全焊接固定球阀的设计与计算.docx
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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/T19672-2005、GB/T20173-2006和美国石油学会标准API6D-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/T19672-2005《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
=45°时，
，所以
。
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bM（mm）：
（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
bM=0.027p2+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
（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bM，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
所以2a=bM,因此球体的直径应增加bM,则球体半径
，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/T20173-2006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/T150-1998《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ASMEB16.34-2009《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ASMEB16.34-2009中的公式，分母中的应力系数应乘以0.75。
即：
图5
图6
（3）
t—计算得出的壁厚，in；
PC—class数值，如class600，PC=600；class900，PC=900；
dC—中腔内径，in；
SF—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Cin
class
dC
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
—
—
—
48
0.179
0.176
0.097
0.105
—
—
—
50
0.176
0.181
0.102
0.096
—
—
—
52
—
—
—
—
—
—
—
54
—
—
—
—
—
—
—
56
—
—
—
—
—
—
—
58
—
—
—
—
—
—
—
60
—
—
—
—
—
—
—
若按GB/T12224-2005标准计算最小壁厚应为：
（4）
式中：
tB—虑内压的最小计算壁厚，mm；
PN—公称压力数值；
S—应力系数，取48.3MPa;
DN—阀体中腔最大内径，mm；
E—焊缝强度有效系数，取0.75；
K—系数，见表2；
C1—附加裕量，见表3
表2K系数
公称压力PN
16
20
25
40
50
63
100
110
150
160
250
260
420
K
1.25
1.25
1.0
1.0
1.0
0.91
0.91
1.0
0.97
1.0
表3附加裕量C1mm
PN
DN
16
20
25
40
50
63
100
110
150
160
250
260
420
6
2.93
2.9
2.9
2.84
2.80
2.77
2.60
2.68
2.70
2.76
10
2.87
2.84
2.84
2.74
2.67
2.72
2.62
2.76
2.46
2.39
15
2.81
2.76
2.76
2.71
2.61
2.63
2.28
2.73
2.03
1.79
20
2.74
2.67
3.07
3.18
3.14
3.44
3.14
3.21
2.41
2.08
25
3.68
3.69
3.79
3.94
3.98
3.85
3.11
3.79
2.49
2.68
32
4.38
4.28
4.28
3.96
3.74
3.59
2.63
3.56
2.70
2.59
40
4.28
4.15
4.15
3.75
3.48
3.48
3.09
3.42
2.52
2.06
50
4.85
4.79
4.89
4.69
4.65
4.40
3.01
3.08
2.48
3.06
65
4.66
4.54
4.64
4.49
4.26
4.53
2.70
3.01
2.51
1.94
80
4.56
4.30
4.80
4.60
4.46
4.86
2.68
3.14
2.05
1.73
90
4.63
4.93
5.23
4.74
4.43
4.48
2.50
3.19
2.50
2.12
100
4.90
4.77
5.07
4.68
4.60
5.30
2.92
2.95
2.66
3.21
125
4.98
5.07
5.37
4.82
4.48
4.45
2.73
3.84
2.85
3.39
150
4.85
4.66
5.06
4.86
4.75
4.71
2.53
4.23
3.04
3.46
175
4.93
4.75
5.25
4.91
4.63
4.66
2.64
4.11
3.53
4.14
200
5.10
4.64
5.24
4.85
4.60
4.61
2.45
4.20
3.52
3.72
225
4.98
4.74
5.34
4.80
4.48
4.66
2.55
4.39
3.20
3.80
250
4.85
4.53
5.23
4.74
4.45
4.71
2.66
4.48
3.19
3.98
275
4.93
4.62
5.32
4.78
4.43
4.86
2.96
4.77
3.08
4.05
300
5.20
4.82
5.62
4.83
4.30
4.81
3.07
5.15
3.37
4.13
325
5.28
4.91
5.81
5.17
4.78
5.16
2.57
5.54
3.56
4.01
350
5.35
5.00
6.00
5.42
4.95
5.31
2.48
5.63
3.75
4.08
400
5.31
4.89
5.99
5.30
4.80
7.41
2.89
6.20
3.93
4.34
450
5.36
4.87
6.17
5.49
4.95
5.62
2.80
6.18
3.91
5.09
500
5.41
4.86
6.26
5.38
4.81
5.72
3.21
6.56
4.09
5.35
550
5.36
4.75
6.35
5.57
4.95
5.92
3.13
7.53
3.97
5.50
600
5.61
4.93
6.63
5.56
4.81
5.92
3.04
8.01
4.44
5.76
650
5.56
4.92
6.72
5.74
4.96
6.22
2.95
8.48
4.62
6.01
700
5.71
4.90
6.80
5.63
4.81
6.32
3.36
8.96
4.50
6.46
750
5.56
4.79
6.89
5.82
4.96
6.52
3.27
9.13
4.68
6.72
800
5.81
4.98
7.18
5.81
4.81
6.53
3.48
9.71
4.86
6.97
850
5.86
4.96
7.36
6.00
4.96
6.83
3.40
10.18
5.04
7.13
900
5.91
4.95
6.55
6.09
5.11
7.03
3.51
10.66
5.22
7.38
950
5.86
4.83
7.53
6.07
4.96
7.43
3.72
11.14
5.40
7.64
1000
6.11
5.02
7.82
6.26
5.11
7.33
3.63
11.61
5.57
8.09
1050
6.16
5.01
7.91
6.25
4.96
7.33
3.74
12.09
5.75
8.35
1100
6.11
4.99
8.09
6.34
5.11
7.64
3.65
12.56
5.63
8.50
1150
6.06
4.88
8.18
6.53
5.26
7.94
3.86
13.04
5.81
8.76
1200
6.32
5.06
8.46
6.51
5.11
7.94
3.78
13.41
5.99
9.01
1250
6.37
5.05
8.55
6.70
5.26
8.14
3.89
13.69
6.17
9.46
（2）壳体开孔补强的要求
1）不另行补强
①设计压力≤2.5MPa
②两相邻开孔中心间的距离（对于曲面间距以弧长计算）应小于两孔直径之和的两倍；
③接管公称外径≤89mm；
④接管最小壁厚满足表4要求
表4接管最小壁厚mm
接管公称外径
25
32
38
45
48
57
65
76
89
最小壁厚
3.5
3.5
3.5
4.0
4.0
5.0
5.0
6.0
6.0
注：
钢材的标准抗拉强度下限值RM＞540MPa,接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。
接管腐蚀裕量为1mm。
2）平盖开孔补强要求见GB150第8.6节。
3）通过开孔中心，且垂直于壳体表面的截面上的最小补强面积按下列要求确定：
圆筒或球壳开孔所需补偿面积按式5计算：
（5）
式中：
A—开孔削弱所需要的补强截面积，mm2；
d—开孔直径，圆形孔取接管内直径加2倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量）,mm;
—壳体开孔处的计算厚度，mm；
对于圆筒壳体：
（6）
对于球形壳体：
（7）
式中：
PC—计算压力，MPa；
Di—圆筒或球壳的内直径，mm；
[σ]t—设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力，MPa.
按GB150第4章，
φ—角焊缝强度有效系数，按API6D,取0.75。
δet—接管有效厚度，δet=δnt-C，mm
式中：
δnt—接管名义厚度，mm
C—厚度附加量，mmC=C1+C2
式中：
C1—钢材厚度负偏差，钢管的厚度负偏差按钢材标准规定，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度6%时。
偏差可以忽略不计。
C2—腐蚀裕量，mm；介质为天然气，C2≥1.5mm
fr—强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，当此值不大于1.0时，取fr=1.0。
圆筒或球壳补强厚度：
圆筒壳体按式6
球形壳体按式7
4全焊接固定球球阀密封比压的计算
（1）单向密封球阀密封比压的计算如图7所示。
球体5安装在两个滑动轴承3中，阀座安装于活动套筒6内，活动套筒在阀体中靠O形圈14与阀体孔密封，阀座借助弹簧组12预压紧球体。
介质进口端阀座，在球体关闭时，靠阀座密封圈内径DMN和进口密封套筒外径DJH所形成的环形面积上的介质作用力压紧球体，以达到球阀的密封。
密封的可靠性在很大程度上取决于密封面平均直径DMP与套筒外径DJH之比。
如果DJH和DMP的比值不够大时，球阀将不能保证可靠密封。
另一方面，如果DJH过大将造成阀座密封圈过载，而使球阀的开关转矩加大，阀门磨损加快。
1）进口端阀座对球体的压力（N）：
FQ=FZJ+FTH（8）
式中FZJ—介质经阀座压在球体上的力（N），按式（9）计算；
FTH—弹簧组压紧力（N）,按式（10）计算。
（9）
式中DJH—活动套筒外径（mm）；
DMN—阀座密封面内径（mm）；
p—设计压力，取公称压力的1／10（MPa）。
（10）
式中FMY—阀座密封圈对球体的预紧力（N）、按式（11）计算；
FMM—阀座密封圈上的O形圈与阀体孔之间的摩擦力（N），按式（12）计算。
（11）
式中DMW—阀座密封面外径（mm）；
qMYmin—阀座预紧密封的最小比压，对于PTFE，qMYmin=1.6MPa。
则式
改写成：
。
（12）
式中DJH—活动套筒外径（mm）；
—O形圈与阀体内孔的接触宽度（mm）；取O形圈断面半径的
；
Z—O形圈个数；取两个；
—密封比压（MPa）,
；若O形圈断面取φ5.3mm，O形圈密封与压力关系不大，故体腔内压力取po=0MPa,则：
qMF=1.35MPa；f为橡胶O形圈与阀体孔的摩擦系数，取f=0.4。
则
（13）
因此
2）阀座密封面上的实际工作比压。
①阀座密封面工作比压（MPa）：
（14）
图7单向密封全焊接固定球球阀结构
1—阀体；2—支撑板；3—滑动轴承；4—轴承；5—阀体；6—阀座支撑圈；7—键；8—阀杆；9—防静电装置；10—阀座注脂孔；11—注脂管；12—弹簧；13—防火垫；14—O形圈；15—卡紧圈
式中N—阀座密封圈对球体的法向压力（N）,
；
AMH—密封圈环带面积（mm2），AMH=
。
则
（15）
（2）双向密封球阀密封比压的计算双向密封球阀和单向密封一样，球阀的进口端和出口端使用同样的单向密封阀座，就得到双向密封固定球球阀。
其双向密封球阀的密封比压，同单向密封球阀。
（3）双阀座双向密封球阀阀座密封比压的计算
1）进口端阀座密封比压的计算:
其计算方法和计算式同单向密封球阀的阀座计算式。
2）体腔内介质压力对阀座产生的比压的计算:
出口端密封的固定球球阀的基本特点是:
当阀门关闭后，密封力是由中腔介质压力产生的，用以保证球阀密封。
这样就减少了球体支承轴承的载荷。
图8双向密封全焊接固定球球阀
1—阀体；2—支撑板；3—滑动轴承；4—轴承；5—球体；6—阀座支承圈；7—键；8—阀杆；9—防静电装置；10—阀座注脂孔；11—O形圈；12—弹簧
其结构如图8所示，与进口密封相比，结构上的主要区别在于活动套筒阀座密封直径DHW小于阀座密封面的平均直径DMP。
阀座对球体的压力：
FQ=FZJ+FTH（16）
式中FZJ—介质经阀座压在球体上的力（N），按式（17）计算；
FTH—弹簧组压紧力（N），按式（18）计算。
（17）
式中DJH—活动套筒外径（mm）；
DHW—密封外径（mm）；
DMW—密封面外径（mm）。
FTH=FMY+FMM（18）
式中FMY—阀座密封圈对球体的预紧力（
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