手動(dòng)三瓣式天然氣管線球閥設(shè)計(jì)

1、pn100、dn450手動(dòng)三瓣式天然氣管線球閥設(shè)計(jì)過(guò)程裝備與控制工程3班 07190232 賀新雁 指導(dǎo)老師：李樹勛 副教授摘 要球閥已成為長(zhǎng)輸管線閥門中的首要選擇。球閥是以球體作為關(guān)閉件的主要切斷類閥門。全通徑球閥具有流體阻力小, 節(jié)省能源,流向不受限制, 啟閉快等優(yōu)點(diǎn)。其綜合技術(shù)性能比相同用途的截止閥、旋塞閥和蝶閥均優(yōu)越。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)介紹了球閥中最常用的一種固定球軟密封管線球閥的設(shè)計(jì)過(guò)程和內(nèi)容。設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括：設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要零部件的強(qiáng)度校核。根據(jù)任務(wù)書的要求，參考國(guó)際、國(guó)內(nèi)現(xiàn)有球閥的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)完成了球閥中閥體、側(cè)閥體、閥蓋、閥桿、球體、密封彈簧、防靜電裝置和驅(qū)動(dòng)裝置等主要零部件的

2、設(shè)計(jì)。針對(duì)本設(shè)計(jì)中閥體螺栓載荷強(qiáng)度的校核進(jìn)行了計(jì)算機(jī)編程，翻譯了相關(guān)文獻(xiàn)資料，完成了相關(guān)課題的論文一篇。本設(shè)計(jì)可為固定球軟密封球閥的設(shè)計(jì)提供一定的參考。關(guān)鍵詞：管線球閥; 設(shè)計(jì); 彈性密封;固定球球閥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、概述管線輸送已成為當(dāng)代物料運(yùn)輸?shù)闹饕绞街唬瞄L(zhǎng)距離管線輸送油和天然氣等資源已成為當(dāng)今世界能源輸送的最主要手段。其中閥門是天然氣管網(wǎng)的主要元件之一

7、，控制著管線中介質(zhì)的流向，調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量和壓力，保護(hù)管道和設(shè)備。全通徑球閥具有流體阻力小，節(jié)省能源,流向不受限制, 啟閉快等優(yōu)點(diǎn)。其綜合技術(shù)性能比相同用途的截止閥、旋塞閥和蝶閥均優(yōu)越，成為了長(zhǎng)輸管線中首選的閥門。球閥的結(jié)構(gòu)形式和品種規(guī)格極其繁多，而且新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)仍不斷涌現(xiàn)。常用的球閥結(jié)構(gòu)可分為浮動(dòng)球球閥與固定球球閥兩大類。本設(shè)計(jì)采用三瓣式固定球軟密封結(jié)構(gòu)，法蘭連接，作為油氣管線用閥，為保證球閥使用的安全，設(shè)計(jì)成雙重密封結(jié)構(gòu)、緊急注脂結(jié)構(gòu)和防火結(jié)構(gòu)。同時(shí)為防止球體與密封圈、閥桿間摩擦產(chǎn)生的靜電帶來(lái)危害，加裝了防靜電裝置。二、球閥基本理論（一）球閥工作原理球閥是以球體作為關(guān)閉件的閥門。主要功能是

8、切斷或接通管道中的流體通道，即球閥通常為閉路閥。因此，球閥的作用原理很簡(jiǎn)單：借助手柄或其它驅(qū)動(dòng)裝置在閥桿上端施加一定的轉(zhuǎn)矩并傳遞給球體，使它旋轉(zhuǎn)90°，球體的通孔則與閥體通道中心線重合或垂直，球閥便完成了全開或全關(guān)的動(dòng)作。（二）球閥的特點(diǎn)（1）流體阻力小 本次設(shè)計(jì)的球閥為全通徑的球閥，即所謂的全流量型，由于其通道直徑等于管道內(nèi)徑，局部阻力損失只有同等長(zhǎng)度管道的摩擦阻力，即在所有閥門中，這種球閥的流阻最小。（2）開關(guān)迅速、方便 由于球閥在一般情況下只需手柄轉(zhuǎn)動(dòng)90°就完成了全開或全關(guān)動(dòng)作，很容易實(shí)現(xiàn)快速啟閉。（3）密封性好 絕大多數(shù)球閥的閥座都是用聚四氟乙烯等彈性材料制造，一

9、般來(lái)說(shuō)軟密封的密封性容易保證，而且對(duì)密封表面的加工精度與表面粗糙度要求也不很高。（4）壽命長(zhǎng) 由于聚四氟乙烯有良好的自潤(rùn)滑性，與球體的摩擦磨損小，而且由于球體加工工藝的改進(jìn)，使粗糙度降低，從而提高了球閥的使用壽命。（5）可靠性高 球閥的可靠性高主要是因?yàn)?球體與閥座一對(duì)密封副不會(huì)發(fā)生擦傷、急劇磨損等故障;閥桿改為內(nèi)裝式后，消除了閥桿在流體壓力作用下可能因填料壓蓋松開而飛出的事故隱患;采用防靜電、耐火結(jié)構(gòu)的球閥，適用于輸送石油、天然氣、煤氣的管線。（6）閥體內(nèi)通道平整光滑 更適于輸送粘性流體，漿液，以及固體顆粒。 （三）主要零部件(1) 閥體：側(cè)閥體，中閥體。(2) 密封部件：彈簧，密封圈，浮動(dòng)

10、支座，注脂接頭。(3) 傳動(dòng)部件：主軸，閥桿，手輪，軸承，軸套。(4) 支撐部件：軸承座，球體支撐部件。（四）密封方式球閥的密封采用彈簧組彈性閥座，結(jié)構(gòu)如圖1所示。彈簧組彈性閥座具有雙面密封和良好的彈性補(bǔ)償能力，能夠始終閥座壓緊球體而達(dá)到預(yù)緊狀態(tài)。可以通過(guò)改變閥座與球體的接觸中徑dm和起活塞作用的浮動(dòng)支座外徑d1之比例關(guān)系，使球閥達(dá)到閥前閥座密封和閥后閥座密封，即所謂的雙面密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)d1>dm時(shí)，彈簧組彈性閥座達(dá)到閥前密封，如圖1-a所示，支座的受力面積a1大于閥座的方向受壓面積a2，流體壓力在彈性閥座上產(chǎn)生的不平衡力將閥前閥座推向球體，壓緊并保持密封。當(dāng)d1<dm時(shí)，彈簧組彈性

11、閥座達(dá)到閥后密封，由于a3>a4,在流體壓力作用下，閥前閥座退離球體，流體通過(guò)閥前閥座與球體之間的間隙進(jìn)入閥門體腔內(nèi)。對(duì)于閥后閥座，由于a5>a6，在流體壓力的作用下，閥座被推向球體，壓緊并保持密封。a) 閥前密封b) 閥后密封圖1 固定球球閥彈性閥座結(jié)構(gòu)三、設(shè)計(jì)參數(shù)及要求項(xiàng) 目參 數(shù)最高使用壓力6.3mpa最高使用溫度-28150公稱直徑dn450連接方式法蘭連接材 料鑄鋼（wcb）產(chǎn)品使用地中原四、設(shè)計(jì)過(guò)程（一）確定閥體材料根據(jù)工作介質(zhì)的性質(zhì)確定合適的材料，保證材料具有足夠的耐腐蝕性，并具有可靠的強(qiáng)度和剛度。由于本產(chǎn)品輸送的介質(zhì)為石油，天然氣等具有一定的腐蝕性的，其工作溫度為-

12、28150，工作壓力為6.3mpa，屬于高溫高壓的工作環(huán)境，因此閥體材料既要具有一定的耐腐蝕性還要有足夠的強(qiáng)度，在考慮這些問(wèn)題的前提下，本球閥閥體材料選用鑄鋼wcb，球體材料選用鍛鋼a105。閥桿、蝸輪軸、采用40cr，蝸桿軸選用45鋼，蝸輪的輪轂采用th200、輪芯采用zcusn10p1,減速器箱體采用ht250,軸承端蓋采用ht150。（二）球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算根據(jù)以上所提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，依據(jù)gb12221-2005 金屬閥門結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度確定了pn63、dn350球閥的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度l=889 mm,根據(jù)計(jì)算和gb/t12224-2005 鋼制閥門一般要求,確定閥體的最小壁厚t=20mm；查管路附件設(shè)計(jì)

13、選用手冊(cè)確定了球閥連接法蘭的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為d=600mm，d=350 mm；參考球閥設(shè)計(jì)與選用計(jì)算球閥力為q=126577.4n，確定了彈簧的預(yù)緊力q1 =12246n；通過(guò)對(duì)球閥轉(zhuǎn)矩的計(jì)算確定驅(qū)動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩m=4393369 n/mm，減速器采用蝸輪-蝸桿傳動(dòng)；驅(qū)動(dòng)裝置與閥桿通過(guò)聯(lián)軸器連接。由于該球閥主要在天然氣管線上使用，因此也設(shè)計(jì)了防火、防靜電裝置、緊急注脂結(jié)構(gòu)，滿足了球閥在特殊場(chǎng)合、特殊工況下使用的要求。至于其他一些零部件，嚴(yán)格參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，校核強(qiáng)度。 1.球體支撐結(jié)構(gòu)形式的確定球閥按球體支撐方式分為有浮動(dòng)球球閥和固定球球閥，其中浮動(dòng)球球閥的球體沒有支撐軸，球體通過(guò)閥門進(jìn)、

14、出口兩端的閥座予以支撐。固定球球閥的球體下面有支撐軸，能夠承受較大的重力，故選用有支撐軸的固定球形式。 2.閥座密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算根據(jù)密封力以及密封比壓的要求，選擇彈性密封閥座，球體在介質(zhì)壓力和彈簧預(yù)壓縮所產(chǎn)生的彈力的雙重作用下，獲得了密封所需要的密封比壓。在密封比壓計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，必須保證必須比壓qb<設(shè)計(jì)比壓q<許用比壓q。 3.閥體壁厚的設(shè)計(jì)與計(jì)算閥體鑄造加工而成，由于pn=6 mpa，采用厚壁計(jì)算公式，并考慮到球閥在使用過(guò)程中介質(zhì)的腐蝕性選取一定的附加裕量。 4.中閥體和側(cè)閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算中閥體和側(cè)閥體計(jì)算包括對(duì)法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定法蘭盤的厚度以及相關(guān)的密封結(jié)構(gòu)，

15、根據(jù)球閥力的大小確定法蘭螺栓的的公稱直徑，并確定螺栓數(shù)目，并對(duì)螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核，在對(duì)法蘭強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，要對(duì)螺栓留有一定的扳手空間。 5.閥桿的設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)矩的計(jì)算根據(jù)球閥密封力的大小以及填料、軸承對(duì)閥桿的摩擦力計(jì)算出球閥的轉(zhuǎn)矩，然后由球閥轉(zhuǎn)矩的大小計(jì)算出閥桿的最小直徑，最后根據(jù)閥體的具體結(jié)構(gòu)確定閥桿的相關(guān)尺寸，閥桿與球體間采用雙鍵連接，最后閥桿和鍵進(jìn)行校核，確保球閥使用安全。 6.驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算閥門驅(qū)動(dòng)裝置是把動(dòng)力源的能量轉(zhuǎn)變成閥桿運(yùn)動(dòng)，從而開啟、關(guān)閉、或控制閥門開度的一種機(jī)械傳動(dòng)裝置。本設(shè)計(jì)球閥用驅(qū)動(dòng)裝置采用蝸輪蝸桿減速驅(qū)動(dòng)，根據(jù)球閥轉(zhuǎn)矩的大小確定蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比，從而計(jì)算出蝸輪蝸桿的具

16、體尺寸，并配備相應(yīng)的手輪。由于球閥球體僅旋轉(zhuǎn)90°，故用120°的扇形蝸輪代替全蝸輪。（三）強(qiáng)度校核及材料選擇(1).球閥密封力的計(jì)算其中包括流體壓力在閥座密封面上引起的作用力q0的計(jì)算，彈簧預(yù)緊力q1的計(jì)算，以及閥座滑動(dòng)摩擦力的計(jì)算。(2).球閥轉(zhuǎn)矩的計(jì)算其中包括球體與閥座密封圈摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，v型填料摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，以及軸承摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。(3).主要零部件的校核其中包括閥桿，軸的強(qiáng)度校核，連軸器的強(qiáng)度計(jì)算，鍵的強(qiáng)度校核，中法蘭及中法蘭用雙頭螺栓的強(qiáng)度校核。五、結(jié)論以pn63、dn350固定球軟密封管線球閥為設(shè)計(jì)對(duì)象，對(duì)球閥進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過(guò)翻閱大量參考文獻(xiàn)及外文資料

17、，嚴(yán)格按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。設(shè)計(jì)過(guò)程包括按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行密封比壓及球閥轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，方案論證，然后進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇了零部件的材料，對(duì)球閥的主要零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，繪制了球閥的裝配圖及零部件圖。pn63、dn350固定球軟密封管線球閥的設(shè)計(jì)是一次綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)一學(xué)期的努力，運(yùn)用大學(xué)四年所掌握的學(xué)科知識(shí)，在gb/t12224-2005和實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)等相關(guān)資料的指導(dǎo)下，并參考國(guó)際、國(guó)內(nèi)現(xiàn)有球閥的結(jié)構(gòu)，最終完成了從球閥整體方案的確定到每一個(gè)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我不僅在閥門、壓力容器的設(shè)計(jì)和材料的選擇方面得到了很好的鍛煉，也在查詢相關(guān)文獻(xiàn)，尤其外文文獻(xiàn)的能力上得到了很好的實(shí)踐。更重要的是通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)掌握了很多學(xué)習(xí)方法，總結(jié)了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使我深刻的體會(huì)到所學(xué)理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的重要性，它不但可以加深對(duì)理論知識(shí)的理解，而且可以將理論知識(shí)很好的應(yīng)用與實(shí)踐，指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)。參考文獻(xiàn)1 章華友等.球閥設(shè)計(jì)與選用m.北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，19942 陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.93 沈陽(yáng)閥門研究所.閥門設(shè)計(jì)m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,19764 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20045 顧兆林