3.2 阀体设计与计算

3.2.1 阀体的功能

阀体是阀门中最重要的零件之一，阀体的重量通常占这个阀门总重量的70%左右。

阀体的主要功能有：

① 作为工作介质的流动通道。

② 承受工作介质压力、温度、冲蚀和腐蚀。

③ 在阀体内部构成一个空间，设置阀座，以容纳启闭件，阀杆等零件。

④ 在阀体端部设置连接结构，满足阀门与管道系统安装使用要求。

⑤ 承受阀门启闭载荷和在安装使用过程中因温度变化、振动、水击等影响所产生的附加载荷。

⑥ 作为阀门总装配的基础。

3.2.2 确定球阀结构

球阀结构形式的对比：

（1）浮动球阀的结构

① 球体由阀杆控制自由地浮动在两阀座密封圈中旋转、密封，靠加给两阀座密封圈的预紧力和介质的压力将球体压紧在出口端的阀座密封圈上属单面强制密封。

② 除球体自重外，还承受工作介质的全部载荷，球体和阀座的密封比压与介质压力有关。

优点：结构相对简单，质量轻。

缺点：阀座密封面不管是采用金属还是非金属材料，都必须有足够的强度，能够承受高的密封比压；装配时预紧力不易控制。

操作力矩大，适用于中、低压较小口径的阀门。

（2）固定球阀的结构

① 球体与上、下阀杆连成一体得以固定，不会移动，阀杆上可装轴承，减小摩擦。

② 支承力从阀座密封圈传递到球体的阀杆上，操作力矩小，可活动阀座在介质压力的作用下使密封圈压紧在球体上，起密封作用。

优点：操作力矩小，适用于高压、大口径的阀门。

缺点：结构较浮动球阀复杂；质量较浮动球阀重。

因此，适用于高压、大口径的阀门。

综上所述，根据设计工况，本章设计球阀结构采用固定球阀结构。

3.2.3 确定阀体设计材料

根据工作介质的性质确定合适的材料，保证材料有足够的耐腐蚀性，并具有可靠的强度和刚度。材料的选择见表3-1。

3.2.4 内径的确定

　　（3-1）

式中 Q —LNG流量，取3200m3/d；

d —管道内径，mm；

—管道内流体的速度，取1.8m/s。

假定管内流速为1.8m/s，

查《阀门设计手册》表得：取，

3.2.5 最小壁厚的确定

由于最小壁厚不能直接从设计标准中查出，故采用插入法进行计算。

　　（3-2）

查《阀门设计手册》。

式中 tm —计算的阀体壁厚，mm；

PN —阀门公称压力，MPa；

PN1 —最小壁厚表中公称压力（小值），MPa；

PN2 —最小壁厚表中公称压力（大值），MPa；

tm1 —由PN1=4.0MPa可查表得出的厚度，mm；

tm2 —由PN2=5.0MPa可查表得出的厚度，mm。

将所查数据代入式（3-2）得：

球阀阀体常用整体铸、锻或者棒材加工而成。由于所给条件的工作压力适于中低压，所以采用薄壁计算公式进行计算。计算公式如式（3-3）所示。

　　（3-3）

式中 —名义厚度，mm；

—有效厚度，mm；

—壁厚附加量，mm。

　　（3-4）

式中 p —设计压力，MPa；

—许用应力，MPa；

—阀体内径，mm。

代入式（3-3）可得

3.2.6 球体的直径确定

球体的直径大小影响球阀结构的紧凑性，因此应尽量缩小球体直径，球体半径一般按照计算，同时为保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径后须按照式（3-5）进行校核：

　　（3-5）

必须满足D＞Dmin。

式中 Dmin —最小球体直径，mm；

D2 —阀座外径，mm；

d —球体通道口直径，mm，mm。

mm

式中 —最小球体半径，mm。

mm

为便于设计计算，取球体直径D=250mm。

全通径球阀的优点：

① 损失小，防堵塞，耐高压，耐磨损；

② 密封面无摩擦，密封性能好，使用寿命长。

缩颈球阀的优缺点：

① 重量比全通径的球阀轻30%左右，有利于减轻管道负荷，降低成本；

② 缩颈球阀的阀芯内径与公称直径一样，通常用于满负荷流量，要求压降小，液体介质居多；综合考虑，此章设计球阀采用全通径球阀；选取球体通道孔直径d=150mm。

3.2.7 球体与阀座之间密封比压的确定

作用于单位密封面上的平均正压力称为密封比压，密封比压实际上是指密封面理论计算的比压。

密封比压按式（3-6）计算：

　　（3-6）

式中 q —密封比压，MPa，查《阀门设计手册》，取q＝150 MPa；

FMZ —出口端阀座密封面上的总作用力，N；

d —阀座密封面内径，mm，查《阀门设计手册》，取254 mm；

bM —阀座密封面宽度，mm，查《阀门设计手册》，取10 mm。

将数据代入式（3-6）可得：

3.2.8 弹簧设计计算

（1）弹簧强度条件

根据理论推导，弹簧的强度条件为：

　　（3-7）

式中 [τ]—许用剪应力，取决于弹簧材料和符合类型。

若为静载荷或循环次数N≤103，则K=1；若为变荷载，则K＞1。

　　（3-8）

式中 K —曲度指数；

c —旋绕比，一般取。

（2）弹簧刚度条件

刚度KP反映弹簧的基本性能，可根据公式算出：

　　（3-9）

又

　　（3-10）

式中 D —弹簧外径，mm；

D2 —弹簧中径，mm；

n —弹簧有效工作圈数。

　　（3-11）

式中 D —弹簧外径，mm；

n —弹簧有效工作圈数。

（3）制造条件

弹簧制造中的主要参数为旋绕比c，当d不变时，D2小，则c小，卷绕困难。

因为

　　（3-12）

所以

（4）行程条件

弹簧的行程h与螺距t有关，在P2作用下，弹簧各圈之间应留有一定的间隙δ()。

因为

　　（3-13）

而

　　（3-14）

所以

　　（3-15）

由上述可见，d、D、n、t与式（3-13）、式（3-15）、式（3-17）、式（3-18）存在一定关系，弹簧的设计，首先必须满足强度与行程条件。强度条件不满足，可改选材料。如尺寸不够理想，可改选c和[τ]来加以调整。

本章设计按式（3-13）～式（3-18）设计弹簧时，采用试算法进行计算；已知P2=1.58×107N，行程为h=11mm。

① 绘制弹簧示意图3-2

(取0.3)

根据计算得，mm、mm、mm。

② 计算弹簧主要尺寸

奥氏体不锈钢N/mm，取，计算。

初选，查表MPa。

，合格。

取圈。

3.2.9 比压的计算

必须比压是为保证密封，密封面单位面积上所需的最小压力，以qb表示。由于流体压力或附加外力的作用。在球体与阀座之间产生压紧力，于是必须比压是球阀设计中最基本的参数之一，直接影响球阀的性能与结构尺寸。阀座的示意图如图3-3所示。式（3-16）是由实验结果（《阀门设计与应用》机械工业出版社）得出的计算公式：

　　（3-16）

式中 qb —设计比压，MPa；

c —与密封面材料有关的系数，查《使用阀门技术问答》，取c=3.5；

p —流体工作压力，取p=0.3MPa；

k —在给定密封面材料条件下，考虑介质压力对比压值的影响系数，上网查资料，取k=0.8；

b —密封面宽度，取b=10mm。

将数据代入式（3-16）可得：

设计时，确定的在密封面单位面积上的压力，称为设计比压，以q表示。选择密封面时应使密封可靠、寿命长和结构紧凑，必须保证：

　　（3-17）

设计比压中的力的平衡关系进行计算：

　　（3-18）

　　（3-19）

式中 N —球体对阀座密封面的法向力，N；

S —阀座与截出的球心环带面积，S=2πr(L1-L2)；

Q —作用于阀座密封面上的沿流体方向的合力，N；

φ —密封面法向与流道中心线的夹角，（°）。

　　（3-20）

　　（3-21）

式中 r —摩擦半径，mm；

L1，L2 —球体中心线至阀座两端面的距离，mm；

D1 —阀座内径，mm，取D1=150mm；

D2 —阀座外径，mm，取D2=179.2mm；

Dm —阀座平均直径，mm；

R —球体半径，mm。

整理所得数据代入式（3-18）可得：