鋼管焊接球閥設計分析

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摘要：鋼管焊接球閥廣泛應用于城市供熱系統、城市煤氣管道等各類管道設備上。城市供熱系統和城市煤氣管道系統壓力一般小于2.5MPa，傳統的鍛鋼全焊接球閥若用在2.5MPa的工況下，存在浪費材料的情況，相比之下，鋼管焊接球閥采用鋼管作為主體承壓件，造價低，還可以節能減排。本文介紹了作者設計的鋼管焊接球閥的結構特點、技術性能、材料選用、工作原理及應用。

關鍵詞：鋼管焊接球閥；結構；材料；設計

1結構特點

1.1結構形式。鋼管焊接球閥結構分為圓體浮動焊接球閥、圓體固定焊接球閥、方體浮動焊球閥、方體固定焊接球閥、球形固定焊接球閥。典型焊接球閥簡圖見(圖1)。圓體浮動焊接球閥常用于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。1.2閥體。中小口徑閥體采用無縫鋼管，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；兩邊圓弧平滑過渡，減少應力集中，省略了中法蘭，可以減輕閥門重量，節省制造成本。方體的閥體和邊體之間采用U型焊接坡口，強度高，相比圓體能承受更大的管道拉應力，切應力、合成應力，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，減輕管道重量負荷，閥體與邊體中部焊縫離閥座位置較遠，焊接時，熱影響和變形量對閥座周邊影響較小。邊體與袖管焊接采用對接焊方式，焊縫全焊透，減少應力集中，抗拉強度比角焊縫好。閥體應采用模壓加工成型的鋼管或板材卷制，或整體鍛造制作。閥體材料應符合GB/T713或GB/T12228的規定。當閥體采用無縫鋼管時，應符合GB/T8163、GB/T14976的規定。閥體焊接系數的選取應符合GB/T150.1的規定，焊接結構設計應符合GB/T150.3的規定，焊接工藝應符合GB/T150.4的規定，加工應符合GB50235-2010中5.4的規定。閥體最小壁厚應符合GB/T12224的規定。1.3閥座密封。浮動球閥閥座（圖2）是采用彈性閥座密封結構，閥座后面設有碟簧可以自動補償溫度壓力變化、自然磨損等條件下對球體密封性能的影響；由于帶有碟簧組件，球體在介質壓力的作用下推動閥座密封圈往下游活動，閥座背面采用徑向O型圈密封。固定球閥閥座是采用活塞式密封結構（圖3），可選用單、雙活塞閥座結構。目前，大多數鋼管焊接固定球閥閥座采用高分子材料如PTFE+C、PPL等，此類材料閥座在使用過程中普遍存在密封性差、變形回彈性差，閥門扭矩大等問題；采用三角形密封圈結構可以更好地避免這些問題。采用三角形密封圈結構的彈簧預緊比壓和密封比壓比PTFE+C、PPL要小1/3左右，同時，開關扭矩也能降低1/4左右。三角形密封圈采用的VITONAED氟橡膠材料，具有很好的彈性補償性，可以降低球體表面的圓度要求，因此，在具有可靠和平穩的密封性能的同時，還可以降低球體的加工成本；當球體表面在使用過程中有輕微自然損傷時，仍然可以確保其密封性能。因為其優異的密封性能，三角形密封圈閥座設計結構可以作為長壽命，免維護鋼管焊接球閥的首選閥座結構。1.4球體。城市供熱系統和城市煤氣管道系統壓力一般小于2.5MPa，對于低壓力球體可以采用304空心球體，以DN1200,PN25焊接球閥為例，球體內徑1166，外徑1740，壁厚35，經過有限元分析，承壓狀態下，球體位移量（圖4）和應力強度（圖5）分析能夠滿足設計使用要求。1.5閥桿防飛出結構。當介質通過閥門時，閥體中腔的壓力可能將閥桿推出（或者在維修閥門時，如果中腔有壓力，拆卸閥門時閥桿、介質容易飛出，誤傷人員）。為防止這種情況發生，在閥桿下端部設計凸臺防飛出結構。這樣，即使火災時，填料、止推墊被燒損或其他原因引起填料損壞，閥體的介質壓力將使閥桿凸臺與閥體上密封面緊密接觸，防止介質大量從損壞的填料部位處泄漏。1.6防靜電裝置。當操作閥門時，由于球體和聚四氟乙烯等非金屬材料閥座之間的摩擦，會產生靜電電荷并聚積在球體上。為防止產生靜電火花，需在閥門上設置防靜電裝置，將積聚在球體上的電荷通過球體與閥桿、閥桿與閥體之間的靜電導出。1.7驅動裝置。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，球閥在開啟狀態下，扳手的方向應與球體通道平行。手柄或渦輪操作裝置，應有限位裝置。

2技術性能

設計制造按：GB/T12237《石油、石化及相關工業用的鋼制球閥》，JB/T12006-2014《鋼管焊接球閥》，GB/T37827-2019《城鎮供熱用焊接球閥》。壓力試驗按：GB/T13927《工業閥門壓力試驗》。焊接材料按按：NB/T47018.1～NB/T47018.7《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》。焊接工藝評定按：NB/T47014《承壓設備焊接工藝評定》。焊接規程按：NB/T47015《壓力容器焊接規程》。焊接試件檢驗按：NB/T47016《承壓設備產品焊接試樣的力學性能檢驗》。無損檢測按：NB/T47013.1～NB/T47013.13《承壓設備無損檢測》。公稱直徑：DN15-DN1600。公稱壓力：PN25。強度試驗壓力：3.75MPa。水密封試驗壓力：2.75MPa。氣密封試驗壓力：0.6±0.1MPa。適用介質：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實心球。閥桿：20Cr13、AISI4140+ENP。閥座：PTFE+C、VITONAED。彈簧：INCONELX-750。

4焊接及去應力處理

閥體上焊縫的焊接工藝評定應符合NB/T47104的標準。閥體上焊接接頭厚度小于或等于32mm的焊縫、焊前預熱到100度以上且焊接接頭厚度小于或等于38mm的焊縫可不進行焊后熱處理，其余焊縫應按GB/T150.4的要求進行焊接消除應力熱處理。當焊接接頭厚度大于32mm的焊縫，焊后不進行熱處理或無法以熱處理方式消除焊接應力，則制造商應提供焊縫焊后免熱處理的評估報告，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、電動裝置(或其他驅動裝置)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單：借助手柄、渦輪或其它驅動裝置在閥桿上端施加一定的轉矩并傳遞給球體，使它旋轉90度，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的動作。

6結語

鋼管焊接球閥，結構簡單、節能減排、免維護、使用壽命長，可以廣泛用于城市供熱系統和城市煤氣管道工程。

參考文獻：

[1]GB/T37827-2019《鋼管用焊接球閥》[S].

[2]章華友，晏澤榮，陳元芳等．球閥設計與選用[M]．北京:科技出版社，1994.

作者:呂東 單位:國成閥門集團有限公司