钢管焊接球阀的设计

2021-02-01吕东

中国设备工程 2021年1期

关键词：阀杆阀座球阀

吕东

(国成阀门集团有限公司，浙江温州 325105)

1 结构特点

1.1 结构形式

钢管焊接球阀结构分为圆体浮动焊接球阀、圆体固定焊接球阀、方体浮动焊球阀、方体固定焊接球阀、球形固定焊接球阀。典型焊接球阀简图见(图1)。

圆体浮动焊接球阀常用于DN15 ～DN350。

圆体固定焊接球阀常用于DN200 ～DN600。

方体浮动焊接球阀常用于DN50 ～DN350。

方体固定焊接球阀常用于DN300 ～DN1600。

球形固定焊接球阀常用于DN600 ～DN1600。

图1 典型焊接球阀

1.2 阀体

中小口径阀体采用无缝钢管，大口径阀体采用板材卷制而成。阀体体型可分为圆体和方体，球形三种焊接球阀。圆体的阀体两端圆弧形采用工装冷压成形；两边圆弧平滑过渡，减少应力集中，省略了中法兰，可以减轻阀门重量，节省制造成本。方体的阀体和边体之间采用U 型焊接坡口，强度高，相比圆体能承受更大的管道拉应力，切应力、合成应力，适用于大口径焊接球阀。球形的阀体边体采用球形锻压成形，重量轻，可以减少材料成本，减轻管道重量负荷，阀体与边体中部焊缝离阀座位置较远，焊接时，热影响和变形量对阀座周边影响较小。

边体与袖管焊接采用对接焊方式，焊缝全焊透，减少应力集中，抗拉强度比角焊缝好。

阀体应采用模压加工成型的钢管或板材卷制，或整体锻造制作。阀体材料应符合GB/T713 或GB/T12228 的规定。

当阀体采用无缝钢管时，应符合GB/T8163、GB/T14976的规定。

阀体焊接系数的选取应符合GB/T150.1 的规定，焊接结构设计应符合GB/T150.3 的规定，焊接工艺应符合GB/T150.4 的规定，加工应符合GB50235-2010 中5.4 的规定。

阀体最小壁厚应符合GB/T12224 的规定。

1.3 阀座密封

浮动球阀阀座（图2）是采用弹性阀座密封结构，阀座后面设有碟簧可以自动补偿温度压力变化、自然磨损等条件下对球体密封性能的影响；由于带有碟簧组件，球体在介质压力的作用下推动阀座密封圈往下游活动，阀座背面采用径向O 型圈密封。

图2 浮动球阀阀座

图3 固定球阀阀座

固定球阀阀座是采用活塞式密封结构（图3），可选用单、双活塞阀座结构。目前，大多数钢管焊接固定球阀阀座采用高分子材料如PTFE+C、PPL 等，此类材料阀座在使用过程中普遍存在密封性差、变形回弹性差，阀门扭矩大等问题；采用三角形密封圈结构可以更好地避免这些问题。

采用三角形密封圈结构的弹簧预紧比压和密封比压比PTFE+C、PPL 要小1/3 左右，同时，开关扭矩也能降低1/4 左右。

三角形密封圈采用的VITON AED 氟橡胶材料，具有很好的弹性补偿性，可以降低球体表面的圆度要求，因此，在具有可靠和平稳的密封性能的同时，还可以降低球体的加工成本；当球体表面在使用过程中有轻微自然损伤时，仍然可以确保其密封性能。因为其优异的密封性能，三角形密封圈阀座设计结构可以作为长寿命，免维护钢管焊接球阀的首选阀座结构。

1.4 球体

城市供热系统和城市煤气管道系统压力一般小于2.5MPa，对于低压力球体可以采用304 空心球体，以DN1200，PN25 焊接球阀为例，球体内径1166，外径1740，壁厚35，经过有限元分析，承压状态下，球体位移量（图4）和应力强度（图5）分析能够满足设计使用要求。

图4 球体位移量分析

图5 球体应力强度分析

1.5 阀杆防飞出结构

当介质通过阀门时，阀体中腔的压力可能将阀杆推出（或者在维修阀门时，如果中腔有压力，拆卸阀门时阀杆、介质容易飞出，误伤人员）。为防止这种情况发生，在阀杆下端部设计凸台防飞出结构。这样，即使火灾时，填料、止推垫被烧损或其他原因引起填料损坏，阀体的介质压力将使阀杆凸台与阀体上密封面紧密接触，防止介质大量从损坏的填料部位处泄漏。

1.6 防静电装置

当操作阀门时，由于球体和聚四氟乙烯等非金属材料阀座之间的摩擦，会产生静电电荷并聚积在球体上。为防止产生静电火花，需在阀门上设置防静电装置，将积聚在球体上的电荷通过球体与阀杆、阀杆与阀体之间的静电导出。

1.7 驱动装置

小于等于DN150 的焊接球阀，采用手柄操作。大于等于DN200 采用涡轮操作。

手柄操作的焊接球阀，球阀在开启状态下，扳手的方向应与球体通道平行。

手柄或涡轮操作装置，应有限位装置。

2 技术性能

设计制造按：GB/T12237《石油、石化及相关工业用的钢制球阀》，JB/T12006-2014《钢管焊接球阀》，GB/T37827-2019《城镇供热用焊接球阀》。

压力试验按：GB/T13927《工业阀门压力试验》。

焊接材料按按：NB/T47018.1 ～NB/T 47018.7《承压设备用焊接材料订货技术条件》。

焊接工艺评定按：NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》。

焊接规程按：NB/T47015《压力容器焊接规程》。

焊接试件检验按：NB/T47016《承压设备产品焊接试样的力学性能检验》。

无损检测按：NB/T47013.1 ～NB/T 47013.13《承压设备无损检测》。

公称直径：DN15-DN1600。

公称压力：PN25。

强度试验压力：3.75MPa。

水密封试验压力：2.75MPa。

气密封试验压力：0.6±0.1MPa。

适用介质：水、煤气。

适用温度：-29 ～150℃。

3 材料选用

阀体：中小口径阀体采用20#无缝钢管，大口径阀体采用Q235、Q345R 钢板卷制、A105 等材料。

球体：304 空心球、A105+ENP 实心球。

阀杆：20Cr13、AISI 4140+ENP。

阀座：PTFE+C、VITON AED。

弹簧：INCONEL X-750。

4 焊接及去应力处理

阀体上焊缝的焊接工艺评定应符合NB/T47104 的标准。阀体上焊接接头厚度小于或等于32mm 的焊缝、焊前预热到100 度以上且焊接接头厚度小于或等于38mm 的焊缝可不进行焊后热处理，其余焊缝应按GB/T150.4 的要求进行焊接消除应力热处理。当焊接接头厚度大于32mm 的焊缝，焊后不进行热处理或无法以热处理方式消除焊接应力，则制造商应提供焊缝焊后免热处理的评估报告，以证明其使用安全。

5 工作原理

焊接球阀主要由阀体、阀座、球体、阀杆、手柄、涡轮、电动装置(或其他驱动装置)组成。球阀的主要功能是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、涡轮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 度，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。