全焊接固定球阀的设计与计算

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

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α=45°时，sin 2DN R

α=,2sin 2

α=, 2=22DN R 则，所以22

R DN =。如果按此式确定球

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L ＞DN,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b M (mm)：

/10

MF M c KP

q b +=

（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

b M =0.027p 2 +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

110

（MPa ）。

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b M ，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tan 12a

M b α==,所以2a=b M ,因此球体的直径

应增加b M ,则球体半径21b 2

2

M R DN =+，此值为达到

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。

3 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Ⅷ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5

图 6

1.52 1.2C C

F C P d t C S E p ⎛⎫⋅=+ ⎪⋅-⎝⎭

（3）

t —计算得出的壁厚，in ；

P C —class 数值，如class600，P C =600；class900，P C =900； d C — 中腔内径，in ；

S F —基本应力系数，取7000 E —焊缝强度有效系数，取0.75 C —附加裕量，in ，见表

表1 附加裕量C in class d C 150 300 600 900 1500 2500 4500 10 0.187 0.180 0.112 0.095 0.096 0.101 0.101 12 0.185 0.184 0.107 0.096 0.097 0.099 0.101 13 0.188 0.181 0.109 0.102 0.103 0.098 0.097 14 0.182 0.178 0.111 0.097 0.098 0.097 0.102 15 0.186 0.185 0.103 0.103 0.104 0.096 0.097 16 0.190 0.182 0.106 0.098 0.099 0.096 0.102 17 0.183 0.179 0.108 0.104 0.105 0.105 0.097 18 0.187 0.176 0.110 0.099 0.100 0.104 0.102 19 0.171 0.183 0.102 0.105 0.096 0.103 0.097 20 0.184 0.180 0.105 0.100 0.102 0.102 0.102 21 0.188 0.177 0.107 0.096 0.097 0.101 0.098 22 0.182 0.184 0.109 0.101 0.103 0.100 0.103 23 0.186 0.181 0.101 0.097 0.098 0.099 0.098 24 0.189 0.178 0.104 0.102 0.104 0.098 0.103 25 0.173 0.185 0.106 0.098 0.099 26 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

—

—

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