球阀的设计与计算
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球阀的设计与计算
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球阀的设计与计算
一、球阀的设计 1.1 设计输入 即设计任务书。应明确阀门的具体参数（公称通径、公称压力、温度、介质、驱动方式等） ，使 用的条件和要求（如室内或室外安装、启闭频率等）及相关执行的标准（产品的设计与制造、结构 长度、连接型式、产品的检验与试验等） 1.2 确定阀门的主体材料和密封圈材料 1.3 确定阀门承压件的制造工艺方法 1.4 确定阀门的总体结构型式 1. 对阀门结构的确定: 一般如果压力不高,DN≤150 时,可优先采用浮动式结构,其优点是:结构简单 如果浮动球式结构满足不了需要时,应采用固定式结构或其它结构型式(如半球、撑开式…) 2. 对密封的材料的确定 由于球阀的使用受温度的影响很大,因此,密封的材料的选定很关键： ① 对使用温度≤300℃时,密封面材料可选择塑料类材料(如聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、尼 龙、对位聚苯) ② 当使用温度超过 300℃.或者介质代颗粒状时,密封面材料应选金属密封。 3．对球阀使用要求的确定 主要确定,球阀是否具有防火.防静电要求 4．对阀体型式确定 由于球阀公称通径适用的范围很广,其阀体型式也较为多样,一般分为以下三种： ① 整体式阀体 一般用于 DN≤50 的小通径阀门,此时,其材料多用棒材或厚壁管材直接加工击来,而对 口径较大时,多采用二体式、三体式或全焊接结构 ② 二体式结构由左右不对称的二个阀体组成，多采用铸造工艺方法 ③ 三体式结构由主阀体和左右对称的二个阀体组成,可采用铸造或锻造工艺方法 5．阀门通道数量(直通、三通、四通…) 6．选择弹性元件的形式 1.5 确定阀门的结构长度和连接尺寸 1.6 确定球体通道直径 d 球体通道直径应根据阀门在管道系统中的用途和性质决定，并要符合相关的设计标准或用户要 求。 球体通道直径分为不缩径和缩径二种： 不缩径：d 等于相关标准规定的阀体通道直径 缩径：一般 d=0.78 相关标准规定的阀体通道直径，此时，其过渡段最好设计为锥角过渡，以确 保流阻不会增大。 1.7 确定球体直径 球体半径一般按 R=（0.75～0.95）d 计算 对小口径 R 取相对大值，反之取较小值 为了保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径后，须按下式校核
P ：流体的工作压力（MPa） ，设计给定 b :密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度 b= t cos （mm） t :密封面宽度（mm） ，设计给定 φ ：密封面法向与流道中心线的夹角 q ：球阀密封比压（MPa） ① 对浮动球阀： （见图示）
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球阀的设计与计算
Dmin D2 2 d 2 （mm） ，应满足 D ＞ Dmin
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式中： Dmin ：球体最小计算直径（mm） ， D2 ：阀座接触面外径(mm)，d：球径通道孔直径（mm） D：球体实际直径（mm） 二、球阀的计算 2.1 壁厚的确定 见闸阀相应的计算 2.2 球体与阀座之间比压的计算 应满足 qMF q [ q ] 式中：qMF：密封面上的必须比压（MPa） ① 可根据工作压力来计算，qMF =1.2P（适用于中低压通径不大场合） ② 由试验得出的经验公式计算：
式中：DJH：进口密封座导向外径 （mm） 设计给定 R： 球体半径 （mm） 设计给定 h： 密封面接触的宽度在水平方向的投影 （mm） h = l2-l1 式中 l2 ，l1：球体中心至密封面的距离（mm）见图示 ③ 其它密封球阀，略 [q]：密封面材料的许用比压[MPa] 查下表
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qMF m(
a cp ) b
式中：m:与流体性质有关的系数 对常温液体：m=1 对常温油品和空气、蒸汽以及高于 100℃的液体：m=1.4 对氢、氮及密封要求高的介质：m=1.8 a，c：与密封面材料有关的系数，见表所示 密封面材料 钢、硬质合金 聚四氟乙烯、尼龙 铜、铸铁 中硬橡胶 软橡胶 a 3.5 1.8 3.0 0.4 0.3 c 1 0.9 1 0.6 0.4
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q
( DMW DMN ) P 4( DMW DMN )
式中：DMW ：阀座密封面外径（mm）设计给定 DMN ：阀座密封面内径（mm）设计给定 P ：介质工作压力（MPa） ② 对进口密封的固定球阀（见图示）
进口密封固定球球阀结构
2 2 2 P ( DJH 0.6 DMN 0.4 DMW ) q 8 Rh cos
20 40
15 30
注：钢和铜合金的牌号对于铸态和堆焊均适用。 2.3 球阀的转矩计算 2.3.1 浮动球阀总转矩计算 浮动球阀中，所有载荷由介质出口的阀座密封圈承受，总转矩由下式计算 MF = MQz + MFT + MMJ 式中：MQZ：球体在阀座中的摩擦力矩
青铜 奥氏体 不绣钢 马氏体 不绣钢 氮化钢 堆焊 合金 中硬 橡胶 F-4 尼龙
2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2 35CrMoAlA、38CrMoAlA TDCoCr1-x TDCr-Ni（含 Ni）
250 300 250 250 5
45 80 80 80 4
SFB-1，SFB-2，SFB-3 SFBN-1，SFBN-2，SFBN-3
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密封面材料的许用比压 [q]
[q] 密封面材料 材料硬度 密封面 间无 滑动 黄铜 CuZn40Pb2，CuZn38Mn2Pb2，CuZn38 CuZn16Si4 CuAL10Fe3 CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2 1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti HB 80～95 HB 95～110 HB≥110 HB 120～170 HB 140～170 HB 200～300 HR 35～40 Hv 800～1000 HR 40～45 HB 280～320 80 100 80 100 150 [MPa] 密封面 间有 滑动 20 25 25 35 40
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一、球阀的设计 1.1 设计输入 即设计任务书。应明确阀门的具体参数（公称通径、公称压力、温度、介质、驱动方式等） ，使 用的条件和要求（如室内或室外安装、启闭频率等）及相关执行的标准（产品的设计与制造、结构 长度、连接型式、产品的检验与试验等） 1.2 确定阀门的主体材料和密封圈材料 1.3 确定阀门承压件的制造工艺方法 1.4 确定阀门的总体结构型式 1. 对阀门结构的确定: 一般如果压力不高,DN≤150 时,可优先采用浮动式结构,其优点是:结构简单 如果浮动球式结构满足不了需要时,应采用固定式结构或其它结构型式(如半球、撑开式…) 2. 对密封的材料的确定 由于球阀的使用受温度的影响很大,因此,密封的材料的选定很关键： ① 对使用温度≤300℃时,密封面材料可选择塑料类材料(如聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、尼 龙、对位聚苯) ② 当使用温度超过 300℃.或者介质代颗粒状时,密封面材料应选金属密封。 3．对球阀使用要求的确定 主要确定,球阀是否具有防火.防静电要求 4．对阀体型式确定 由于球阀公称通径适用的范围很广,其阀体型式也较为多样,一般分为以下三种： ① 整体式阀体 一般用于 DN≤50 的小通径阀门,此时,其材料多用棒材或厚壁管材直接加工击来,而对 口径较大时,多采用二体式、三体式或全焊接结构 ② 二体式结构由左右不对称的二个阀体组成，多采用铸造工艺方法 ③ 三体式结构由主阀体和左右对称的二个阀体组成,可采用铸造或锻造工艺方法 5．阀门通道数量(直通、三通、四通…) 6．选择弹性元件的形式 1.5 确定阀门的结构长度和连接尺寸 1.6 确定球体通道直径 d 球体通道直径应根据阀门在管道系统中的用途和性质决定，并要符合相关的设计标准或用户要 求。 球体通道直径分为不缩径和缩径二种： 不缩径：d 等于相关标准规定的阀体通道直径 缩径：一般 d=0.78 相关标准规定的阀体通道直径，此时，其过渡段最好设计为锥角过渡，以确 保流阻不会增大。 1.7 确定球体直径 球体半径一般按 R=（0.75～0.95）d 计算 对小口径 R 取相对大值，反之取较小值 为了保证球体表面能完全覆盖阀座密封面，选定球径后，须按下式校核
P ：流体的工作压力（MPa） ，设计给定 b :密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度 b= t cos （mm） t :密封面宽度（mm） ，设计给定 φ ：密封面法向与流道中心线的夹角 q ：球阀密封比压（MPa） ① 对浮动球阀： （见图示）
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Dmin D2 2 d 2 （mm） ，应满足 D ＞ Dmin
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式中： Dmin ：球体最小计算直径（mm） ， D2 ：阀座接触面外径(mm)，d：球径通道孔直径（mm） D：球体实际直径（mm） 二、球阀的计算 2.1 壁厚的确定 见闸阀相应的计算 2.2 球体与阀座之间比压的计算 应满足 qMF q [ q ] 式中：qMF：密封面上的必须比压（MPa） ① 可根据工作压力来计算，qMF =1.2P（适用于中低压通径不大场合） ② 由试验得出的经验公式计算：
式中：DJH：进口密封座导向外径 （mm） 设计给定 R： 球体半径 （mm） 设计给定 h： 密封面接触的宽度在水平方向的投影 （mm） h = l2-l1 式中 l2 ，l1：球体中心至密封面的距离（mm）见图示 ③ 其它密封球阀，略 [q]：密封面材料的许用比压[MPa] 查下表
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qMF m(
a cp ) b
式中：m:与流体性质有关的系数 对常温液体：m=1 对常温油品和空气、蒸汽以及高于 100℃的液体：m=1.4 对氢、氮及密封要求高的介质：m=1.8 a，c：与密封面材料有关的系数，见表所示 密封面材料 钢、硬质合金 聚四氟乙烯、尼龙 铜、铸铁 中硬橡胶 软橡胶 a 3.5 1.8 3.0 0.4 0.3 c 1 0.9 1 0.6 0.4
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q
( DMW DMN ) P 4( DMW DMN )
式中：DMW ：阀座密封面外径（mm）设计给定 DMN ：阀座密封面内径（mm）设计给定 P ：介质工作压力（MPa） ② 对进口密封的固定球阀（见图示）
进口密封固定球球阀结构
2 2 2 P ( DJH 0.6 DMN 0.4 DMW ) q 8 Rh cos
20 40
15 30
注：钢和铜合金的牌号对于铸态和堆焊均适用。 2.3 球阀的转矩计算 2.3.1 浮动球阀总转矩计算 浮动球阀中，所有载荷由介质出口的阀座密封圈承受，总转矩由下式计算 MF = MQz + MFT + MMJ 式中：MQZ：球体在阀座中的摩擦力矩
青铜 奥氏体 不绣钢 马氏体 不绣钢 氮化钢 堆焊 合金 中硬 橡胶 F-4 尼龙
2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2 35CrMoAlA、38CrMoAlA TDCoCr1-x TDCr-Ni（含 Ni）
250 300 250 250 5
45 80 80 80 4
SFB-1，SFB-2，SFB-3 SFBN-1，SFBN-2，SFBN-3
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密封面材料的许用比压 [q]
[q] 密封面材料 材料硬度 密封面 间无 滑动 黄铜 CuZn40Pb2，CuZn38Mn2Pb2，CuZn38 CuZn16Si4 CuAL10Fe3 CuAL10Fe3Mn2，CuAL9Fe4Ni4Mn2 1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti HB 80～95 HB 95～110 HB≥110 HB 120～170 HB 140～170 HB 200～300 HR 35～40 Hv 800～1000 HR 40～45 HB 280～320 80 100 80 100 150 [MPa] 密封面 间有 滑动 20 25 25 35 40