鋼管焊接球閥的設(shè)計(jì)

呂東

(國(guó)成閥門(mén)集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325105)

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

鋼管焊接球閥結(jié)構(gòu)分為圓體浮動(dòng)焊接球閥、圓體固定焊接球閥、方體浮動(dòng)焊球閥、方體固定焊接球閥、球形固定焊接球閥。典型焊接球閥簡(jiǎn)圖見(jiàn)(圖1)。

圓體浮動(dòng)焊接球閥常用于DN15 ～DN350。

圓體固定焊接球閥常用于DN200 ～DN600。

方體浮動(dòng)焊接球閥常用于DN50 ～DN350。

方體固定焊接球閥常用于DN300 ～DN1600。

球形固定焊接球閥常用于DN600 ～DN1600。

圖1 典型焊接球閥

1.2 閥體

中小口徑閥體采用無(wú)縫鋼管，大口徑閥體采用板材卷制而成。閥體體型可分為圓體和方體，球形三種焊接球閥。圓體的閥體兩端圓弧形采用工裝冷壓成形；兩邊圓弧平滑過(guò)渡，減少應(yīng)力集中，省略了中法蘭，可以減輕閥門(mén)重量，節(jié)省制造成本。方體的閥體和邊體之間采用U 型焊接坡口，強(qiáng)度高，相比圓體能承受更大的管道拉應(yīng)力，切應(yīng)力、合成應(yīng)力，適用于大口徑焊接球閥。球形的閥體邊體采用球形鍛壓成形，重量輕，可以減少材料成本，減輕管道重量負(fù)荷，閥體與邊體中部焊縫離閥座位置較遠(yuǎn)，焊接時(shí)，熱影響和變形量對(duì)閥座周邊影響較小。

邊體與袖管焊接采用對(duì)接焊方式，焊縫全焊透，減少應(yīng)力集中，抗拉強(qiáng)度比角焊縫好。

閥體應(yīng)采用模壓加工成型的鋼管或板材卷制，或整體鍛造制作。閥體材料應(yīng)符合GB/T713 或GB/T12228 的規(guī)定。

當(dāng)閥體采用無(wú)縫鋼管時(shí)，應(yīng)符合GB/T8163、GB/T14976的規(guī)定。

閥體焊接系數(shù)的選取應(yīng)符合GB/T150.1 的規(guī)定，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB/T150.3 的規(guī)定，焊接工藝應(yīng)符合GB/T150.4 的規(guī)定，加工應(yīng)符合GB50235-2010 中5.4 的規(guī)定。

閥體最小壁厚應(yīng)符合GB/T12224 的規(guī)定。

1.3 閥座密封

浮動(dòng)球閥閥座（圖2）是采用彈性閥座密封結(jié)構(gòu)，閥座后面設(shè)有碟簧可以自動(dòng)補(bǔ)償溫度壓力變化、自然磨損等條件下對(duì)球體密封性能的影響；由于帶有碟簧組件，球體在介質(zhì)壓力的作用下推動(dòng)閥座密封圈往下游活動(dòng)，閥座背面采用徑向O 型圈密封。

圖2 浮動(dòng)球閥閥座

圖3 固定球閥閥座

固定球閥閥座是采用活塞式密封結(jié)構(gòu)（圖3），可選用單、雙活塞閥座結(jié)構(gòu)。目前，大多數(shù)鋼管焊接固定球閥閥座采用高分子材料如PTFE+C、PPL 等，此類(lèi)材料閥座在使用過(guò)程中普遍存在密封性差、變形回彈性差，閥門(mén)扭矩大等問(wèn)題；采用三角形密封圈結(jié)構(gòu)可以更好地避免這些問(wèn)題。

采用三角形密封圈結(jié)構(gòu)的彈簧預(yù)緊比壓和密封比壓比PTFE+C、PPL 要小1/3 左右，同時(shí)，開(kāi)關(guān)扭矩也能降低1/4 左右。

三角形密封圈采用的VITON AED 氟橡膠材料，具有很好的彈性補(bǔ)償性，可以降低球體表面的圓度要求，因此，在具有可靠和平穩(wěn)的密封性能的同時(shí)，還可以降低球體的加工成本；當(dāng)球體表面在使用過(guò)程中有輕微自然損傷時(shí)，仍然可以確保其密封性能。因?yàn)槠鋬?yōu)異的密封性能，三角形密封圈閥座設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以作為長(zhǎng)壽命，免維護(hù)鋼管焊接球閥的首選閥座結(jié)構(gòu)。

1.4 球體

城市供熱系統(tǒng)和城市煤氣管道系統(tǒng)壓力一般小于2.5MPa，對(duì)于低壓力球體可以采用304 空心球體，以DN1200，PN25 焊接球閥為例，球體內(nèi)徑1166，外徑1740，壁厚35，經(jīng)過(guò)有限元分析，承壓狀態(tài)下，球體位移量（圖4）和應(yīng)力強(qiáng)度（圖5）分析能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求。

圖4 球體位移量分析

圖5 球體應(yīng)力強(qiáng)度分析

1.5 閥桿防飛出結(jié)構(gòu)

當(dāng)介質(zhì)通過(guò)閥門(mén)時(shí)，閥體中腔的壓力可能將閥桿推出（或者在維修閥門(mén)時(shí)，如果中腔有壓力，拆卸閥門(mén)時(shí)閥桿、介質(zhì)容易飛出，誤傷人員）。為防止這種情況發(fā)生，在閥桿下端部設(shè)計(jì)凸臺(tái)防飛出結(jié)構(gòu)。這樣，即使火災(zāi)時(shí)，填料、止推墊被燒損或其他原因引起填料損壞，閥體的介質(zhì)壓力將使閥桿凸臺(tái)與閥體上密封面緊密接觸，防止介質(zhì)大量從損壞的填料部位處泄漏。

1.6 防靜電裝置

當(dāng)操作閥門(mén)時(shí)，由于球體和聚四氟乙烯等非金屬材料閥座之間的摩擦，會(huì)產(chǎn)生靜電電荷并聚積在球體上。為防止產(chǎn)生靜電火花，需在閥門(mén)上設(shè)置防靜電裝置，將積聚在球體上的電荷通過(guò)球體與閥桿、閥桿與閥體之間的靜電導(dǎo)出。

1.7 驅(qū)動(dòng)裝置

小于等于DN150 的焊接球閥，采用手柄操作。大于等于DN200 采用渦輪操作。

手柄操作的焊接球閥，球閥在開(kāi)啟狀態(tài)下，扳手的方向應(yīng)與球體通道平行。

手柄或渦輪操作裝置，應(yīng)有限位裝置。

2 技術(shù)性能

設(shè)計(jì)制造按：GB/T12237《石油、石化及相關(guān)工業(yè)用的鋼制球閥》，JB/T12006-2014《鋼管焊接球閥》，GB/T37827-2019《城鎮(zhèn)供熱用焊接球閥》。

壓力試驗(yàn)按：GB/T13927《工業(yè)閥門(mén)壓力試驗(yàn)》。

焊接材料按按：NB/T47018.1 ～NB/T 47018.7《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》。

焊接工藝評(píng)定按：NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》。

焊接規(guī)程按：NB/T47015《壓力容器焊接規(guī)程》。

焊接試件檢驗(yàn)按：NB/T47016《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試樣的力學(xué)性能檢驗(yàn)》。

無(wú)損檢測(cè)按：NB/T47013.1 ～NB/T 47013.13《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》。

公稱(chēng)直徑：DN15-DN1600。

公稱(chēng)壓力：PN25。

強(qiáng)度試驗(yàn)壓力：3.75MPa。

水密封試驗(yàn)壓力：2.75MPa。

氣密封試驗(yàn)壓力：0.6±0.1MPa。

適用介質(zhì)：水、煤氣。

適用溫度：-29 ～150℃。

3 材料選用

閥體：中小口徑閥體采用20#無(wú)縫鋼管，大口徑閥體采用Q235、Q345R 鋼板卷制、A105 等材料。

球體：304 空心球、A105+ENP 實(shí)心球。

閥桿：20Cr13、AISI 4140+ENP。

閥座：PTFE+C、VITON AED。

彈簧：INCONEL X-750。

4 焊接及去應(yīng)力處理

閥體上焊縫的焊接工藝評(píng)定應(yīng)符合NB/T47104 的標(biāo)準(zhǔn)。閥體上焊接接頭厚度小于或等于32mm 的焊縫、焊前預(yù)熱到100 度以上且焊接接頭厚度小于或等于38mm 的焊縫可不進(jìn)行焊后熱處理，其余焊縫應(yīng)按GB/T150.4 的要求進(jìn)行焊接消除應(yīng)力熱處理。當(dāng)焊接接頭厚度大于32mm 的焊縫，焊后不進(jìn)行熱處理或無(wú)法以熱處理方式消除焊接應(yīng)力，則制造商應(yīng)提供焊縫焊后免熱處理的評(píng)估報(bào)告，以證明其使用安全。

5 工作原理

焊接球閥主要由閥體、閥座、球體、閥桿、手柄、渦輪、電動(dòng)裝置(或其他驅(qū)動(dòng)裝置)組成。球閥的主要功能是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、渦輪或其它驅(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 度，球體的通孔則與閥體通道中心線(xiàn)重合或垂直，球閥便完成了全開(kāi)或全關(guān)的動(dòng)作。

6 結(jié)語(yǔ)

鋼管焊接球閥，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能減排、免維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)，可以廣泛用于城市供熱系統(tǒng)和城市煤氣管道工程。