閥門在長輸管線中的重（chóng）要（yào）作用及其分類，其（qí）中球閥由（yóu）於良好的密封性（xìng）能等優點（diǎn）而被廣泛使（shǐ）用。主要指固定式軟密（mì）封球閥，描述了球閥的結構、球閥的特點、材（cái）料的選擇和強度計算等，後設計出了一種新的（de）係統，同時提出了球閥今後的發展（zhǎn）方向。

1、概述

　　用長輸管線輸送氣、油等介質時，都具有量大、壓力大、材料要求高等特（tè）點。長輸（shū）管線在傳（chuán）送流動介質時需要對它們進行控製，因而在管線上設置大量閥（fá）門。閥門的作（zuò）用分兩種：1)各係統幹線的出入口，開啟和關閉的作用；2)中部增壓站等，控製介質的（de）輸送。目（mù）前閥門的種類較多，有平板（bǎn）閘閥、球閥、止回閥等（děng）。閥門的連接形（xíng）式有法蘭和對接焊連接兩種。目前球閥由於其結構緊湊、密封（fēng）性能好、開關速度快等優點而被廣泛應用（yòng）。如圖1所示為其中一種球閥。

　　球閥的組成一般有閥（fá）座、閥（fá）體、球體、閥杆和轉動（dòng）裝置五部分。其中閥體（tǐ）的形式有：兩段式螺栓連接閥體、三段式螺栓連（lián）接閥體、全（quán）焊接式閥體和上裝式閥體。介質溫度範圍為-29℃~200℃；球閥的結構長度標準為API6D、API608；適合（hé）介質有石油、天然氣、煤（méi）氣等（děng）；操（cāo）作方（fāng）式為渦輪轉動、手動和電動等。

1.1、工作原理

　　球閥就是用閥杆帶動圓形（xíng）通道的球體繞軸線旋轉的閥門（mén）。主要負責接通和切斷流體通道，所以球（qiú）閥一般是閉路閥，也（yě）可以用於控（kòng）製和調節（jiē）流體。球閥是一個（gè）有孔的球體，借助手（shǒu）柄等裝置在閥杆上施加（jiā）轉矩使其沿著和通道的軸線垂直方向旋轉90度，完成分配、切斷或改變介質流向的管（guǎn）道和動作。近年（nián）來隨著其技術（shù）的發展，它又具備了節（jiē）流和控製流量的作用。

1.2、球閥特點

　　球閥結構簡單、體積小、重量輕、密封性好和操（cāo）作簡單（dān），近些年來發展迅速，在各行業都得到廣泛應用，成為主導的閥（fá）門之一。

　　1)密封性能好：大（dà）部分（fèn）球（qiú）閥的閥座（zuò）選用彈性材料聚四氟乙烯等製造，緊急（jí）注脂的密封性較好，對密封表麵的粗糙程度和表麵的（de）加工精（jīng）度的要求也不高。

　　2)使用壽（shòu）命長：管線投入使用是不允許停止的，聚（jù）四氟乙烯的自（zì）潤滑性很好，對球體的磨（mó）損較小，加上先進（jìn）的加工技術，使（shǐ）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（guǎn）道內徑就是整（zhěng）個通道直徑，因此（cǐ）管（guǎn）內阻力很小，是所有閥門中流阻小的一種。

　　4)開啟關閉方便迅速：隻要手柄轉動90°就能（néng）很輕（qīng）鬆的控製球（qiú）閥。

　　5)閥（fá）體內光滑平整：對於輸送粘性流體、固體顆粒、漿液都很適宜。

2、球閥結構

　　1)球體支撐結構（gòu）形式

　　通常球閥按照球（qiú）體的支（zhī）撐方式可以分為有浮動球和固定（dìng）球球閥兩種，而（ér）浮動球球閥的球體（tǐ）中並無支（zhī）撐軸，球體（tǐ）的支撐依靠閥門進（jìn）口、出口的閥座來控（kòng）製。固定球球閥就具有支撐軸，相比浮動球球閥所能承受的重力要大（dà）得多，所以我們選擇（zé）固定球形（xíng）式的球閥。固定（dìng）式（shì）受壓後球體不會移（yí）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)密封形式

　　這裏我們選擇彈性密封閥座，這樣球體的彈力在（zài）介質壓力和彈（dàn）簧預壓縮的雙重作用之下，能夠滿足密封力和密封（fēng）比壓的要求，獲得較好的（de）密封比壓。在沿著（zhe）閥（fá）門的通道（dào）橫截麵周圍布置一組壓縮彈簧，作為（wéi）其推力，這樣就（jiù）能（néng）保持閥座和球體的預緊狀態。

　　3)減速器的結構

　　考（kǎo）慮到軸減速器在球閥中的（de）形式以及（jí）其安裝的位（wèi）置，考慮（lǜ）用體積（jī）較小、傳動比大的蝸輪-蝸杆減速器，球閥球體隻需要（yào）旋轉90°，用扇形（xíng）的蝸輪來取代全蝸輪減速器。

　　4)軸承端蓋的結構（gòu）

　　軸承端蓋也是十分重要的一個零件，用途廣（guǎng）泛。主要用作軸承外圈（quān）的（de）固定、防塵和密封、調節軸承間隙並承受軸（zhóu）向力，使（shǐ）得主軸箱平穩（wěn）轉動。它可分為嵌入式和凸緣式（shì），選（xuǎn）擇凸緣式軸承（chéng）端蓋效果更好，密封性能好，調整軸承間隙方便。

3、設計過程

3.1、設計規範

　　按照上麵關於球閥（fá）的介紹，依據GB12221-2005決定用PN40、DN500來（lái）做球閥金屬閥門結構長度，其結構長度l=1250mm，由計算確定鋼質閥體的壁厚小t=30mm；球閥連接法蘭（lán）的尺寸為D=755mm，d=500mm；球閥力Q=247793.7N，彈簧的預緊力Q1=35168N；驅動裝置的輸出轉矩M=7701348N/mm，選擇蝸輪-蝸杆傳動作為減速器（qì）；用聯軸（zhóu）器（qì）連接驅動裝置和（hé）閥杆。此外還（hái）需要增加防靜電裝置、防火裝置、緊急注脂（zhī）等，滿足特殊（shū）場合下使用的要求。

3.2、強度計算及材（cái）料

　　1)計算密封力

　　(1)流體壓力在閥座密（mì）封麵上引起的（de）作用力Q0：

　　QMJ為流體靜壓力在閥座密封麵的作用力。

　　QJ為流體靜壓力在密封麵（miàn）餘隙中的作用力；

　　預緊力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（jǐn）力靠彈（dàn）性元件達到。

　　(2)彈簧預緊力Q1的計算：

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

　　(3)計算閥座滑（huá）動摩擦力Q2：

　　公式（shì）中，d1為支座的外徑；F'0為0形圈開始彈性壓縮在接觸麵上的摩擦力；F0為（wéi）0形（xíng）圈在流體壓力下的摩擦力。

　　2)球閥轉矩的計算

　　計算球體和閥座密封圈摩擦轉矩的（de）公式：

　　滑（huá）動或（huò）者滾動軸承能夠（gòu）降低球閥旋轉時所產生的巨大摩擦（cā）力。軸承的結構和軸頸連接方式，由球閥的（de）通徑、壓力、工作介質等因素決定。

　　軸（zhóu）承摩（mó）擦轉矩Mc的公式：

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

　　3)主要零部（bù）件的校核

　　校核的範圍包括牙嵌式離合器的強度、閥杆的強度、鍵（jiàn）的強（qiáng）度、中法蘭用雙頭螺（luó）栓的強度。

　　4)選（xuǎn）擇球閥材料

　　選擇球閥的材料要考慮（lǜ）到球閥的（de）具體用途（tú）和使（shǐ）用所需的（de）條件（jiàn）。主要考慮（lǜ）介（jiè）質的（de）溫度、介質（zhì）的腐（fǔ）蝕性、輸送介質的性（xìng）質等方麵。本文中選擇球體A105，側（cè）閥體和中閥體為WCB，閥杆、蝸杆軸、蝸輪軸選擇40Cr，蝸輪的輪轂型號為TH200、輪芯型號為ZCuSn10P1，軸承端（duān）蓋采用HT150，減速器的箱（xiāng）體選用HT250。

4、未來發展趨勢

　　管線球閥今後的發展趨勢呈現為：1)大型化管線球閥的大型化將（jiāng）帶去更（gèng）大的（de）經濟（jì）效（xiào）益。2)高耐腐蝕（shí）材料（liào）閥門技術的發展（zhǎn），要求高強度的耐腐蝕材料與之適（shì）應。3)多重密封結構閥門想要更長的使用（yòng）壽命（mìng），需要多（duō）重複合材料。4)快速關閉及高可靠（kào）性。5)高自動化能夠預知事故的（de）發生，緊急關斷球閥。

5、結束語

　　本文設計的對象為管線（xiàn）球閥，球閥由於開（kāi）關迅速（sù）、阻力小、密封（fēng）性好等特點而被廣泛采用。對於球閥的球體支撐結構、密封形式、減速器等進行了詳細設計，確定了結構較好的固定式軟密封球閥，並（bìng）給出了結構圖；又詳細（xì）給出了零件所（suǒ）用材料和強度校核的計算。後指出了球閥今後的發展趨勢。這種球閥結構合理，性（xìng）能較好（hǎo），能夠滿足長輸管線的要求。