一、概述
球閥是通過(guò)球體繞閥桿軸線旋轉(zhuǎn)90℃來(lái)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)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(dòng)方向。由于球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流阻小、密封性能好，因此使用非常廣泛，是近年來(lái)發(fā)展較快的閥門(mén)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。
二、大中口徑球閥主要結(jié)構(gòu)
目前大中口徑球閥的主要結(jié)構(gòu)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?，F(xiàn)將其結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)分析如下：
1、螺栓連接體蓋結(jié)構(gòu)的球閥，結(jié)構(gòu)如圖1
該結(jié)構(gòu)球閥的優(yōu)點(diǎn)：(1)裝配過(guò)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(mén)生產(chǎn)制造的成品率較高。
該結(jié)構(gòu)球閥的缺點(diǎn)為：(1)由于螺栓聯(lián)接，增加了閥門(mén)的對(duì)外泄漏點(diǎn)；(2)由于采用螺栓聯(lián)接，在設(shè)計(jì)時(shí)，閥體壁厚必須滿足設(shè)計(jì)壓力下的強(qiáng)度要求，還應(yīng)滿足連接螺栓在設(shè)計(jì)(或操作)壓力、墊片密封比壓作用下的強(qiáng)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(mén)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(mén)加工過(guò)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。
2、焊接連接體蓋的三片式球閥，結(jié)構(gòu)如圖2
該結(jié)構(gòu)球閥的優(yōu)點(diǎn)：體積和重量較螺栓連接閥體閥蓋結(jié)構(gòu)的要?。粚?duì)外泄漏點(diǎn)少，可用于直埋式。
該結(jié)構(gòu)球閥的缺點(diǎn)為：(1)雖然閥體與閥蓋采用焊接連接，在設(shè)計(jì)時(shí)，閥體壁厚只要考慮滿足設(shè)計(jì)壓力下的強(qiáng)度及閥蓋法蘭的剛度要求，不要考慮連接螺栓在設(shè)計(jì)(或操作)壓力、墊片密封比壓作用下的強(qiáng)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結(jié)構(gòu)無(wú)法減小，所以在實(shí)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(méi)有減少多少、閥門(mén)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(mén)加工過(guò)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(shí)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(mén)內(nèi)漏，還有焊接使閥門(mén)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(wú)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，這是目前很多閥門(mén)企業(yè)不生產(chǎn)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(guò)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(wú)法調(diào)整，密封效果難以控制，也使閥門(mén)生產(chǎn)制造的要求高、成品率降低，這也是很多閥門(mén)企業(yè)不生產(chǎn)全焊接球閥的另外一個(gè)原因。
三、大中口徑球閥結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)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(diǎn)多、重量較大、制造工序復(fù)雜等技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泄漏點(diǎn)少、工序簡(jiǎn)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(wèn)焊接，使焊縫遠(yuǎn)離密封元件；
(2)閥體采用二半橢圓體；
(3)結(jié)構(gòu)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(jì)算分析
圓筒形狀閥體的球閥，為保證殼體強(qiáng)度需求，其壁厚按薄殼最大主應(yīng)力強(qiáng)度理論計(jì)算：式（1）
式中：Sb—考慮腐蝕裕量后的閥體壁厚(mm)；
p—設(shè)計(jì)壓力，取公稱壓力PN(MPa)；
Di—閥體中腔最大內(nèi)徑(mm)，根據(jù)結(jié)構(gòu)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(yīng)力(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(mm)。
所以，公式(1)可簡(jiǎn)化為：式（2）
新結(jié)構(gòu)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(jiǎn)化計(jì)算將橢圓長(zhǎng)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(jìn)行計(jì)算：式（3）
式中：SB—考慮腐蝕裕量后的閥體壁厚(mm)；
p—設(shè)計(jì)壓力，取公稱壓力PN(MPa)；
R—橢圓形體的長(zhǎng)軸半徑(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；
[σL]—材料的許用拉應(yīng)力(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(mm)；
所以，公式(3)可簡(jiǎn)化為：式（4）
由公式(2)和(4)，在簡(jiǎn)略附加裕量C后通過(guò)計(jì)算比較可知：式（5）
由公式(5)可以看出，閥體的壁厚減小達(dá)13％～35％，而且隨閥門(mén)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(shí)際分析
通過(guò)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(guò)左右閥體的直接焊接實(shí)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(mén)的重量更有了直接而明顯的下降。
通過(guò)以上的理論和實(shí)際的分析，結(jié)合實(shí)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(mén)公稱通徑的增大減重效果更為明顯，可以達(dá)到40％。
2、毛坯制造簡(jiǎn)便、毛坯產(chǎn)品率高
用公式(1)計(jì)算通徑為DN的閥門(mén)流道部位壁厚，結(jié)果如下：式（6）
S′b—流道壁厚
由公式(6)和公式(4)進(jìn)行比較，在簡(jiǎn)略附加裕量C后通過(guò)的計(jì)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(jìn)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(jī)械加工的因素；在實(shí)際生產(chǎn)中新型橢圓形閥體可用同一壁厚進(jìn)行毛坯的鑄造或鍛壓；不僅使模具簡(jiǎn)單化，使毛坯鑄造或鍛壓過(guò)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。
3、焊接熱影響小
因新型結(jié)構(gòu)的焊接球閥是由兩個(gè)半橢圓形閥體對(duì)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(yuǎn)，焊接過(guò)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(duì)O型圈、密封圈熱影響較小，不會(huì)使閥座密封圈和O型圈燒壞或變形而導(dǎo)致閥門(mén)內(nèi)漏，還有由于焊縫距離閥座圈較遠(yuǎn)，焊接應(yīng)力導(dǎo)致閥體閥座部位的變形有限，不會(huì)導(dǎo)致閥座圈卡死而無(wú)法密封。
4、對(duì)外泄漏點(diǎn)少，可用于直埋式
5、流線型閥體，外形美觀
6、新型結(jié)構(gòu)球閥的缺點(diǎn)
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(shí)左右閥體一經(jīng)焊接就不能拆卸，使閥座密封圈壓縮余量也無(wú)法調(diào)整。為此須對(duì)閥座密封圈進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用更先進(jìn)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(mén)的密封效果更好、使用壽命更長(zhǎng)。
五、結(jié)束語(yǔ)
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，廣泛適用于石油、天然氣長(zhǎng)途輸送管線，尤其是大中口徑、埋地式的長(zhǎng)途輸送管線，也是現(xiàn)型結(jié)構(gòu)大中口徑球閥的替代產(chǎn)品，是一種很有應(yīng)用前景的新型結(jié)構(gòu)的球閥。
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