球閥是通過球體繞閥桿軸線旋轉(zhuǎn)90°來實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。球閥在管道上主要用于切斷、分配和改變介質(zhì)流動方向。由于球閥結(jié)構(gòu)簡單、流阻小、密封性能好，因此使用非常廣泛，是近年來發(fā)展較快的閥門品種之一;但球閥也存在制造工藝復(fù)雜、重量重、成本高等不利因素，特別是大中口徑的球閥更是如此。



大中口徑球閥主要結(jié)構(gòu)型式

目前大中口徑球閥的主要結(jié)構(gòu)型式有螺栓連接體蓋的三體式球閥和焊接連接體蓋的三體式球閥兩種，現(xiàn)將其結(jié)構(gòu)及特點分析如下。

1.螺栓連接體蓋結(jié)構(gòu)的球閥

該結(jié)構(gòu)球閥(如圖1所示)的優(yōu)點：裝配過程中體蓋可以多次拆卸，組裝方便有利于閥座密封圈壓縮余量的調(diào)整，并且易損件可以更換，從而使閥門生產(chǎn)制造的成品率較高。

該結(jié)構(gòu)球閥的缺點：

1)由于螺栓聯(lián)接，增加了閥門的對外泄漏點;

2)由于采用螺栓聯(lián)接，在設(shè)計時，閥體壁厚必須滿足設(shè)計壓力下的強度要求，還應(yīng)滿足連接螺栓在設(shè)計(或操作)壓力、墊片密封比壓作用下的強度要求及閥體與閥蓋連接法蘭的剛度要求，從而使閥體閥蓋體積增大，造成閥門體積大、重量重，原材料成本高;

3)該結(jié)構(gòu)閥體分為左中右三部分，閥門加工過程中，左中右閥體的內(nèi)外表面及兩端都需要加工，加工工序繁雜，增加了加工成本。



圖1 螺栓連接體蓋的三體式球閥

1.球體 2.右閥蓋 3.閥體 4. 閥桿 5.上固定軸 6.左閥蓋 7.下轉(zhuǎn)軸

8.螺栓、螺母 9.彈簧 10.閥座 11.型密封圈 12.密封圈

2.焊接連接體蓋的三體式球閥

該結(jié)構(gòu)球閥(如圖2所示)的優(yōu)點：

1)體積和重量較螺栓連接閥體閥蓋結(jié)構(gòu)的要小;

2)對外泄漏點少，可用于直埋式。

該結(jié)構(gòu)球閥的缺點：

1)雖然閥體與閥蓋采用焊接連接，在設(shè)計時，閥體壁厚只要考慮滿足設(shè)計壓力下的強度及閥蓋法蘭的剛度要求，不要考慮連接螺栓在設(shè)計(或操作)壓力、墊片密封比壓作用下的強度要求，因此這種閥體閥蓋焊接結(jié)構(gòu)球閥的體積較前述閥體閥蓋螺栓連接結(jié)構(gòu)球閥的體積要小、重量也輕;但由于圓筒形狀閥體和左右閥蓋連接法蘭的平板結(jié)構(gòu)無法減小。所以在實際中這種閥體閥蓋焊接結(jié)構(gòu)球閥的體積較閥體閥蓋螺栓連接結(jié)構(gòu)球閥的體積并沒有減少多少、閥門的重量和原材料成本的下降也很有限;

2)同閥體閥蓋螺栓連接結(jié)構(gòu)的球閥一樣閥體閥蓋焊接連接結(jié)構(gòu)的球閥也分為左中右三部分，在閥門加工過程中，閥體、閥蓋的內(nèi)外表面及兩端也都需要加工，尤其是球體上下固定板的加工精度要求很高、難度大，加工工序繁雜，使得這種結(jié)構(gòu)球閥的加工成本比閥體閥蓋螺栓連接結(jié)構(gòu)還要高;

3)閥體閥蓋焊接結(jié)構(gòu)球閥的兩條焊縫離閥座圈距離較近，焊接時產(chǎn)生的高溫容易傳導(dǎo)至閥座圈位置，使閥座密封圈和O型圈易被燒壞或變形，而導(dǎo)致閥門內(nèi)漏;還有焊接使閥門產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，也容易使閥體和閥蓋產(chǎn)生變形，尤其是閥蓋的變形導(dǎo)致閥座圈卡死而無法密封;因此這種結(jié)構(gòu)的球閥制造技術(shù)難度大、成品率低;這是很多閥門企業(yè)不生產(chǎn)全焊接球閥的原因之一;

4)裝配過程中體蓋一經(jīng)焊接就不能拆卸，使閥座密封圈壓縮余量無法調(diào)整，密封效果難以控制，也使閥門生產(chǎn)制造的要求高、成品率降低，這也是很多閥門企業(yè)不生產(chǎn)全焊接球閥的另外一個原因。



圖2 焊接連接體蓋的三體式球閥

1.球體 2. 右閥蓋 3.閥體 4.閥桿 5.上固定板 6.左閥蓋 7.焊縫

8.下固定板 9.彈簧 10.閥座11.型密封圈 12.密封圈

大中口徑球閥結(jié)構(gòu)型式的新思路

為了解決現(xiàn)有技術(shù)條件下球閥結(jié)構(gòu)的不合理、泄漏點多、重量較大、制造工序復(fù)雜等技術(shù)問題，現(xiàn)提供一種結(jié)構(gòu)簡單、泄漏點少、工序簡單、成本低、綜合性能較好的大中口徑球閥。

1)采用二體焊接式：在閥體的中間焊接，使焊縫遠離密封元件;

2)閥體采用二半橢圓體

結(jié)構(gòu)如圖3所示。



圖3 新型結(jié)構(gòu)的球閥

1.球體 2.右閥體 3.閥桿 4.上固定軸 5.左閥體 6.焊縫

7.下轉(zhuǎn)軸 8.彈簧 9.閥座 10. 型密封圈 11.密封圈

比較與分析

1.閥體壁厚的計算分析

圓筒形狀閥體的球閥，為保證殼體強度需求，其壁厚按薄殼**主應(yīng)力強度理論計算：

Sb=pDi/(2[ρL]-p)+C (1)

式中Sb--考慮腐蝕裕量后的閥體壁厚，單位為mm;

p--設(shè)計壓力，取公稱壓力PN，單位為MPa;

Di--閥體中腔**內(nèi)徑，單位為mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要選定;一般為流道通徑DN的 倍，即

Di =(1.5~1.7) DN;

[ρL]--材料的許用拉應(yīng)力，單位為MPa;

C--考慮鑄(鍛)造偏差、工藝性和介質(zhì)腐蝕等因素而附加的裕量，單位為mm。

所以，公式(1)可簡化為：

Sb=(1.5~1.7)pDN/(2[ρL]-p) +C (2)

新結(jié)構(gòu)球閥的閥體為橢圓流線型，閥體的**腔體部位又為橢圓形，為簡化計算將橢圓長半軸的**曲率半徑視為球徑;閥體壁厚可以按厚壁球形閥體進行計算：

SB=pR/(2[ρL]-p)+C (3)

式中：

SB--考慮腐蝕裕量后的閥體壁厚，單位為mm;

p--設(shè)計壓力，取公稱壓力PN，單位為MPa;

R--橢圓形體的長軸半徑，單位為mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要選定;一般為流道通徑DN的1.1~1.3倍，即

R =(1.1~1.3) DN;

[ρL]--材料的許用拉應(yīng)力，單位為MPa;

C--考慮鑄(鍛)造偏差、工藝性和介質(zhì)腐蝕等因素而附加的裕量，單位為mm。

所以，公式(3)可簡化為：

SB=(1.1~1.3)pDN/(2[ρL]-p)+C (4)

對以上公式(2)和(4)進行比較，在簡略附加裕量C后通過的計算可知：

SB=(1.1~1.3)Sb/(1.5~1.7) (5)

通過公式(5)可以看出，閥體的壁厚減小達13%~35%，而且隨閥門的公稱通徑越大，R/Di的比值越小，閥體壁厚減少的越多;其重量減少的就越明顯。

2.圖形實際分析

通過圖3與圖1、圖2的結(jié)構(gòu)比較可以看出：圖3的新型結(jié)構(gòu)球閥是通過左右閥體的直接焊接實現(xiàn)的，省去了三體式球閥大且厚的中部連接法蘭，使得新型結(jié)構(gòu)閥門的重量更有了直接而明顯的下降。通過以上的理論和實際的分析，結(jié)合實際的生產(chǎn)情況，新型單焊縫焊接式球閥的整體重量較其他型式的球閥要輕30%左右，隨閥門公稱通徑的增大減重效果更為明顯，可以達到40%。

3.毛坯制造簡便、毛坯產(chǎn)品率高

用公式(1)計算通徑為DN的閥門流道部位壁厚，結(jié)果如下:

Sb′=pDN)/(2[ρL]-p)+C (6)

式中Sb′--流道壁厚，單位為mm。

通過對公式(6)和前述公式(4)進行比較，在簡略附加裕量C后通過的計算可知：

SB =(1.1~1.3)Sb′ (7)

從公式(7)可以看出，新型橢圓形閥體**體腔壁厚與其進出口端流道部位的壁厚已相當(dāng)接近;再考慮流道部位須要機械加工的因素;在實際生產(chǎn)中新型橢圓形閥體可用同一壁厚進行毛坯的鑄造或鍛壓;不僅使模具簡單化，使毛坯鑄造或鍛壓過程中由于壁厚差引起的局部應(yīng)力大為減小，還使毛坯鑄造或鍛壓的成品率大大提高。

4.焊接熱影響小

因新型結(jié)構(gòu)的焊接球閥是由兩個半橢圓形閥體對焊而成，其焊縫位于閥體縱向中間位置;焊縫距離閥座圈較遠，焊接過程中可以控制高溫傳導(dǎo)，使高溫不能傳導(dǎo)至閥座位置，對O型圈、密封圈熱影響較小，不會使閥座密封圈和O型圈燒壞或變形而導(dǎo)致閥門內(nèi)漏;還有由于焊縫距離閥座圈較遠，焊接應(yīng)力導(dǎo)致閥體閥座部位的變形有限，不會導(dǎo)致閥座圈卡死而無法密封。對外泄漏點少，可用于直埋式。流線型閥體，外形美觀。

5.新型結(jié)構(gòu)球閥的缺點

同焊接連接體蓋的三體式球閥一樣，新型結(jié)構(gòu)的球閥在裝配時左右閥體一經(jīng)焊接就不能拆卸，使閥座密封圈壓縮余量的無法調(diào)整。為此我公司對閥座密封圈進行了改進設(shè)計，采用更先進的閥座密封方法，而且還使閥門的密封效果更好、使用壽命更長。

綜上所述，新型單焊縫結(jié)構(gòu)的球閥由于其體積小、重量輕、外形美觀成流線型，制造成本低;其優(yōu)點在于，比筒形全焊接少一條焊縫，泄漏點更少，既加快生產(chǎn)進度，提高了工效;又實現(xiàn)了節(jié)約原材料，閥體重量也輕，球形外觀也光滑美觀。然而其焊接加工工藝焊縫對于加工精度要求更高，需達到一次焊成，焊接中不能出錯。否則出現(xiàn)報廢等現(xiàn)象。可廣泛適用于石油、天然氣長途輸送管線，尤其是大中口徑、埋地式的長途輸送管線，也是新型結(jié)構(gòu)大中口徑球閥的替代產(chǎn)品，已達到國際知名品牌德國舒克、日本TIX的單焊縫全焊接球閥的球形技術(shù)。這種新型結(jié)構(gòu)的球閥在國外早已成熟推廣應(yīng)用，尤其是上�？瓶崎y門為俄羅斯天然氣公司出口制造的全部是此類結(jié)構(gòu)的全焊接球閥產(chǎn)品，口徑可做到DN 1200，而在國內(nèi)還未**推廣應(yīng)用，是一種很有應(yīng)用前景的國產(chǎn)化的新型結(jié)構(gòu)的球閥。目前此種新型結(jié)構(gòu)的全焊接球閥將逐步在國內(nèi)能源戰(zhàn)略項目中推廣應(yīng)用。

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資訊來源：無錫科萊恩流體控制設(shè)備有限公司