枕＿圣 造～～ 顶装硬密封球阀的设计 合肥通用机械研究院 （安徽２３００３１） 程红晖 自贡高压阀门股份有限公司 （四川６４３０３２）朱永平 【摘要】介绍了顶装硬密封球阀的结构特点和设 计计算方法。 【关键词】顶装硬密封球阀 ＼ ／ 刁 一、前言 硬密封球阀的密封面具有较高的硬度，可以承受 较高的使用温度和管线压力，具有较好的节流调节性 能，能抗固体颗粒、汽蚀及闪蒸的损害，并具有良好的 密封性能。顶装球阀在系统卸压后，可方便地实现在线 检查和维修，使维护简单化。顶装硬密封球阀兼有顶装 球阀和硬密封球阀的优点，启闭迅速，仅需旋转９０。即 可实现启闭，因而得到较快的发展，在石化、地面集 输、海底输油、输气管线、煤化工及冶金等领域得到广 泛的运用。 图１顶装硬密封球阀结构 １．阀体２阀座３弹簧４．球体５．轴承６阀杆７．唇形密封圈 ８Ｏ形圈９．防静电弹簧１Ｏ阀盖 ＿ ／ｌｌ Ｉ … 刁 硬密封球阀的启闭力矩通常是软密封球阀的两倍 具有以下特点： 以上，如何降低顶装硬密封球阀的启闭力矩，更为方便 地实现在线维修，成为业内人士关注的重点，本文简单 （１）阀体采用整体锻造或铸造整体锻造（ＤＮ ≤１０ｉｎ）（１ｉｎ＝０．０２５４ｍ）或铸造（ＤＮ＞１２ｉｎ）加工， 介绍了顶装硬密封球阀的结构特点和设计经验。 阀门采用全通径结构，最小流道直径符合ＡＰＩ ６Ｄ的规 定，便于清管，减少流阻。 二、结构设计 顶装硬密封球阀采用如图１所示结构，主要由阀 （２）球体采用锻钢制造为提高球体的耐磨性、 抗汽蚀、抗冲刷能力，球体表面喷涂碳化钨，厚度不小 体、球体、阀座、阀盖、阀杆和弹簧等零件组成。 于０．２５ｍｍ，硬度≥１ ２００ＨＶ。为减少球体转动摩擦，球 酬西用朝赣 ｍ ． ｘ．ｎｅｔ ２０１０￣第１２期 体转轴安装有自润滑轴承，下端固定在阀体上，上端通 过阀盖固定。当阀门关闭时，流体压差产生的推力通 过转轴、自润滑轴承传递到阀体和阀盖上。球体无压力 平衡孔，球阀能在阀门全关或全开的时候，排放阀门中 腔的介质，能够在不改变操作条件的情况下，对阀座和 阀杆密封进行有效的检查和维护，实现双截断和排放 （ＤＢＢ）。 （３）阀杆采用防尘、防飞设计结构设计允许球 体在介质压差产生的推力下，沿阀门中心线轴向移动， 而使阀杆不承受径向载荷或弯曲载荷，只传递操作阀门 的扭矩，实现了纯扭矩操作，减小了阀门操作扭矩，确 保阀杆可长期稳定的工作。 （４）阀杆密封用唇形ＰＴＦＥ￥１１０形密封圈构成内 外三组密封副（对高温工况采用柔性石墨做密封），实 现阀杆三重密封，阀杆外部有保护环，防止外部物质进 入阀杆的密封处。 （５）采用对称双阀座阀前阀座密封固定球结 构，锻钢制造，密封表面堆焊钴基１ 合金，加工后厚度 不小于３ｍｍ，硬度５５～６０ＨＲＣ。每个阀座是独立可轴 向浮动的，通过弹簧预紧实现低压密封，并且合理设计 成自动泄压式阀座密封结构，是双向密封型。每一侧都 能承受全压差，能确保阀门连续长期运行。 （６）紧急密封压盖和阀体上都设计有注脂孔， 如图２所示，如果阀杆或阀座密封有所损伤而引起泄 漏，可注入密封脂实现二次密封。每个注脂孔内都装有 止回阀，在端ＶＩ有一个为注脂枪连接的快速接头。 图２紧急密封的实现结构 １．排污阀２、４．注脂阀３放空螺塞５．止回阀 （７）阀门设计为防火安全型、防静电设计球 体、阀杆、阀体之间通过防静电弹簧连接为一个导电 体。在阀体上部安装放空螺搴，便于进行压力试验和对 阀腔进行清洗。在阀体底部采用螺纹联接安装排污阀， 用来控制阀体中腔内的杂质排出。 （８）阀盖接盘尺寸符合ＩＳＯ ５２１ ｌ标准的规定接盘 设计为既可安装加长杆（埋地阀门），又可接各种（手 动、电动或气动）执行机构。 （９）在线维修结构顶装球阀的优势就在于可以 方便地实现在线维修，为实现在线维修，阀座设计为 图３所示结构，装配时先将阀座、弹簧座自阀体顶部装 入，阀座向两边退人流道孔，装入球体，然后将阀座 推向球体，通过定位销将弹簧座和阀座推向球体，并 靠弹簧的预紧力实现初始密封。需在线维修时，将阀 盖打开，通过定位销上的螺孔将定位销拔出，将弹簧 座向后移动，此时阀座亦可以向后移动，当两边阀座 移开后，就可以取出球体和阀座，并对损伤的密封副 进行检修。 ２ ６ 图３阀座结构 １＿阀体２球体３阀座４．弹簧５弹簧座６．定位销 三、设计计算 为了保证阀门能安全、可靠、稳定的运行，需要 对阀体壁厚、密封比压、开启力矩、阀杆强度进行计算 或校核，其中阀体壁厚、密封比压的计算这里就不作赘 述，仅列举开启力矩、阀杆强度的公式： （１）阀杆扭矩计算 ＭＦ＝ＭＱＧ＋ＭＦｒ＋ ｃ （１） 式中 。。——球体与阀座密封圈的摩擦力矩，单位为 Ｎ・ｍｍ； 推力轴承的摩擦力矩，单位为Ｎ・１Ｔｌｌｎ； 阀杆与填料间的摩擦力矩，单位为Ｎ．ｉＹｌｌｎ； ＾ ——轴承的摩擦力矩，单位为Ｎ－ｍｍ。 。。按下式计算： Ｇ＝ＭＱＧｌ＋＾ Ｇ２ （２） ＧＭ通用虮栅 ２０１０￣第ｌ２期、 ｗ．ｔｙｉｘ．１ｌｅｔ 近一 糖∽ ｌ伽通用祝耱蒯遭 Ｉ ＧＭ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 式中Ｍ。。 ——由阀座对球体的预紧力产生的摩擦力 矩，单位为Ｎ－ｍｍ； 四、结语 顶装硬密封球阀具有侧装球阀的各项功能兼具硬 密封球阀的优点，与传统的硬密封球阀相比较，球体的 支撑结构让阀杆实现纯扭矩操作减小了阀门操作扭矩， 靠定位销固定的弹簧座和阀座及球体可以很方便的实现 Ｍ。。：——由介质工作压力产生的摩擦力矩，单 位为Ｎ・ｍｍ。 朋 按下式计算： １＝ｎｑｆＭＲ（ＤＭｗ 一Ｄｌ ），４ （３） 在线检测和维修，替代石化系统 电力系统 城建及冶 金系统中的截止阀、闸阀、旋塞阀及蝶阀，具有广泛推 广前景。涂装前产品实物如图４所示。 式中，Ｍ——密封面间的摩擦因数； ＤＭＮ——阀座密封面内径，单位为ｍｍ； 一阀座密封面外径，单位为ｍｍ； —球体半径，单位为ｍｍ； ｇ——计算比压，单位为ＭＰａ。 朋 按下式计算： Ｍ ２＝ｎｐｆＭＲ ＤｊＨ－－０．５ＤＭＮ 一０．ｓＤＭｗ ），（８ｃｏｓ￣）（４） 式中 ——设计压力，取公称压力尸Ｎ，单位为ＭＰａ； 进口端阀座密封圈的外径，单位为ｍｍ； ——密封面法向与流道中心线的夹角。 ｐ（ 一ｄＴ）。／６４ （５） 图４油漆前产品 按下式计算： 式中Ｄ ——台肩外径或推力轴承外径，选两者中 小者，单位为ｍｍ； ——阀杆直径，单位为ｍｍ。 ＾ 的计算有两种情况： １）Ｖ形填料及圆形片状填料的摩擦转矩： ＭＴ＝０．６丌ｆ＃ＨｄＴ２ｐ （６） 参考文献 ［１］Ｐｈｉｌｉｐ Ｌ．Ｓｋｏｕｓｅｎ．阀门手册［Ｍ］．孙家孔，译．北京： 中国石化出版社，２００５． 式中‘——填料与阀杆的摩擦因数； ｚ－＿～填料圈数； ［２］杨源泉．阀门设计手册【Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９９２． 单圈填料高度，按中填料高度计算，单位为 ｍｍ。 【３】章华友．球阀设计与选用ｆＭ】．北京：北京科学技术 出版社，１９９４．ＧＭ ２）０形密封圈的的摩擦转矩： （收稿日期：２０１０／０９／２４） （７） 坼＝０．５ ７ｒ 式中厂０—（０．３３＋０．９２ ｄ０ｐ） ０形圈与阀杆的摩擦因数； （《）——０形圈的内径。 ＭｚＣ按下式计算： 肘 ＝０．１２５ ７ｒＤｊＨ （８） 式中 ＿轴承摩擦因数； ｄｏ ——球体轴颈直径，单位为ｍｍ。 （２）阀杆扭转强度在阀杆最小截面 处： ｆ Ｎ ≤ｆ ｒ Ｎ】 （９） 式中Ｍ＿ｍ——阀杆的最大开启力矩； ，Ｒ——阀杆的扭转截面系数。 Ｇ棚西用棚麓 ｗｗｗ．ｔｙｊ￣．ｎｅｔ ２０１０年第１２期