硬密封球阀的研制 摘摘 要要 阀门是流体管路的控制装置，其基本功能是接通或切断管路介质的流通，改变介质的流通，改 变介质的流动方向，调节介质的压力和流量，保护管路的设备的正常运行。球阀具有流体阻力小, 节省能源,流向不受限制, 启闭快等优点。其综合技术性能比相同用途的截止阀、旋塞阀和蝶阀均优 越。设计重点介绍了球阀中最常用的三片式固定球金属硬密封球阀的设计过程和内容。 设计过程主要包括：阀门阀体和零部件的设计计算、结构设计、主要零部件的强度校核、相关 工艺的编制、装配和试压等。根据毕业设计的要求，设计在严格遵循 API6D 和 GB/T 12224- 2005钢制阀门一般要求等设计标准和规范的基础上，参考国际、国内现有球阀的结构，设计完 成了球阀中阀体、侧阀体、阀盖、阀杆、球体、等主要零部件的设计与校核等任务。 关键词：管线球阀， 设计， 金属硬密封固定球阀 DEVELOPMENT OF THE METAL SEALING BALL VALVES ABSTRACT The valve is fluid pipe, the basic function of control device is connected or cut the circulation medium, change the circulation medium, change flow direction of medium, medium pressure and flow and protects the normal operation of the equipment, pipeline. The ball valve has the advantages of small flow resistance, saving energy，Unrestricted flow, fast hoist and so on. It has excellent technical performance than stop valves, plug valves and butterfly valves. This project introduces the design process and the content of the three-petal type of fixed ball valve were introduced , which is the most commonly used one. The design process mainly included The valve body and spare parts design and calculation, structural design, main spare part strength examination，Relevant process planning, assembly and testing etc. According to the requirements in the task of the graduation design, strictly followed the request of the ISO14313:2007 and GB/T 12224-2005 design standards and norms, referenced to the structure of the international and internal existing ball valves, and completed the design of the intermediate body, the Side body, bonnet , stem, ball and main spare parts and checking. Key words: Pipe ball valve， Design ，Metal seal fixed ball valve 目录 1 绪论.1 1.1 概述.1 1.2 项目的背景.1 1.3 应用方向.1 1.3.1 油、气工业.1 1.3.2 能源工业.2 1.3.3 化学工业.2 1.4 球阀在国内、外的研究状况和市场前景.2 1.4.1 研究状况.2 1.4.1 市场前景.2 1.5 阀门行业的发展趋势.3 2 球阀基本理论 .5 2.1 定义 .5 2.2 工作原理 .5 2.3 球阀特点 .5 2.4 分类 .5 2.5 主要零部件 .5 2.6 关于本设计的意义.6 2.6.1 设计的目的.6 2.6.2 设计的研究范围.6 2.6.3 设计参数及要求.6 2.6.4 设计要解决的主要问题.6 3 设计过程.7 3.1 球阀的结构设计.7 3.1.1.球体支撑结构形式的确定.7 3.1.2 密封面的机构设计.7 3.1.3 关闭件和阀杆的连接设计.7 3.1.4 填料密封结构设计.7 3.1.5 阀杆和螺母的连接设计.8 3.1.6 阀体和阀盖的连接设计.8 3.1.7 旁通阀的设计.8 3.1.8 传动装置的设计.8 3.1.9 牙嵌式离合器的结构设计.8 3.1.10 轴承端盖的结构设计.8 3.1.11 球阀的整体设计.8 3.2 球阀的材料选择.10 3.3 球阀的设计计算.10 3.3.1 密封面必须比压的计算：.10 3.3.2 球体直径的计算与校核.10 3.3.3 阀体壁厚的计算.12 3.3.4 阀座合力的计算.13 3.3.5 密封面设计比压的计算.15 3.3.6 密封角的计算.15 3.3.7 普通圆柱螺旋弹簧的主要参数和尺寸 .16 3.3.8 阀杆扭矩的计算.17 3.3.9 阀杆强度及键的计算.19 3.3.10 侧法兰的计算.22 3.3.11 驱动装置的校核.26 3.3.12 压盖法兰的校核.26 4 后期加工和装配工艺 .29 4.1 球体.29 4.2 阀座.29 4.3 压环.29 4.4支撑板.29 4.5 阀体阀盖.29 4.6 阀杆.30 4.7 压盖法兰.30 4.8.预紧弹簧.30 4.9 填料.30 4.10 压套、压板.30 5 压力试验.31 5.1 壳体试验.31 5.2 密封面密封试验.31 5.3 上密封试验.32 6 结论.33 致谢.35 参考文献.37 1 绪论 化工学院化工机械系1 1 绪论 1.1 概述 球阀问世于 20 世纪 50 年代，随着科学技术的飞速发展，生产工艺及产品结构的的不断改进， 在短短的 40 年时间里，已迅速发展成为一种主要的阀类。在西方国家工业发达的国家，球阀的使 用正在逐年不断的上升，在我国，球阀被广泛的应用在石油炼制、长输管线、化工、造纸、制药、 水利、电力、市政、钢铁等行业，在国民经济中占有举足轻重的地位。球阀是以球体作为关闭件的 主要切断类阀门。球阀具有流体阻力小, 节省能源, 流向不受限制, 启闭快等优点。其综合技术性 能比相同用途的截止阀、旋塞阀和蝶阀均优越。设计重点介绍了球阀中最常用的三片式固定球金属 硬密封球阀的设计过程和内容1。 1.2 项目的背景 球阀主要用于截断或接通管路中的介质，亦可用于流体的调节与控制，其中硬密封 V 型球阀 其 V 型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有很强的剪切力，特别适用于含纤维、微小固体颗 料等介质。而多通球阀在管道上不仅可灵活控制介质的合流、分流、及流向的切换，同时也可关闭 任一通道而使另外两个通道相连。由于石油、化工、电站、冶金、船舶、核能、宇航等方面的需要， 对阀门提出更高的要求，促使人们研究和生产高参数的阀门，其工作温度从超低温-269到高温 3430，工作压力从超真空到超高压，阀门通径从 1mm 到 9750mm，阀门的材料从铸铁，碳素钢 发展到钛及钛合金，高强度耐腐蚀钢等2。 1.3 应用方向 阀门作为一个流体输送的组件，随着国民经济，特别是国家煤比工产业和装备制造业的发展。 阀门的种类很多，用途也很广泛，石油、天然气工业一直是阀门市场的最大采购商。石油(包括炼 油)、天然气领域用量最大，占总用量的 37.4%; 能源领域的阀门用量为 21.3%；第三位的是化学工 业，为 11.5%；接着的是水处理和污水处理领域 11.4%。阀门市场受油气工业的影响。在气一固。 液一固二相流中，对阀门提出新的要求：高温、高压、耐磨、耐腐蚀、耐冲刷、抗球阀的热循坏和 零泄漏。这样，金属密封球阀将获得快速发展。球阀是近年来被广泛采用的阀门，它具有流体阻力 小，结构简单，密封可靠，适用范围广，操作灵便等优点。 1.3.1 油、气工业 在北美和一些发达国家，有很多的拟建、扩建石油项目，另外，由于人们越来越重视环境保护， 国家建立了环保法规，所以多年前建立的炼油厂必须重新改造，因此在今后的几年里，投入石油开 青海大学本科毕业设计：金属硬密封球阀的研制 化工学院化工机械系2 发和炼制的资金还将保持增长势头。中国石油和天然气长输管线的建设以及未来俄罗斯长输管线的 建设将直接推动石油工业阀门市场的增长。根据石油、天然气开发和输送阀门市场的长线发展状况， 预测石油、天然气开发和输送对阀门的需求量将从 2005 年的 140 亿美元增长到 2012 年的 310 亿美 元。 1.3.2 能源工业 长期以来，能源工业对阀门的需求一直保持着坚实、稳定的增长率。欧洲、南美洲、亚洲，尤 其中国的能源市场将成为阀门市场新的增长点。从 2005 年到 2012 年，能源市场对阀门产品的需求 将从 69 亿美元上升到 150 亿美元，年平均增长 9.3%。 1.3.3 化学工业 化学工业以超过 1.5 万亿美元的产值排在工业之首，也是阀门最大的需求市场之一。化学工业 多需要设计成熟，加工质量高，稀有材料的工业阀门。近些年来，化工市场竞争变得异常激烈，许 多化工厂家不得不削减成本支出，不过，在 20032004 年度，化学工业的产值和利润成倍增长， 对阀门产品的需求迎来 30 年来的新高峰，2005 年以后，化学工业对阀门产品需求量将以每年 5 的增长率增长3。 1.4 球阀在国内、外的研究状况和市场前景 1.4.1 研究状况 金属硬密封固定球球阀的球体表面做了特殊硬化处理，阀座整体用特殊硬质材料表面堆焊了 6 号钴基，确保密封面之间有合适的硬度差；其他密封材料使用金属缠绕垫，柔性石墨，所以能用在 高温高压工况，并能很好的防火。金属硬密封球阀的阀体，阀座，球体等密切的接触，形成了静电 通道，所以不用特别的设计防静电装置。另外 PTFE 材料的发展将关切着硬密封球阀的密封质量 和球阀的发展。 1.4.1 市场前景 国内市场 由于全球阀门市场的竞争越来越激烈，所以许多世界著名的阀门制造商关闭了他们在北美、欧 洲和日本的工厂转移到中国、印度、韩国和中欧，以降低阀门的制造成本，增加销售利润。随着中 国开发和利用石油、天然气力度的加大，中国阀门市场大幅增长，这使得大多数阀门厂商更加看重 在中国建厂。于是，出现了国外阀门企业在中国建厂的热潮，有的企业甚至在中国建有多个工厂， 以缩短运输距离和交货期。 国内市场又分新建、扩建工程项目市场，老装置维修、改造项目市场。 从这两块市场来看，普通阀门产品严重供大于求，其次，企业之间竟相压仰，无序竞争，假冒 伪劣等，市场很不规范，导致某些阀门生产企业在惨烈的竞争中，连年大幅度亏损。从这两块市场 的需求来看，随着市场经济的发展和完善，特别是进步世界贸易组织（WTO） ，其市场变化越来越 大，企业受市场的影响越来越深，用户对市场产品的需求越来越高，对产品开发、生产周期的需求 1 绪论 化工学院化工机械系3 越来越短。另据中国通用机械协会数据，中国阀门市场突破 200 亿元人民币，2010 年，中国国内 阀门需求将达到 345 亿元人民币。全球市场各类阀门的销售额在 400 亿美元左右。中国统计的阀门 制造商有 2000 多家，加上其他发达国家和发展中国家的 1400 多家阀门制造商，占有全球 80的 市场份额；另外的 10 多家阀门联合公司占有全球 20的市场份额。 国外市场 国外市场近几年十分活跃，竞争相当激烈。东亚和东南亚的阀门进出口增长迅速，北美的欧共 体等发达国家间的市场贸易持续发展，2004 年，美国阀门协会公布美国国内阀门市场份额达到 31.8 亿美元。德国、意大利、日本、中国等国家和地区的出口扩大，美国、英国、法国等国家进口 的高速增长，形成了国际阀门市场繁荣的支撑点，再者，由于世界经济进一步国际化，跨国公司将 不断推动国际阀门市场的发展，国际贸易地区化是毕成为另一大特点。 1.5 阀门行业的发展趋势 阀门是利润率低的产品，市场竞争非常激烈。就阀门市场的分布，主要是依据工程项目的建设， 阀门的最大用户是石化行业、电力部门、冶金部门、化工行业和城市建设部门。石化行业主要应用 API 标准的闸阀、截止阀和止回阀；电力部门主要采用电站用高温压闸阀、截止阀、止回阀和安全 阀及一部分给排水阀的低压蝶阀、闸阀；化工行业主要采用不锈钢闸阀、截止阀、止回阀；冶金行 业主要采用低压大口径蝶阀、氧气截止阀和氧气球阀；城市建设部门主要采用低压阀，如城市自来 水管道主要采用大口径闸阀，楼寓建设主要采用中线蝶阀，城市供热主要采用金属密封蝶阀；输油 管线主要采用平板闸阀和球阀；制药行业主要采用不锈钢球阀；食品行业主要采用不锈钢球阀等。 阀门在水处理行业中使用量较大，主要以低压阀门产品为主，如蝶阀、闸阀、止回阀。据了解，目 前市场上具有一定规模的阀门企业有 2000 余家，大多数分布在江浙及中原一带。由于产品技术含 量要求相对较低，因此，竞争更为激烈4。 青海大学本科毕业设计：金属硬密封球阀的研制 化工学院化工机械系4 2 球阀基本理论 化工学院化工机械系5 2 球阀基本理论 2.1 定义 启闭件（球体）由阀杆带动，并绕阀杆的轴线作旋转运动的阀门。 2.2 工作原理 球阀是以球体作为关闭件的阀门。主要功能是切断或接通管道中的流体通道，即球阀通常为闭 路阀。因此，球阀的作用原理很简单：借助手柄或其它驱动装置在阀杆上端施加一定的转矩并传递 给球体，使它旋转 90，球体的通孔则与阀体通道中心线重合或垂直，球阀便完成了全开或全关 的动作。 2.3 球阀特点 （1）流体阻力小 本次设计的球阀为全通径的球阀，即所谓的全流量型，由于其通道直径等 于管道内径，局部阻力损失只有同等长度管道的摩擦阻力，即在所有阀门中，这种球阀的流阻最小。 （2）开关迅速、方便 由于球阀在一般情况下只需手柄转动 90就完成了全开或全关动作， 很容易实现快速启闭。 （3）密封性好 绝大多数球阀的阀座都是用聚四氟乙烯等弹性材料制造，一般来说软密封的 密封性容易保证，而且对密封表面的加工精度与表面粗糙度要求也不很高。 （4）寿命长 由于聚四氟乙烯有良好的自润滑性，与球体的摩擦磨损小，而且由于球体加工 工艺的改进，使粗糙度降低，从而提高了球阀的使用寿命。 （5）阀体内通道平整光滑 更适于输送粘性流体，浆液，以及固体颗粒。 （6）适用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应用。 2.4 分类 球阀分有：浮动球球阀、固定球球阀、轨道球阀、V 型球阀、三通球阀、不锈钢球阀、锻钢 球阀、卸灰球阀、抗硫球阀、三通球阀、气动球阀、电动球阀、卡套球阀、焊接球阀等。 2.5 主要零部件 (1) 阀体：侧阀体，球体，中阀体。 (2) 密封部件：弹簧，密封圈，压环。 青海大学本科毕业设计：金属硬密封球阀的研制 化工学院化工机械系6 (3) 传动部件：主轴，阀杆，手轮，轴承，轴套。 (4) 支撑部件：支撑板，球体支撑部件。 2.6 关于本设计的意义 2.6.1 设计的目的 PN=2500LB、DN=10inch 三片式金属硬密封固定球阀属高参数的产品设计，设计过程必须严格 按照相关 API 标准进行，据参阅相关文献可知，目前国内生产的各类球阀最高使用压力不超过 10.0MPa，所以本设计极具挑战性。完成此次设计，对我们运用以前学过的知识和新知识的学习和 运用都有很大的帮助，能够顺利毕业的同时，也为今后的工作打下了坚实的基础。 2.6.2 设计的研究范围 能在石油、化工、电力、冶金等工业部门的高温、高压条件下正常工作的金属硬密封球阀。 2.6.3 设计参数及要求 表表 2-1 设计参数及要求设计参数及要求6 参 数给 定 值 最高使用压力2500LB(PN=42.0MPa) 最高使用温度 -29600 公称直径10inch（DN=254mm） 连接方式凸面法兰连接 材 料F316 适用介质 主要用于高温，高压工况下截断或接通介质（水、蒸汽、油品、各种腐蚀性 介质及料浆和颗粒介质等） ，也可用于流体的调节与控制，应用于石油，化工， 电力、冶金等工业部门的各类成套装置的智能化控制。 要 求 完成一套 10 英寸 2500LB 整套结构设计，尺寸设计及校核任务；完成一定张 数图纸的绘制、完成工艺的编制、工装的设计、跟踪零件铸造、加工，完成 产品的装配与试验等任务。 2.6.4 设计要解决的主要问题 设计过程中要完成金属硬密封球阀的结构设计、主要结构的尺寸设计计算、设计参数校核、绘 制装配图和主要的零件图、以及工艺编制和装配和试压等几项工作；提供书面报告，即毕业设计任 务说明书及相应的图纸。通过参数化设计，找到合理工艺参数，建立设备最优结构模型，为进行金 属硬密封球阀的研制打好基础。 3 设计过程 化工学院化工机械系7 3 设计过程 3.1 球阀的结构设计 根据以上所提供的设计数据，依据 API6D 金属阀门结构长度确定了 PN=2500LB、DN=254mm 球阀的结构长度 L=1292mm（ASME16.342009），钢制阀门 一般要求确定阀体的最小壁厚 t=80.5mm；查 ASMEB16.47 确定了球阀连接法兰的标准尺寸；减速器采用蜗轮-蜗杆传动；驱动装 置与阀杆通过牙嵌式离合器连接。由于该球阀主要在油气管线上使用，因此也设计了防火、防静电 装置，满足了球阀在特殊场合、特殊工况下使用的要求。 3.1.1.球体支撑结构形式的确定 球阀按球体支撑方式分为有浮动球球阀和固定球球阀，其中浮动球球阀的球体没有支撑轴，球 体通过阀门进、出口两端的阀座予以支撑。固定球球阀的球体下面有支撑轴，能够承受较大的重力， 故选用有支撑轴的固定球形式。 3.1.2 密封面的机构设计 阀门密封面结构式保证阀门可靠密封的关键，对密封面的要求是： 1.耐所通过介质的腐蚀。 2.耐磨抗擦伤的性能优异。 3.在所要求的工作条件下保证密封可靠。 4.加工工艺好。 5.便于装配和维修。 查阅相关文献，并参考国际、国内现有球阀的结构，将密封阀座设计成了弹性密封阀座，普通 球阀启闭力矩大, 密封面容易划伤,因此将传统的密封阀座改为弹性密封阀座。弹性密封阀座球阀的 启闭力矩很小, 只有相同通径传统球阀启闭力矩的 1/ 51/ 4 , 操作轻便, 省力省时。当介质压力比 较高时, 球体在介质压力的作用下, 获得了所需要的密封比压。当介质压力比较低时, 则球体在介 质压力和弹簧预压缩所产生的弹力的双重作用下, 同样获得了密封所需要的密封比压, 因此不管介 质压力是高或低, 还是大幅度波动,都能确保密封。而普通浮动球阀, 当介质压力比较低时, 往往无 法实现密封, 产生渗漏。这种密封不论压力高低，都能保证进、出口密封，适用于高压密封。 3.1.3 关闭件和阀杆的连接设计 关闭件和阀杆的连接结构按阀类的不同有多种形式，但对它们的基本要求是一样的，即必须连 接可靠，阀杆旋转时，关闭件与阀体密封面之间有自动调整的可能，没有相对的摩擦。同时，还应 考虑其工艺性，使之便于加工和组装，也要给使用和维修创造条件。这里结构设计选择球体上有圆 形定位孔、并铣出扁槽与阀杆的圆柱定位并由扁势传递力矩5。 3.1.4 填料密封结构设计 青海大学本科毕业设计：金属硬密封球阀的研制 化工学院化工机械系8 填料密封是为了防止介质从移动的发感和阀盖的间隙中产生泄漏。填料的材质与填料密封的结 构的选择是保证阀门在阀杆填料处不产生外泄的重要条件之一。填料密封一般由填料压板、填料压 套、填料、隔环、填料垫组成。填料密封结构的选择，取决于阀门的工作条件。 对于本设计，在介质压力比较高的情况下，为了保证动密封连接的密封性，填料中必须产生较 大的压力，这样如果阀杆直径比较大，将产生较大的摩擦力矩。为了减少摩擦力矩，阀杆表面可氮 化、镀镍磷（ENP）或磨削，填料高度取的比较大。由于是高压阀，制造和维修困难，可使用柔性 石墨编织填料和柔性石墨环填料，或者是石棉填料6。 3.1.5 阀杆和螺母的连接设计 阀杆螺母的连接与阀杆的运动方式有关，阀杆运动方式通常有以下三种： 1.旋转升降式 2.升降阀杆 3.旋转阀杆。 本设计选择旋转阀杆。齿轮箱固定在阀杆螺母上，使阀杆螺母旋转，而阀杆只作旋转运动2。 3.1.6 阀体和阀盖的连接设计 阀体和阀盖的连接应保证其连接强度，又密封可靠，使之不产生外泄，同时亦要便于组装和维 修，其连接形式很多，一般都是可拆卸的，分为以下几种： 螺纹连接、法兰连接、夹箍连接、内压自紧密封连接。 本设计选择法兰连接7。 3.1.7 旁通阀的设计 本设计的阀门不涉及旁通阀的设计。 3.1.8 传动装置的设计 阀门的驱动装置根据公称压力 PN,公称尺寸 DN，安装位置和使用要求等条件，有手动、直齿 轮圆柱齿轮、锥齿轮、涡轮蜗杆、电动、气动等各种形式，根据轴减速器在球阀中的安装位置及形 式，选择体积小、传动比大的蜗轮-蜗杆减速器，由于球阀球体仅旋转 90，故用 120的扇形蜗 轮代替全蜗轮8。 3.1.9 牙嵌式离合器的结构设计 根据实际情况在设计中牙嵌式离合器选择 5 个齿，确保牙嵌式离合器的强度。 3.1.10 轴承端盖的结构设计 轴承端盖用以固定轴承及调节轴承间隙并承受轴向力的。轴承端盖分为嵌入式和凸缘式两种， 其中凸缘式轴承端盖调整轴承间隙比较方便，密封性能好，所以用得比较多。 3.1.11 球阀的整体设计 （1）根据阀门的实际使用温度主要分两种： a.使用温度100的场合，使用填料密封结构，球体和阀座采用硬密封。阀座静压面与阀杆处 均采用石墨填料密封，取消阀杆与压盖法兰之间、球体与支撑板之间的推力垫，压盖法兰堆焊。 （该结构不受使用温度的限制，一般可使用到 500左右） 3 设计过程 化工学院化工机械系9 b. 使用温度100的场合，使用 O 形圈密封结构，与常规固定球阀结构大体相同（阀座与阀 杆处需要有注油装置） ，阀座静压面与阀杆处均采用 O 形圈密封，只是球体与阀座处采用硬密封， 阀杆与压盖法兰之间、支撑板与球体之间用纯 PTFE 推力垫。 图图 3-13-1 两种球阀结构两种球阀结构 （2）根据球体支撑结构分： a.5，用枢轴固定； b.6，用支撑板固定；如下图所示： （） 图图 3-23-2 两种球阀结构两种球阀结构 （6）5 青海大学本科毕业设计：金属硬密封球阀的研制 化工学院化工机械系10 由于本设计的阀门为 106且属高压阀门，所以安全从安全性能的考虑，选择用支撑板9。 3.2 球阀的材料选择 由于介质为天然气、油品等，且最高使用温度-2