3.2 閥體設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.2.1 閥體的功能

閥體是閥門中最重要的零件之一，閥體的重量通常占這個(gè)閥門總重量的70%左右。

閥體的主要功能有：

① 作為工作介質(zhì)的流動(dòng)通道。

② 承受工作介質(zhì)壓力、溫度、沖蝕和腐蝕。

③ 在閥體內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)空間，設(shè)置閥座，以容納啟閉件，閥桿等零件。

④ 在閥體端部設(shè)置連接結(jié)構(gòu)，滿足閥門與管道系統(tǒng)安裝使用要求。

⑤ 承受閥門啟閉載荷和在安裝使用過程中因溫度變化、振動(dòng)、水擊等影響所產(chǎn)生的附加載荷。

⑥ 作為閥門總裝配的基礎(chǔ)。

3.2.2 確定球閥結(jié)構(gòu)

球閥結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比：

（1）浮動(dòng)球閥的結(jié)構(gòu)

① 球體由閥桿控制自由地浮動(dòng)在兩閥座密封圈中旋轉(zhuǎn)、密封，靠加給兩閥座密封圈的預(yù)緊力和介質(zhì)的壓力將球體壓緊在出口端的閥座密封圈上屬單面強(qiáng)制密封。

② 除球體自重外，還承受工作介質(zhì)的全部載荷，球體和閥座的密封比壓與介質(zhì)壓力有關(guān)。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕。

缺點(diǎn)：閥座密封面不管是采用金屬還是非金屬材料，都必須有足夠的強(qiáng)度，能夠承受高的密封比壓；裝配時(shí)預(yù)緊力不易控制。

操作力矩大，適用于中、低壓較小口徑的閥門。

（2）固定球閥的結(jié)構(gòu)

① 球體與上、下閥桿連成一體得以固定，不會(huì)移動(dòng)，閥桿上可裝軸承，減小摩擦。

② 支承力從閥座密封圈傳遞到球體的閥桿上，操作力矩小，可活動(dòng)閥座在介質(zhì)壓力的作用下使密封圈壓緊在球體上，起密封作用。

優(yōu)點(diǎn)：操作力矩小，適用于高壓、大口徑的閥門。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較浮動(dòng)球閥復(fù)雜；質(zhì)量較浮動(dòng)球閥重。

因此，適用于高壓、大口徑的閥門。

綜上所述，根據(jù)設(shè)計(jì)工況，本章設(shè)計(jì)球閥結(jié)構(gòu)采用固定球閥結(jié)構(gòu)。

3.2.3 確定閥體設(shè)計(jì)材料

根據(jù)工作介質(zhì)的性質(zhì)確定合適的材料，保證材料有足夠的耐腐蝕性，并具有可靠的強(qiáng)度和剛度。材料的選擇見表3-1。

3.2.4 內(nèi)徑的確定

　　（3-1）

式中 Q —LNG流量，取3200m3/d；

d —管道內(nèi)徑，mm；

—管道內(nèi)流體的速度，取1.8m/s。

假定管內(nèi)流速為1.8m/s，

查《閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》表得：取，

3.2.5 最小壁厚的確定

由于最小壁厚不能直接從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中查出，故采用插入法進(jìn)行計(jì)算。

　　（3-2）

查《閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》。

式中 tm —計(jì)算的閥體壁厚，mm；

PN —閥門公稱壓力，MPa；

PN1 —最小壁厚表中公稱壓力（小值），MPa；

PN2 —最小壁厚表中公稱壓力（大值），MPa；

tm1 —由PN1=4.0MPa可查表得出的厚度，mm；

tm2 —由PN2=5.0MPa可查表得出的厚度，mm。

將所查數(shù)據(jù)代入式（3-2）得：

球閥閥體常用整體鑄、鍛或者棒材加工而成。由于所給條件的工作壓力適于中低壓，所以采用薄壁計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如式（3-3）所示。

　　（3-3）

式中 —名義厚度，mm；

—有效厚度，mm；

—壁厚附加量，mm。

　　（3-4）

式中 p —設(shè)計(jì)壓力，MPa；

—許用應(yīng)力，MPa；

—閥體內(nèi)徑，mm。

代入式（3-3）可得

3.2.6 球體的直徑確定

球體的直徑大小影響球閥結(jié)構(gòu)的緊湊性，因此應(yīng)盡量縮小球體直徑，球體半徑一般按照計(jì)算，同時(shí)為保證球體表面能完全覆蓋閥座密封面，選定球徑后須按照式（3-5）進(jìn)行校核：

　　（3-5）

必須滿足D＞Dmin。

式中 Dmin —最小球體直徑，mm；

D2 —閥座外徑，mm；

d —球體通道口直徑，mm，mm。

mm

式中 —最小球體半徑，mm。

mm

為便于設(shè)計(jì)計(jì)算，取球體直徑D=250mm。

全通徑球閥的優(yōu)點(diǎn)：

① 損失小，防堵塞，耐高壓，耐磨損；

② 密封面無摩擦，密封性能好，使用壽命長(zhǎng)。

縮頸球閥的優(yōu)缺點(diǎn)：

① 重量比全通徑的球閥輕30%左右，有利于減輕管道負(fù)荷，降低成本；

② 縮頸球閥的閥芯內(nèi)徑與公稱直徑一樣，通常用于滿負(fù)荷流量，要求壓降小，液體介質(zhì)居多；綜合考慮，此章設(shè)計(jì)球閥采用全通徑球閥；選取球體通道孔直徑d=150mm。

3.2.7 球體與閥座之間密封比壓的確定

作用于單位密封面上的平均正壓力稱為密封比壓，密封比壓實(shí)際上是指密封面理論計(jì)算的比壓。

密封比壓按式（3-6）計(jì)算：

　　（3-6）

式中 q —密封比壓，MPa，查《閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取q＝150 MPa；

FMZ —出口端閥座密封面上的總作用力，N；

d —閥座密封面內(nèi)徑，mm，查《閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取254 mm；

bM —閥座密封面寬度，mm，查《閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取10 mm。

將數(shù)據(jù)代入式（3-6）可得：

3.2.8 彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）彈簧強(qiáng)度條件

根據(jù)理論推導(dǎo)，彈簧的強(qiáng)度條件為：

　　（3-7）

式中 [τ]—許用剪應(yīng)力，取決于彈簧材料和符合類型。

若為靜載荷或循環(huán)次數(shù)N≤103，則K=1；若為變荷載，則K＞1。

　　（3-8）

式中 K —曲度指數(shù)；

c —旋繞比，一般取。

（2）彈簧剛度條件

剛度KP反映彈簧的基本性能，可根據(jù)公式算出：

　　（3-9）

又

　　（3-10）

式中 D —彈簧外徑，mm；

D2 —彈簧中徑，mm；

n —彈簧有效工作圈數(shù)。

　　（3-11）

式中 D —彈簧外徑，mm；

n —彈簧有效工作圈數(shù)。

（3）制造條件

彈簧制造中的主要參數(shù)為旋繞比c，當(dāng)d不變時(shí)，D2小，則c小，卷繞困難。

因?yàn)?/p>

　　（3-12）

所以

（4）行程條件

彈簧的行程h與螺距t有關(guān)，在P2作用下，彈簧各圈之間應(yīng)留有一定的間隙δ()。

因?yàn)?/p>

　　（3-13）

而

　　（3-14）

所以

　　（3-15）

由上述可見，d、D、n、t與式（3-13）、式（3-15）、式（3-17）、式（3-18）存在一定關(guān)系，彈簧的設(shè)計(jì)，首先必須滿足強(qiáng)度與行程條件。強(qiáng)度條件不滿足，可改選材料。如尺寸不夠理想，可改選c和[τ]來加以調(diào)整。

本章設(shè)計(jì)按式（3-13）～式（3-18）設(shè)計(jì)彈簧時(shí)，采用試算法進(jìn)行計(jì)算；已知P2=1.58×107N，行程為h=11mm。

① 繪制彈簧示意圖3-2

(取0.3)

根據(jù)計(jì)算得，mm、mm、mm。

② 計(jì)算彈簧主要尺寸

奧氏體不銹鋼N/mm，取，計(jì)算。

初選，查表MPa。

，合格。

取圈。

3.2.9 比壓的計(jì)算

必須比壓是為保證密封，密封面單位面積上所需的最小壓力，以qb表示。由于流體壓力或附加外力的作用。在球體與閥座之間產(chǎn)生壓緊力，于是必須比壓是球閥設(shè)計(jì)中最基本的參數(shù)之一，直接影響球閥的性能與結(jié)構(gòu)尺寸。閥座的示意圖如圖3-3所示。式（3-16）是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果（《閥門設(shè)計(jì)與應(yīng)用》機(jī)械工業(yè)出版社）得出的計(jì)算公式：

　　（3-16）

式中 qb —設(shè)計(jì)比壓，MPa；

c —與密封面材料有關(guān)的系數(shù)，查《使用閥門技術(shù)問答》，取c=3.5；

p —流體工作壓力，取p=0.3MPa；

k —在給定密封面材料條件下，考慮介質(zhì)壓力對(duì)比壓值的影響系數(shù)，上網(wǎng)查資料，取k=0.8；

b —密封面寬度，取b=10mm。

將數(shù)據(jù)代入式（3-16）可得：

設(shè)計(jì)時(shí)，確定的在密封面單位面積上的壓力，稱為設(shè)計(jì)比壓，以q表示。選擇密封面時(shí)應(yīng)使密封可靠、壽命長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)緊湊，必須保證：

　　（3-17）

設(shè)計(jì)比壓中的力的平衡關(guān)系進(jìn)行計(jì)算：

　　（3-18）

　　（3-19）

式中 N —球體對(duì)閥座密封面的法向力，N；

S —閥座與截出的球心環(huán)帶面積，S=2πr(L1-L2)；

Q —作用于閥座密封面上的沿流體方向的合力，N；

φ —密封面法向與流道中心線的夾角，（°）。

　　（3-20）

　　（3-21）

式中 r —摩擦半徑，mm；

L1，L2 —球體中心線至閥座兩端面的距離，mm；

D1 —閥座內(nèi)徑，mm，取D1=150mm；

D2 —閥座外徑，mm，取D2=179.2mm；

Dm —閥座平均直徑，mm；

R —球體半徑，mm。

整理所得數(shù)據(jù)代入式（3-18）可得：