閥門在長輸管線中的重要作用及其（qí）分類，其中（zhōng）球閥由於良好的密封性能等優點而（ér）被廣泛使用。主要指固定式軟密（mì）封球閥，描述（shù）了球閥的結構、球閥的特點、材料的選擇和強度計算等，後設計出了一種新的係統，同時提出（chū）了球閥今（jīn）後的發展方向。

1、概述

　　用長輸（shū）管線（xiàn）輸送氣、油等介質時，都具有量大、壓力大、材料要求高等特點。長輸管線在傳送流動介質（zhì）時需要（yào）對它們進行控製，因而在管線（xiàn）上設置大量閥門。閥門的作用分兩種：1)各係統幹線的出（chū）入口（kǒu），開啟和關閉的作用；2)中部增壓（yā）站等，控製介（jiè）質的輸送。目前閥門的種類（lèi）較多，有平板閘閥、球閥、止回閥等。閥門（mén）的（de）連接形式（shì）有法蘭和對接焊連接兩種。目前球閥由於其結構緊湊（còu）、密封性能好、開關速度快等優點而被廣泛應用。如圖1所示為其中一種球閥。

　　球閥的組成一般有閥座、閥體（tǐ）、球體、閥（fá）杆和轉動裝置五部分。其中閥體的形式有：兩段式螺栓連接閥體、三段式螺栓連接閥體、全焊（hàn）接式閥體和上裝（zhuāng）式閥（fá）體（tǐ）。介質溫度範圍為（wéi）-29℃~200℃；球閥的結構長度（dù）標準為API6D、API608；適合介質有石油、天然氣、煤氣等；操作方式為渦輪轉動、手動和電（diàn）動等。

1.1、工作原理

　　球閥就（jiù）是用閥杆帶動圓形通道的球（qiú）體繞軸（zhóu）線旋轉的閥門。主要負責接通和切斷流體通道，所以球閥一般是閉路閥，也可以用（yòng）於控製和調節流體。球閥是一個有孔的球體，借助（zhù）手柄等（děng）裝置在閥杆上施加轉（zhuǎn）矩使其（qí）沿著和通道的軸（zhóu）線（xiàn）垂直方向旋轉90度，完成分配、切斷（duàn）或改變介質（zhì）流向的管道和動作。近年來隨著其技術的發展，它又具（jù）備了（le）節流和控製流量的作用。

1.2、球閥特點

　　球閥結（jié）構簡單、體（tǐ）積小、重（chóng）量輕、密封（fēng）性好和操作簡單，近些年來發展（zhǎn）迅速，在各行業都得到廣（guǎng）泛應用（yòng），成為主導（dǎo）的閥門之一。

　　1)密封性能好：大部分球閥的（de）閥座選用彈性材（cái）料聚四氟乙烯等製造，緊急注脂的密封性（xìng）較好（hǎo），對密（mì）封表麵的粗糙（cāo）程度和表麵的加工精度（dù）的要求也不高。

　　2)使（shǐ）用壽命長：管線投入使用是不允許停（tíng）止的，聚四氟乙烯的自潤滑性很好，對球體的磨損較小，加上先進的加工技（jì）術，使其粗糙度降低，延長其使用壽命。

　　3)流體阻力小：球閥為全流量型，其管道內徑就是整（zhěng）個通道直徑，因此管內阻力很小（xiǎo），是（shì）所有閥門中流阻小的一種。

　　4)開（kāi）啟關閉方便（biàn）迅速：隻要（yào）手（shǒu）柄轉動90°就能很輕鬆的（de）控製球閥（fá）。

　　5)閥體內光滑平整：對（duì）於輸送（sòng）粘性流體、固體（tǐ）顆粒（lì）、漿液都很適宜。

2、球閥結構

　　1)球體支撐結構形式

　　通常球閥按照球體的支撐方式可以分（fèn）為有浮（fú）動球和固定球球閥兩種，而浮動球球閥的球（qiú）體中並無支撐軸，球體的支撐依靠閥門進口、出口的閥座來控製。固定球球閥就具有支撐軸，相（xiàng）比浮動球（qiú）球閥所能承受的重力要大得多，所以我們選擇固定球形式的球閥。固定式受壓後球體不會移動，而是浮動的閥座移動，使密封圈緊壓球閥，確保其密封性。

　　2)密封（fēng）形式

　　這（zhè）裏我們選擇彈性密封閥座，這樣球體的彈力（lì）在介質壓力（lì）和彈簧預壓縮的雙重作用（yòng）之下，能夠滿足密封力和（hé）密封比壓的要求，獲得較好的密封比壓。在沿著閥門的通道橫截麵周圍布置一組壓縮（suō）彈簧，作為其推力，這樣就（jiù）能保持閥座和球體（tǐ）的預緊狀態（tài）。

　　3)減速器的結（jié）構

　　考慮到軸減速器在球（qiú）閥中的形式以（yǐ）及其安裝的位置，考（kǎo）慮（lǜ）用體積較小、傳動比大的蝸輪-蝸杆減速器，球閥球（qiú）體隻需要旋轉90°，用扇形的蝸輪來取代全蝸輪減速器。

　　4)軸承端蓋的（de）結構

　　軸承端蓋也是（shì）十分重（chóng）要的（de）一（yī）個零件，用途廣（guǎng）泛。主要用作（zuò）軸承（chéng）外圈的固定、防塵和密封、調節軸承間（jiān）隙並承受軸向力（lì），使得主（zhǔ）軸箱平穩轉動。它可分為嵌入式和凸緣式，選擇凸緣式軸承端蓋效果更好，密封性能好（hǎo），調整軸承間隙方便。

3、設計過程

3.1、設計規範（fàn）

　　按照上麵關於球閥的介紹，依據GB12221-2005決定用PN40、DN500來做球閥金屬閥門結構長度，其（qí）結構長度l=1250mm，由計算確定鋼質閥體的壁厚小t=30mm；球閥（fá）連接法蘭的尺寸為D=755mm，d=500mm；球閥力（lì）Q=247793.7N，彈簧的預緊力Q1=35168N；驅動（dòng）裝置的輸（shū）出轉（zhuǎn）矩M=7701348N/mm，選擇蝸輪-蝸杆傳動作為（wéi）減速器；用聯軸器連接驅動裝置和閥杆。此外還（hái）需（xū）要增加防靜電裝置、防火裝置、緊急注脂等，滿足（zú）特殊場合下使（shǐ）用的要求。

3.2、強度計算及材料（liào）

　　1)計算密封力

　　(1)流體壓力在閥座（zuò）密封麵上引起（qǐ）的作用力Q0：

　　QMJ為流體（tǐ）靜壓力在閥座密封（fēng）麵的作用力（lì）。

　　QJ為流體靜壓力在（zài）密封麵餘隙（xì）中的作用力；

　　預緊力（lì）不但確保低壓球閥的密封性，同時補充流體作用力，確保使用時高壓球閥的密封性。固定球球閥的預緊力靠彈性元（yuán）件達到。

　　(2)彈簧預（yù）緊力Q1的計算（suàn）：

　　公式中，qmin為小比壓，qmin=0.1Mpa。D1、D2分別表示閥座的（de）內徑和外徑。

　　(3)計算閥座滑動摩擦力Q2：

　　公式中，d1為支座的外徑；F'0為0形圈開始彈性（xìng）壓縮在接觸麵上的摩擦力；F0為0形圈在流體壓力下（xià）的摩擦力（lì）。

　　2)球閥轉矩的計算

　　計（jì）算（suàn）球體（tǐ）和閥座密封圈摩擦（cā）轉矩的公式：

　　滑動（dòng）或者滾（gǔn）動軸承能夠降低球閥旋轉時所產（chǎn）生的巨大（dà）摩擦力。軸承的結構和軸頸連接（jiē）方式，由球（qiú）閥的通（tōng）徑、壓力、工作介質等因素決定。

　　軸承摩擦轉矩Mc的公式：

　　公（gōng）式中，QC為軸承（chéng）的徑向作用力，QC=π/4•d12p固定球球閥，預緊（jǐn）力和閥座摩擦力對軸承的總推力相互抵消。

　　3)主要零（líng）部件的校核

　　校核的（de）範圍包括牙嵌式離合器的（de）強度、閥（fá）杆的強度、鍵（jiàn）的強度、中（zhōng）法蘭用雙頭螺栓的（de）強度。

　　4)選擇球閥材料

　　選擇球閥的材料要考慮到球閥的具體用途和使用（yòng）所需的（de）條件（jiàn）。主要考慮介質的溫度、介質的腐蝕性、輸送介質的性質等方麵。本文中選擇球體A105，側閥體和中閥體為WCB，閥杆、蝸杆軸、蝸輪（lún）軸選擇40Cr，蝸輪的輪轂型號為（wéi）TH200、輪芯型號為ZCuSn10P1，軸（zhóu）承端蓋采用HT150，減速器的箱體選用（yòng）HT250。

4、未來發展趨勢

　　管（guǎn）線球閥今後的發展趨（qū）勢呈現為：1)大型化（huà）管線球閥的大型化將帶去更大的經濟效益。2)高耐腐蝕材料閥門技術的發展，要求高強（qiáng）度（dù）的耐腐蝕材料與之適應。3)多重密封結構閥門想要更（gèng）長（zhǎng）的使用（yòng）壽命，需要多重複合材料。4)快速（sù）關閉（bì）及高可靠性。5)高自動化能夠預知事故的發（fā）生，緊急關斷球閥。

5、結束語

　　本文設計的對（duì）象為（wéi）管線球閥，球閥由（yóu）於開關迅速、阻力小、密封性好等（děng）特點而被廣泛采用。對於球閥的（de）球體支撐結構、密封形式（shì）、減速器等進行了詳細設計，確定了結（jié）構較（jiào）好（hǎo）的（de）固定式軟密封球閥，並給出了結（jié）構圖；又詳細（xì）給出了零件（jiàn）所用（yòng）材料和強（qiáng）度校核的計算。後（hòu）指出了球閥今後的發展趨勢。這種球閥結構合理，性能較好，能夠滿足（zú）長（zhǎng）輸管線的要求。