一、概述
球閥是通過球體繞閥桿軸線旋轉90℃來實現閥門的開啟和關閉。球閥在管道上主要用于切斷、分配和改變介質流動方向。由于球閥結構簡單、流阻小、密封性能好，因此使用非常廣泛，是近年來發展較快的閥門品種之一；但球閥也存在制造工藝復雜、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。
二、大中口徑球閥主要結構
目前大中口徑球閥的主要結構形式有：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二種。現將其結構及特點分析如下：
1、螺栓連接體蓋結構的球閥，結構如圖1
該結構球閥的優點：(1)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整，并且易損件可以更換，從而使閥門生產制造的成品率較高。
該結構球閥的缺點為：(1)由于螺栓聯接，增加了閥門的對外泄漏點；(2)由于采用螺栓聯接，在設計時，閥體壁厚必須滿足設計壓力下的強度要求，還應滿足連接螺栓在設計(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)該結構閥體分為左中右三部分，閥門加工過程中，左中右閥體的內外表面及兩端都需要加工，加工工序繁雜，增加了加工成本。
2、焊接連接體蓋的三片式球閥，結構如圖2
該結構球閥的優點：體積和重量較螺栓連接閥體閥蓋結構的要小；對外泄漏點少，可用于直埋式。
該結構球閥的缺點為：(1)雖然閥體與閥蓋采用焊接連接，在設計時，閥體壁厚只要考慮滿足設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構球閥的體積較前述閥體閥蓋螺栓連接結構球閥的體積要小、重量也輕，但由于圓筒形狀閥體和左右閥蓋連接法蘭的結構無法減小，所以在實際中這種閥體閥蓋焊接結構球閥的體積較閥體閥蓋螺栓連接結構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構的球閥一樣閥體閥蓋焊接連接結構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，使得這種結構球閥的加工成本比閥體閥蓋螺栓連接結構還要高；(3)閥體閥蓋焊接結構球閥的兩條焊縫離閥座圈距離較近，焊接時產生的高溫容易傳導至閥座圈位置，使閥座密封圈和O型圈易被燒壞或變形，而導致閥門內漏，還有焊接使閥門產生的焊接應力，也容易使閥體和閥蓋產生變形，尤其是閥蓋的變形導致閥座圈卡死而無法密封，因此這種結構的球閥制造技術難度大、成品率低，這是目前很多閥門企業不生產全焊接球閥及全焊接球閥得不到推廣的原因之一；(4)裝配過程中體蓋一經焊接就不能拆卸，使閥座密封圈壓縮余量無法調整，密封效果難以控制，也使閥門生產制造的要求高、成品率降低，這也是很多閥門企業不生產全焊接球閥的另外一個原因。
三、大中口徑球閥結構型式的設計新思路
為了解決現有技術條件下球閥結構的不合理、泄漏點多、重量較大、制造工序復雜等技術問題，現提供一種結構簡單、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：在閥體的中問焊接，使焊縫遠離密封元件；
(2)閥體采用二半橢圓體；
(3)結構如圖3。
四、比較與分析
1、體積小、重量輕，使原材料成本大為降低
a、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，其壁厚按薄殼最大主應力強度理論計算：式（1）
式中：Sb—考慮腐蝕裕量后的閥體壁厚(mm)；
p—設計壓力，取公稱壓力PN(MPa)；
Di—閥體中腔最大內徑(mm)，根據結構需要選定；一般為流道通徑DN的1.5～1.7倍，即
[σL]—材料的許用拉應力(MPa)；
C—考慮鑄(鍛)造偏差、工藝性和介質腐蝕等因素而附加的裕量(mm)。
所以，公式(1)可簡化為：式（2）
新結構球閥的閥體為橢圓流線型，閥體的最大腔體部位又為橢圓形，為簡化計算將橢圓長半軸的最大曲率半徑視為球徑；閥體壁厚可以按厚壁球形閥體進行計算：式（3）
式中：SB—考慮腐蝕裕量后的閥體壁厚(mm)；
p—設計壓力，取公稱壓力PN(MPa)；
R—橢圓形體的長軸半徑(mm)，根據結構需要選定；一般為流道通徑DN的1.1～1.3倍，即R=(1.1～1.3)DN；
[σL]—材料的許用拉應力(MPa)；
C—考慮鑄(鍛)造偏差、工藝性和介質腐蝕等因素而附加的裕量(mm)；
所以，公式(3)可簡化為：式（4）
由公式(2)和(4)，在簡略附加裕量C后通過計算比較可知：式（5）
由公式(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，其重量減少得就越明顯。
b、圖形實際分析
通過圖3與圖1、圖2的結構比較可以看出：圖3的新型結構球閥是通過左右閥體的直接焊接實現的，省去了三體式球閥大且厚的中部連接法蘭，使得新型結構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，結合實際的生產情況，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％。
2、毛坯制造簡便、毛坯產品率高
用公式(1)計算通徑為DN的閥門流道部位壁厚，結果如下：式（6）
S′b—流道壁厚
由公式(6)和公式(4)進行比較，在簡略附加裕量C后通過的計算可知：式（7）
從公式(7)可以看出，新型橢圓形閥體最大體腔壁厚與其進出口端流道部位的壁厚已相當接近；再考慮流道部位須要機械加工的因素；在實際生產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力大為減小，還使毛坯鑄造或鍛壓的成品率大大提高。
3、焊接熱影響小
因新型結構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，使高溫不能傳導至閥座位置，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致閥門內漏，還有由于焊縫距離閥座圈較遠，焊接應力導致閥體閥座部位的變形有限，不會導致閥座圈卡死而無法密封。
4、對外泄漏點少，可用于直埋式
5、流線型閥體，外形美觀
6、新型結構球閥的缺點
同焊接連接體蓋的三體式球閥一樣，新型結構的球閥在裝配時左右閥體一經焊接就不能拆卸，使閥座密封圈壓縮余量也無法調整。為此須對閥座密封圈進行改進設計，采用更先進的閥座密封方法，如球前球后雙重密封、閥座密封圈采用O型圈等，從而使閥門的密封效果更好、使用壽命更長。
五、結束語
新型單焊縫結構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，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，也是現型結構大中口徑球閥的替代產品，是一種很有應用前景的新型結構的球閥。
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