金属硬密封球阀的研制2球阀基本理论.doc

2 球阀基本理论金属硬密封球阀的研制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。(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2-1 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）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3-1 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3-2 两种球阀结构 （6）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-29600，所以密封材料选用石墨填料；查得GB/T 12229-1989(通用阀门铸件技术条件)，适用于PN45MPa，-29600的水蒸气、空气、油品等介质的阀体、法兰材料均为F316；高参数的球阀设计，必须保证紧固件的强度，故螺栓为8.89级；为了满足轴套的许用应力，材料选用铜合金ZCuAl9Mn210。3.3球阀的设计计算3.3.1密封面必须比压的计算： =m（a+cp） （式3-1）式中 m与流体相关的系数，（对于100以下m=1.0.对于100以上，取m=1.4）；a，c与密封面材料相关的系数，对于钴基，a=3.5；c=1；p流体的工作压力，42.0MPa；b密封面在垂直于流体流动方向的投影宽。查表2得密封的必须比压当P=42.0MPa时，b=5mm = 1.4（3.5+142）=90.1MPa b=（）2 =(268-258) 2=5其中：阀座密封面的内径，mm；阀座密封面的外径13，mm。3.3.2球体直径的计算与校核通道直径d查ISO14313（取代API6D）， ISO14313规定的通道直径为最小值，公差取+0.25。球体上不允许开有和阀体中腔相通的小孔a.球体直径一般取值为：D=2（0.750.90）d来计算，并保证系列化设计.取D=20.8d ，其中d为球体通道直径。b.为保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，球体直径必须满足 ： （式3-2）式中：球体的最小直径，mm； 阀座密封面外径，mm； 球体通道孔直径，mm； 球体实际直径，mm。查ISO 14313(API6D)PN=2500LB,DN=10inch的球阀的通道直径d=225mm（缩颈）所以有:=20.8254=406mm 取268mm 所以=258mm所以有：=372经校核，406372所以 ，因此球体满足要求。为保证系列化设计所以取D=420mm。设计的球体，参考GB/T145-85,中心孔型号按如下要求：表3-1 中心孔型号球体规格阀杆槽底中心孔球体底部中心孔4A3.15/6.7B3.15/106 -10A4/8.5M12螺纹12A6.3/13.212为M12螺纹，其余B6.3/18并且球体表面要按SNS6030及相关技术规范进行离子渗氮处理，以增加其强度。6的球体非阀杆端的球冠端面增加工艺螺孔，以给镀镍吊装用。表3-2 6的球体非阀杆端的球冠端面的工艺螺孔11图 3-3 球阀球体3.3.3阀体壁厚的计算查ASME B16.34-2009 10inch 、2500LB球阀的最小壁厚为80.5mm。由球阀判断标准得：=1.361.2 （式3-3）所以按厚壁计算公式：S=S+ S= （式3-4）整理上式得：S=+ （式3-5）其中： （式3-6）式中：球体内腔最大直径，mm； 材料的许用应力。一般取与两者中最小值，MPa； 、常温下材料抗拉强度和屈服强度，MPa； 以抗拉强度为指标的安全系数，=4.25；以屈服强度为指标的安全系数，=2.3。查表得附加余量表： =2查表4-133锻件力学性能（GB/T 12229-1989）6有：=485MPa =250MPa 所以=114.12MPa， =108.69MPa所以=108.69 MPa，则=1.42 （式3-7）所以b=+C=（1.42-1）+2=89.6mm （式3-8）经过校核，阀体壁厚取90mm.3.3.4阀座合力Q的计算固定球阀密封力按下式计算：= （式3-9）式中：流体压力在阀座密封面上的引起的密封力，N； 阀座预紧力，N。（a）流体静压力： （式3-10）式中：流体静压力作用在阀座上的力，N； 流体静压力在密封面余隙中的作用力，N。（1）按下式计算： （式3-11） 式中：浮动支座外径，mm； 阀座密封面的内径，mm； 流体的工作压力，N。其中取277mm，=258mm，P=26.0MPa所以有：=335140.05N （式3-12）（2）按下式计算：式中：密封面余隙中的压力，可由经验公式近似的取，MPa；=2=422=21MPa 、阀座密封面的内径和外径，mm；所以：=86711.1N （式3-13）所以流体静压力为：=335140.05-86711.1=248428.95N（b）弹簧预紧力的计算，弹簧预紧力又等于阀座预紧力弹簧所必须产生的预紧力按下式计算： （式3-14）式中：预紧弹簧所必须的最小比压，由经验公式得，MPa； =0.1P ，且必须2MPa （式3-15）=0.142.0=4.2MPa 、阀座密封面的内径和外径，mm；所以得：=17342.22N （式3-16）所以球阀总的阀座合力：=248428.95+17342.22=265771.17N（c）压紧填料总力：= （式3-17）式中：-与填料宽b和填料高h有关的填料系数；b=5；h=15；=3；查表得填料系数15：=1.59所以：= =285177.313N3.3.5密封面设计比压的计算（MPa） （式3-18）式中：球阀总的阀座合力，N；、阀座密封面的内径和外径，mm。所以得：=94.37MPa查得6#钴基10的许用比压 =150 MPa由计算得：=90.1 MPa，=94.37 MPa，=150 MPa密封面的设计比压大于必须比压，而小与6#钴基的许用比压，即48，所以此弹簧适用于此设备。3.3.8阀杆扭矩的计算固定球阀的总扭矩按下式计算： （式3-22）式中球体与阀座密封面之间的扭矩，Nmm； 阀杆与填料之间的摩擦扭矩，Nmm； 阀杆台肩与止推垫间的摩擦扭矩，Nmm；轴承的摩擦扭矩，Nmm。（a）的计算 (Nm) （式3-23）式中：阀座密封总力，=283113.39N； 球体半径，210mm； 球体与阀座的摩擦系数，=0.15。所以得：=13573.9() （式3-24）（b）的计算 (Nm) （式3-25）式中：阀杆与填料间的摩擦力，； 填料与阀杆的摩擦系数，=0.1； 阀杆直径，mm。查得最小阀杆直径105 mm13所以，取105mm Z填料圈数，7圈； H单圈填料高度，19mm； P流体介质压力，42.0MPa。所以：Ft=f1DrZHP=3.140.110571942=184170N （式3-26）所以：=9668.9(Nmm) （式3-27）（c）的计算：( Nm) （式3-28）式中：为止推垫摩擦力： 止推垫与阀杆的摩擦系数，=0.1；止推垫外径，=130mm。所以：=45519.2N=2674(Nmm)（d）的计算 (Nm) （式3-29）式中：轴承的径向作用力，Qc=d12p/4（N）； 滚动支座外径，mm，取125mm； 轴承直径，mm，取125mm； 轴承对阀杆的摩擦系数，=0.12。所以： Qc=d12p/4=515156（N） （式3-30） 所以：= =3863.67(Nm) （式3-31） 固定球阀的总扭矩M：=13573.9+9668.9+2674+3863.67=29780.47 (Nm)图3-5 球阀阀杆3.3.9阀杆强度及键的计算 a. 阀杆强度校核：（1）阀杆扁势处的校核：阀杆扁势处的抗扭转断面系数： （式3-32） 式中：扁势直径，112mm； 扁势宽，85mm； 系数，由/的比值，=1.32。查得 2表636与的关系，=0.741阀杆扁势处的抗扭转断面系数：=0.90.74111285=539655.48 （式3-33）阀杆扁势处的的扭转应力：=55.18MPa （式3-34） 查得=165MPa 所以校核合格。（2）阀杆填料处的校核 阀杆填料处抗扭转断面系数 式中：阀杆填料处的直径，mm。 =1044835 （式3-35）阀杆扁势处的的扭转应力：=28.5Ma （式3-36）查得：=165Ma ，所以校核合格。(3) 阀杆键槽处的校核阀杆填料处抗扭转断面系数： （式3-37） 式中：d阀杆键槽处直径，105mm； B键槽宽，28mm； T键槽深，10mm。阀杆填料处抗扭转断面系数：= 阀杆填料处抗扭转应力：=131.48MPa （式3-38）查得=165MPa，所以校核合格。b. 键的校核（1）平键比压的计算，平键比压按下式计算 （式3-39）式中：T转矩，其值的大小等于总扭矩M； n键的个数，取n=2； L键的工作长度，mm，,取L=120mm； K键伸出键槽的高度，mm，K=6mm。=0.394MPa为键的许用比压，=207 MPa，计算的,校核合格。（2）平键剪切力的计算 （式3-40）式中：T，n，L与上式相同，=0.084MPa为键的许用剪切应力， =165MPa，校核合格。上部为键槽结构的阀杆，设计时还应注意以下内容（如图3-5）：. 为了减小键的应力，设计为双键结构，设计时应注意与齿轮箱或其它驱动装置的装配方向。. 阀杆端部不需要装防静电装置。. 阀杆中部与填料配合处公差为0-0.1。. 阀杆上部轴径的公差为d11。. 带键槽的阀杆，阀杆上部螺栓孔尺寸统一为：表3-3 阀杆上部螺栓孔尺寸规格螺栓孔径8M88M12VI阀门打开时，应保证手柄或阀杆键槽方向与通道平行。3.3.10 侧法兰的计算侧法兰的设计计算过程和中法兰的相差不多，本设计参考了中法兰的计算，其主要包括四个方面的内容：a.确定垫片的材料，形式及尺寸；b.确定螺栓的材料，规格及数；c.确定法兰材料，密封面形式及结构尺寸；d.进行应力校核。在本设计中，由于温度高，压力高，设计材料的选取很重要，垫片选为金属缠绕垫，螺栓的材料选为25CrMoVA ，可以耐高温。 图 3-6 法兰尺寸（1）选定垫片尺寸，垫片接触宽度N= 11mm基本密封宽度=5.5mm 11。根据条件：（a） ， b=（b） ，式中：b垫片的有效密封面宽度，在此设计中，b=5.5；其中N=D-d, =N/2,所以先确定垫片的外径和内径。垫片压紧力作用中心圆直径，mm。根据条件： （a）, （式3-41）(b) , （式3-42）在本设计中，= 5.5 ，所以有计算的= 154.5mm（2）垫片压紧力的计算 （a）预紧状态下的最小压紧力的计算 =7471N （式3-43） （b）操作状态下的最小压紧力： =388492.1N （式3-44） 式中：b垫片的有效宽度，5.5mm； y垫片比压，y =2.8 MPa； m垫片系数，m=1.25； p设计计算压力，26MPa。垫片足够宽度校按下式：，合格。（d）螺栓载荷的计算 预紧状态下的螺栓载荷:=590520（N） （式3-48） 操作状态下的螺栓载荷: （式3-49）(4) 法兰力矩的计算及应力校核 （a）法兰预紧力矩： （式3-50） （b）操作工况下法兰力矩： =17125147.756（Nm） （式3-51） 式中：作用在法兰内径截面上的流体轴向力，； 流体静压总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体静压轴向力之差，； 法兰垫片压紧力， （c）法兰设计力矩取以下的大值： （式3-52）由计算得：17125147.5（）