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1、PN100、DN450手动三瓣式天然气管线球阀设计过程装备与控制工程3班 07190232 贺新雁 指导老师：李树勋 副教授摘 要球阀已成为长输管线阀门中的首要选择。球阀是以球体作为关闭件的主要切断类阀门。全通径球阀具有流体阻力小, 节省能源,流向不受限制, 启闭快等优点。其综合技术性能比相同用途的截止阀、旋塞阀和蝶阀均优越。本设计重点介绍了球阀中最常用的一种固定球软密封管线球阀的设计过程和内容。设计过程主要包括：设计计算、结构设计、主要零部件的强度校核。根据任务书的要求，参考国际、国内现有球阀的结构，设计完成了球阀中阀体、侧阀体、阀盖、阀杆、球体、密封弹簧、防静电装置和驱动装置等主要零部件的
2、设计。针对本设计中阀体螺栓载荷强度的校核进行了计算机编程，翻译了相关文献资料，完成了相关课题的论文一篇。本设计可为固定球软密封球阀的设计提供一定的参考。关键词：管线球阀; 设计; 弹性密封;固定球球阀AbstractBall valve has become the primary choice of the long-distance pipeline.It is the major closure types of valves to cut off as ball. Full bore perforation ball valve has the advantages of small
3、flow resistance, saving energy，Unrestricted flow, fast hoist and so on. It has excellent technical performance than stop valves, plug valves and butterfly valves. This project introduces the design process and the content of the soft-sealing type of fixed ball pipelines ball valve were introduced, w
4、hich is the most commonly used one. The design process mainly included design and calculation, structural design, main spare part strength examination. According to the requirements in the task of the design, referenced to the structure of the international and internal existing ball valves, and com
5、pleted the design of the intermediate body, the Side body, bonnet , stem, ball, sealing spring，electrostatic prevention device, drive actuator and main spare parts. Aiming at the strength of the check valve bolt load to computer programming, translation of the relevant literature, and completed the
6、relevant topic of a thesis. The design can provide certain information for the design of the soft-sealing type of fixed ball pipelines ball valve. Key words: pipelines ball valve ; design ; elastic sealing; fixed ball valve一、概述管线输送已成为当代物料运输的主要方式之一，利用长距离管线输送油和天然气等资源已成为当今世界能源输送的最主要手段。其中阀门是天然气管网的主要元件之一
7、，控制着管线中介质的流向，调节介质的流量和压力，保护管道和设备。全通径球阀具有流体阻力小，节省能源,流向不受限制, 启闭快等优点。其综合技术性能比相同用途的截止阀、旋塞阀和蝶阀均优越，成为了长输管线中首选的阀门。球阀的结构形式和品种规格极其繁多，而且新产品、新结构仍不断涌现。常用的球阀结构可分为浮动球球阀与固定球球阀两大类。本设计采用三瓣式固定球软密封结构，法兰连接，作为油气管线用阀，为保证球阀使用的安全，设计成双重密封结构、紧急注脂结构和防火结构。同时为防止球体与密封圈、阀杆间摩擦产生的静电带来危害，加装了防静电装置。二、球阀基本理论（一）球阀工作原理球阀是以球体作为关闭件的阀门。主要功能是
8、切断或接通管道中的流体通道，即球阀通常为闭路阀。因此，球阀的作用原理很简单：借助手柄或其它驱动装置在阀杆上端施加一定的转矩并传递给球体，使它旋转90，球体的通孔则与阀体通道中心线重合或垂直，球阀便完成了全开或全关的动作。（二）球阀的特点（1）流体阻力小 本次设计的球阀为全通径的球阀，即所谓的全流量型，由于其通道直径等于管道内径，局部阻力损失只有同等长度管道的摩擦阻力，即在所有阀门中，这种球阀的流阻最小。（2）开关迅速、方便 由于球阀在一般情况下只需手柄转动90就完成了全开或全关动作，很容易实现快速启闭。（3）密封性好 绝大多数球阀的阀座都是用聚四氟乙烯等弹性材料制造，一般来说软密封的密封性容易
9、保证，而且对密封表面的加工精度与表面粗糙度要求也不很高。（4）寿命长 由于聚四氟乙烯有良好的自润滑性，与球体的摩擦磨损小，而且由于球体加工工艺的改进，使粗糙度降低，从而提高了球阀的使用寿命。（5）可靠性高 球阀的可靠性高主要是因为:球体与阀座一对密封副不会发生擦伤、急剧磨损等故障;阀杆改为内装式后，消除了阀杆在流体压力作用下可能因填料压盖松开而飞出的事故隐患;采用防静电、耐火结构的球阀，适用于输送石油、天然气、煤气的管线。（6）阀体内通道平整光滑 更适于输送粘性流体，浆液，以及固体颗粒。 （三）主要零部件(1) 阀体：侧阀体，中阀体。(2) 密封部件：弹簧，密封圈，浮动支座，注脂接头。(3)
10、传动部件：主轴，阀杆，手轮，轴承，轴套。(4) 支撑部件：轴承座，球体支撑部件。（四）密封方式球阀的密封采用弹簧组弹性阀座，结构如图1所示。弹簧组弹性阀座具有双面密封和良好的弹性补偿能力，能够始终阀座压紧球体而达到预紧状态。可以通过改变阀座与球体的接触中径Dm和起活塞作用的浮动支座外径d1之比例关系，使球阀达到阀前阀座密封和阀后阀座密封，即所谓的双面密封结构。当d1Dm时，弹簧组弹性阀座达到阀前密封，如图1-a所示，支座的受力面积A1大于阀座的方向受压面积A2，流体压力在弹性阀座上产生的不平衡力将阀前阀座推向球体，压紧并保持密封。当d1A4,在流体压力作用下，阀前阀座退离球体，流体通过阀前阀座
11、与球体之间的间隙进入阀门体腔内。对于阀后阀座，由于A5A6，在流体压力的作用下，阀座被推向球体，压紧并保持密封。a) 阀前密封b) 阀后密封图1 固定球球阀弹性阀座结构三、设计参数及要求项 目参 数最高使用压力6.3MPa最高使用温度-28150公称直径DN450连接方式法兰连接材 料铸钢（WCB）产品使用地中原四、设计过程（一）确定阀体材料根据工作介质的性质确定合适的材料，保证材料具有足够的耐腐蚀性，并具有可靠的强度和刚度。由于本产品输送的介质为石油，天然气等具有一定的腐蚀性的，其工作温度为-28150，工作压力为6.3Mpa，属于高温高压的工作环境，因此阀体材料既要具有一定的耐腐蚀性还要有
12、足够的强度，在考虑这些问题的前提下，本球阀阀体材料选用铸钢WCB，球体材料选用锻钢A105。阀杆、蜗轮轴、采用40Cr，蜗杆轴选用45钢，蜗轮的轮毂采用TH200、轮芯采用ZCuSn10P1,减速器箱体采用HT250,轴承端盖采用HT150。（二）球阀结构设计与计算根据以上所提供的设计数据，依据GB12221-2005 金属阀门结构长度确定了PN63、DN350球阀的结构长度l=889 mm,根据计算和GB/T12224-2005 钢制阀门一般要求,确定阀体的最小壁厚t=20mm；查管路附件设计选用手册确定了球阀连接法兰的标准尺寸为D=600mm，d=350 mm；参考球阀设计与选用计算球阀力
13、为Q=126577.4N，确定了弹簧的预紧力Q1 =12246N；通过对球阀转矩的计算确定驱动装置的输出转矩M=4393369 N/mm，减速器采用蜗轮-蜗杆传动；驱动装置与阀杆通过联轴器连接。由于该球阀主要在天然气管线上使用，因此也设计了防火、防静电装置、紧急注脂结构，满足了球阀在特殊场合、特殊工况下使用的要求。至于其他一些零部件，严格参照相关标准进行设计计算，校核强度。 1.球体支撑结构形式的确定球阀按球体支撑方式分为有浮动球球阀和固定球球阀，其中浮动球球阀的球体没有支撑轴，球体通过阀门进、出口两端的阀座予以支撑。固定球球阀的球体下面有支撑轴，能够承受较大的重力，故选用有支撑轴的固定球形式
14、。 2.阀座密封结构的设计与计算根据密封力以及密封比压的要求，选择弹性密封阀座，球体在介质压力和弹簧预压缩所产生的弹力的双重作用下，获得了密封所需要的密封比压。在密封比压计算过程当中，必须保证必须比压qb设计比压q许用比压q。 3.阀体壁厚的设计与计算阀体铸造加工而成，由于PN=6 Mpa，采用厚壁计算公式，并考虑到球阀在使用过程中介质的腐蚀性选取一定的附加裕量。 4.中阀体和侧阀体的结构设计及计算中阀体和侧阀体计算包括对法兰结构进行设计计算，确定法兰盘的厚度以及相关的密封结构，根据球阀力的大小确定法兰螺栓的的公称直径，并确定螺栓数目，并对螺栓强度进行校核，在对法兰强度进行校核时，要对螺栓留有
15、一定的扳手空间。 5.阀杆的设计与转矩的计算根据球阀密封力的大小以及填料、轴承对阀杆的摩擦力计算出球阀的转矩，然后由球阀转矩的大小计算出阀杆的最小直径，最后根据阀体的具体结构确定阀杆的相关尺寸，阀杆与球体间采用双键连接，最后阀杆和键进行校核，确保球阀使用安全。 6.驱动装置的设计与计算阀门驱动装置是把动力源的能量转变成阀杆运动，从而开启、关闭、或控制阀门开度的一种机械传动装置。本设计球阀用驱动装置采用蜗轮蜗杆减速驱动，根据球阀转矩的大小确定蜗轮蜗杆的传动比，从而计算出蜗轮蜗杆的具体尺寸，并配备相应的手轮。由于球阀球体仅旋转90，故用120的扇形蜗轮代替全蜗轮。（三）强度校核及材料选择(1).球
16、阀密封力的计算其中包括流体压力在阀座密封面上引起的作用力Q0的计算，弹簧预紧力Q1的计算，以及阀座滑动摩擦力的计算。(2).球阀转矩的计算其中包括球体与阀座密封圈摩擦转矩的计算，V型填料摩擦转矩的计算，以及轴承摩擦转矩的计算。(3).主要零部件的校核其中包括阀杆，轴的强度校核，连轴器的强度计算，键的强度校核，中法兰及中法兰用双头螺栓的强度校核。五、结论以PN63、DN350固定球软密封管线球阀为设计对象，对球阀进行了详细设计，通过翻阅大量参考文献及外文资料，严格按照相关国家标准进行。设计过程包括按设计参数进行密封比压及球阀转矩的计算，方案论证，然后进行了结构设计，选择了零部件的材料，对球阀的主
17、要零部件进行了强度校核，绘制了球阀的装配图及零部件图。PN63、DN350固定球软密封管线球阀的设计是一次综合性、实践性很强的设计，经过一学期的努力，运用大学四年所掌握的学科知识，在GB/T12224-2005和实用阀门设计手册等相关资料的指导下，并参考国际、国内现有球阀的结构，最终完成了从球阀整体方案的确定到每一个细节的设计。本次毕业设计使我不仅在阀门、压力容器的设计和材料的选择方面得到了很好的锻炼，也在查询相关文献，尤其外文文献的能力上得到了很好的实践。更重要的是通过本次毕业设计掌握了很多学习方法，总结了一些实践经验，使我深刻的体会到所学理论知识与生产实践相结合的重要性，它不但可以加深对理
18、论知识的理解，而且可以将理论知识很好的应用与实践，指导实践生产。参考文献1 章华友等.球阀设计与选用M.北京：北京科学技术出版社，19942 陆培文.实用阀门设计手册M.北京：机械工业出版社，2007.93 沈阳阀门研究所.阀门设计M.北京：机械工业出版社,19764 吴宗泽.机械设计实用手册M.北京：化学工业出版社，20045 顾兆林.机械设计手册M.北京：机械工业出版社6 GB/T 12224-2005 钢制阀门一般要求S7 梁志民等.机械设计基础教程M.兰州：兰州大学出版社，2004 8 GB/T 12237-2007 石油、石化及相关工业用的钢制球阀S9 黄劲枝.机械设计基础M.北京：机械工业出版社，2001.710 任金泉.机械设计课程设计M.西安：西安交通大学出版社，2002.1211 陆培文.国内外阀门新结构M.北京：中国标准出版社，199712 成大先.机械设计手册单行本联接与紧固M.北京：化学工业出版社，200413 GB/T 12221-2005 金属阀门结构长度S
