进口大口径球阀阀体设计

球阀按口径可以分为小口径球阀，中口径球阀，和大口径球阀，超大口径球阀：

1．  小口径阀门：公称通径DN<40mm的阀门。 

 2．中口径阀门：公称通径DN50～300mm的阀门。 
 3．大口径阀门：公称通径DN350～1200mm的阀门。 
 4．特大口径阀门：公称通径DN≥1400mm的阀门。

由于球阀具有流体阻力小、密封性能好、可靠性高、启闭速度快等突出优点，不仅使它在一般工业管道上得到广泛的应用，而且在核工业、宇航工业的液氧与液氢输送管线中亦被普遍采用。随着我国西气东输工程的启动，大口径球阀在输送天然气等方面的需求量巨增（据统计，在干线上共设置了190座线路截断阀室和62座支线截断阀室），而国内目前生产的球阀公称通径大多在500mm以下，对于大口径球阀的开发较少。因此，开发科技含量高、安全性好、可靠性高、耐恶劣环境能力强的大口径球阀，满足国内币场的需求，具有重要的现实意义。

球阀设计的内容主要有阀体壁厚的计算、球阀法兰的设计、球阀阀杆强度的计算、球体强度和刚度的计算、以及填料压盖和弹性元件的计算。作为球阀主要部件之一的阀体，设计是否合理会直接影响到整个球阀性能的好坏。本文主要讨伦DN500型阀体的设计。

1 大口径球阀阀体设计

1.1 球阀整体结构介绍

球阀的整体结构简图如图1所示，其主要组成部分有：阀体、球体、启闭传动结构、支撑结构和密封结构。设计的球阀公称通径为500mm，阀体腔体内径为Ф754mm，阀体腔体外径为Ф808mm，承受工作压力为5MPa，阀体法兰处内径为Ф489mm。阀体材料的屈服极限为275MPa，强度极限为485MPa，许用应力取121.69MPa。

1.2 阀体结构设计

由于球阀的口径较大，考虑到铸造方面的因素和加工的难度，阀体设计成二分体式阀体，两个阀体通过螺栓、“O”型圈密封连接，形成一个整体通道阀体带有泄压装置，当阀体内腔出现压力异常时，可通过泄压安全阀，泄掉阀腔内压力，保护阀体安全。同时，由于下方的接管要承受尾杆传给的球体重力，为了防上阀体太大的变形，在它与法兰之间增设一个凸台。这种二分体式阀体要比整体式阀体单件质量轻，铸造、机械加工和安装更为方便。阀体三维结构图见图2所示。

1.3 影响阀体设计因素的分析

阀体不仅受到流体的内压力，而且还受到管道的应力、球体的重力、以及其他方面的附加力。在设计时不仅要考虑强度，还要考虑密封。腐蚀、制造工艺等方面的因素。现有球阀阀体的计算公式，大多是把球阀看作压力容器，从压力容器的计算公式演变而来。但球阀阀体的形状比压力容器要复染得多，不仅不同类型的球阀阀体形状不一样，即使是同一个阀体，各部分的尺寸也不*相同。如果按照常规方法，把不同形状和尺寸的部位分开进行计算，会非常繁琐，因此一般还是把它按等厚度进行考虑。只是在结构设计上考虑其他因素（比如工艺的需要）后，设计成非均匀壁厚的阀体。

1.4 球阀阀体壁厚的确定

在壁厚的设计过程中，既要做到安全可靠，还要兼顾经济性。为了使计算结果趋于合理，这里运用6种不同的方法进行对比设计，见表1所示。 表1 阀体壁厚的6种计算方法

计算

方法参考标准计算公式计算结果

1把阀体看作压力容器，按照 GB150-1998 满足条件时的相关公式计算δB

=11.89mm，C取4mm。圆整以后壁厚取12mm

2按文献 [2] 所给的薄壁球形阀体公式计算δB

=11.81mm，C取4mm。圆整以后壁厚取12mm

3按文献 [3] 公式计算，对于中低压金属球阀阀体的强度计算，通常采用薄壁容器的计算公式δB

=23.14mm，C取2mm。圆整以后壁厚取24mm

4为了保证阀体各处都处于弹性状态，按能量原理计算δB

=17.3mm，C取3mm。圆整以后壁厚取18mm

5按文献 [4] 所给的圆形铸造阀体壁厚计算公式计算δB

=25.9mm，C取2mm。圆整以后壁厚取26mm

6考虑刚度按文献 [2] 引入标准，选取阀体的最小壁厚为： δmin=27mm

注：δB ——考虑了附加余量阀体厚度

Di ——阀体腔体直径

Pc ——计算压力

——焊接接头系数，取1

Ri ——阀体腔体半径

C —— 附加余量，考虑铸造偏差、工艺性和流体的腐蚀等因素，选择方法见文献[2]

前5种计算方法只是从满足阀体的强度出发，没有把刚度（即密封要求）考虑进去，计算结果都比按刚度选取的壁厚小。所以在有限元建模时，暂时按刚度来选取阀体的最小壁厚。

2 阀体三维有限元应力分折

为了考察阀体局部应力和变形的大小，用ANSYS有限元软件进行了三维数值模拟，进而验证设计结果是否满足设计要求。

2.1 模型建立

考虑到阀体的对称性，取阀体的一半来研究，并对局部网格进行了细化，单元总数为108372，单元类型为solid95三维实体单元。

2.2 边界条件和载荷

为便于分析，对边界条件进行了简化。阀体两端都是法兰连接，把其看为简支约束；在法兰端面有螺栓孔的环行面积上施加了Z（径向）方向和Y（环向）方向约束。在阀体对称面上，施加了对称约束。同时，在模型的内表面上施加流体工作压力，并对垫片压紧力和螺栓载荷作了简化，作为面力施加在法兰相应的环行面积上。（在此没考虑垫片和螺栓的预紧力，只考虑其工作载荷。）除此之外，还考虑了球体的重力和阀体的自重产生的影响，见图3所示。

2.3 计算结果分析

2.3.1 工作压力下的模拟结果分析

通过计算，得出阀体详细的应力分布情况，以及应力的实际位置。对结果进行后处理的方法有很多，这里采用第四强度理论（Mises应力）以云图的形式给出阀体的应力分布情况。

从图中可以看出，除个别的畸形单元，图中连续区域的应力值约为167.8MPa，主要集中在法兰的颈部以及阀座与阀体相接的密封面处（该处为结构不连续处）。按分析设计，此两处的应力校核条件应满足：σ≤3[σ]=362.07MPa，由此可见应力远远小于3倍的许用应力。

考虑阀体刚度要求，以免因受力变形太大破坏密封，必须把总的位移（三个方向上的位移矢量和）控制在0.001DN以内。该球阀公称通径为500mm，所以总位移应小于0.5mm。图5给出的位移矢量和为0.23mm，满足要求；图6给出的轴向位移为0.22mm，与阀座相接处的位移的值为0.1mm，不影响密封效果，满足设计要求。

2.3.2大口径球阀水压试验压力下的模拟结果分析

对水压试验工况（试验压力取7.5MPa）同样进行了三维数值模拟。限于篇幅不再给出具体图形，模拟结果如下：集中在法兰颈部和阀座与阀体相接密封面处的应力值为252.704MPa

<3[σ]=362.07MPa，且小于屈服强度，不会发生永久变形，可见满足要求；阀体位移矢量和为0.43mm，满足上面提出的要求；轴向位移为0.40mm，与阀座相接处的位移的值为0.23mm，不影响密封效果，同样满足设计要求。

经过ANSYS有限元软件对两种工况（工作状态和水压试验）的数值模拟，证明所选取的阀体无论是强度还是刚度都满足要求。为了承担其他外来突变载荷和相关因素的影响，在刚度和强度上留有余量，阀体的厚度不再减小。最终决定阀体的厚度为27mm。

3 结论

（1）通过6种方法的对比设计，求出阀体的壁厚。从中看出，对于中低压球阀，影响阀体壁厚的主要因素是刚度。

（2）对所设计的阀体运用ANSYS有限元软件进行三维数值模拟，结果表明无论是强度还是刚度都符合设计的要求，设计合理。