浙江水利水电学院（设计）
1. 引言
1.1课题背景及意义
阀门，是国民经济建设中使用极其广泛的一种机械产品。随着我国改革开放、建立社会主义市场经济和开展对外贸易的需要，在石油、天然气、煤炭、冶金和矿石的开采、提炼加工和管道输送系统中；在石油化工、化工产品，医药和食品生产系统中，在冶金生产系统中；在船舶、车辆、飞机、航天以及各种运动机械的使用流体系统中；在国防生产以及新科技领域；在农业排灌系统中都需要大量的阀门新品种。可以说，只要有管道的地方就需要阀门，它是国民经济各部门不可缺少的流体控制没备。
而球阀因其与管道相当的流体阻力系数，结构简单、体积小、重量轻，紧密可靠等等诸多优势，已成为阀门目前市场上用户使用最多、应用最为普遍的阀门。尤其在油气运输管线上，其运用几乎是覆盖性的。
球阀是由旋塞阀演变而来。它具有与之相同的旋转90度动作，不同的是旋塞体是球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。当球旋转90度时，在进、出口处应全部呈现球面，从而截断流体流动。
现有球阀结构虽然简单，但是其缺点亦相当明显。
球阀的弹性密封垫国内外基本上都用聚氟乙烯材料压制、烧结而成，该材料虽然摩擦系数小，但加于球阀承受一定的工作压力，且要达到密封作用，在设计和装配时需要确保密封垫厚度的一定过盈量，使密封垫和球体在阀体内腔形成预紧力。此预紧力大小与球阀的密封状况呈正相关，同时，预紧力越大，球体转动所需的转矩也越大。大型中高压球阀为了在高压大转矩存在情况下顺利启闭，还需额外配备昂贵的动力驱动装置。现行使用广泛的启闭驱动装置分电动、电/液动、电磁动、液动、气动、气/液动等等。无一例外，上述装置在顺利完成高压管道球阀启闭的同时也给球阀的生产制造增添了一大笔不小的开支。据不完全统计，普通的高压球阀启闭驱动装置占球阀成本的30%以上，采用特种驱动装置，这个比重还要高。而每年消耗在高压球阀驱动装置上的成本又给企业运营制造了巨大的经济负担。原材料的消耗和因此所产生的能源、环境等等问题又与当今全球社会与经济发展大环境相悖。
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本项目设计在深入分析国内外市场环境，全方位考察现有产品特点，充分考虑客户需求的情况下产生。
本项目设计通过球阀结构创新设计，对功能和性能冲突实现了革命性的改造，打破了球阀密封性能和启闭性能的对立，有效地提升了球阀的设计水平。
1.2课题的现状
一般情况下，球阀是作为整机的某个部件而存在的，其材质、结构、加工工艺性、产品质量、可靠性，直接影响着整机的效率、能耗、污染、寿命和安全等各项关键指标。因而，球阀技术的现状及其发展态势，将引起新一轮的技术创新。 1.2.1国外研究和发展情况
球阀的使用已经数世纪，国内外的研究发展由于市场竞争激烈大部分以降低成本为目标。品质则以加工精密，增强材料，选对材料为导向，这些措施对现有产品性能改进甚微。
国外同类产品对阀门行业的最大影响是对新材料的应用和对同类产品结构的调整及性能的延伸。
国外阀门新开发产品重点放在阀门新材料的应用上，由于现有的耐腐蚀阀门材料还不能完全满足其技术发展的需要，超低碳不锈钢的阀门产量很少，因此国外阀业正在加速开发超低碳双相不锈钢阀门。超低碳双向不锈钢具有耐氯离子、硫化氢、二氧化碳、无机酸、有机酸等环境下的点腐蚀、晶间腐蚀、均匀腐蚀等能力。其次，国外阀业越来越重视其纳米材料在阀门上的应用。纳米技术是世界科技发展的前沿技术，纳米塑料阀门的研究，在装备制造业中纳米材料只能达到亚纳米级，对制造阀门的粉体进行纳米量级处理。原来的塑料颗粒比较大，经过新工艺处理，可以得到排列整齐，细微的粉体颗粒，经过烧结高温压铸成形，得到阀门的整个腔体，此塑料阀门的具有很好的耐蚀性，很高的强度，可取代特殊的不锈钢阀门应用于石油、化工领域，尤其是火电厂的脱硫设备等强腐蚀的工况环境中。再者是用羰基法制成镍基纳米粉末，用激光涂覆技术或超音速涂覆技术，将镍基纳米粉末涂覆在密封面上，使密封面硬度可达HRC62～70，提高阀门的密封面的耐磨、耐冲刷、耐腐蚀性能，从而提高阀门的使用寿命。第四，是陶瓷在阀门上的应用，由于陶瓷可大大提高阀门的耐腐蚀性能，使用寿命及密封性能优于硬质合金，用陶瓷作密封副，如电站上应用的仪表阀门多为陶瓷球密封，有
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硬度高、耐高温、使用寿命长等优点。第五，是开发用处不同的橡胶，如氢化丁腈橡胶（HNBR）就耐硫化氢的腐蚀，可以应用在阀门密封面上。在API 6A闸阀的阀座上就能应用氢化丁腈橡胶（HNBR），使该闸阀即寿命高又耐硫化氢腐蚀。
国外同类产品的超前更新对我国阀门行业的影响主要表现在：对我国重点工程配套阀门产品的替代；占领其广阔的市场；使我国阀门行业之间的市场竞争加剧等等。
1.2.2国内研究和发展情况
我国阀门行业经过多年的发展，阀门生产厂家迅速增加，阀门生产水平有了较大提高，阀门产量有了大幅度增加。阀门的主要产品基本上能满足国内市场的需要，阀门市场的成套率、成套水平和成套能力都有较大提高。
目前，我国已能生产3000多个型号、40000多个规格的阀门产品，品种包括闸阀、截止阀、节流阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、止回阀、安全阀、减压阀、疏水阀和其它阀门类等，共计十二大类。
随着新的工艺流程和控制要求的出现，随着现代阀门技术参数和技术性能的高水平发展需要，随着生产过程日益自动化发展的需要，对阀门新产品的发展需要也不断提出。
同时，根据“十一五”纲要，我国国民经济发展的需求要求国家重点支持阀门行业为火电、核电、水电、大型石油化工、石油天然气集输管线、煤液化及冶金等重大工程建设配套阀门新产品的开发。
1.3课题主要研究内容
针对目前市场上的同类阀门打开时需用蜗轮箱、电动头等驱动装置操作，既费钱费时费力，又易受损的现象，通过对现有球阀设计的技术改进，寻求一种新型的既省力省钱，又有良好密封性能，操作简单，维护方便的阀门。主要将针对以下内容进行：
（1）球阀的密封性研究：本项目致力于控制加工精密度投入成本和运行成本，并在此基础上研究完善球阀密封效果的新技术。
（2）球阀所受摩擦与球阀所受转距之间关系的研究。
（3）球阀结构的研究和设计：使密封状态下阀座产生很大推力达到较高密
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封性能同时又在启闭操作时使转矩降低，实现无需启闭驱动装置的微转矩启闭。
（4）导流孔设计：管道内高压流体导流结构设计及其技术实现与验证。
2. 高压时微转矩球阀的总体设计
2.1总体方案
2.1.1主要技术要求 承受温度：-25℃~180℃ 工作压力：1500~2500 Lb 启闭转矩：低于300N*M 适用管径：NPS 2 ~ NPS 48 适用介质：石油、天然气等 2.1.2基本方案介绍
管线球阀的设计理念最根本的是安全和可靠性。长输管线的自然条件要求管线球阀的设计和制造必须保证其安全性和可靠性。而且这一理念应贯彻在产品设计、零件加工、工艺规范、型式试验、质量控制和售后服务的全过程。
本设计主要完成球阀产品设计环节。
球阀主要的功能是将管线的流体切断或者开通。其切断的方式是由阀座跟一球体紧密贴合，贴合处的上游高压流体则无法泄漏到下游而将流体切断。阀座和球贴合如果不紧密则仍可能泄漏。
因此如何使贴合紧密成为球阀质量的一个指标，球的真圆度、阀座的真圆度是基本要求。以上两个要求也是球阀行业现今在提升球阀密封性上致力于达到的标准。由于加工精度指标及测量设备要求高，而大量的投资都消耗在达到这一指标的投入上，因此现有对球阀密封性的更高追求均以巨大的资金投入为基础，大大阻碍了球阀行业的发展。而以此为绝对导向的球阀设计与球阀生产制造如果以降低成本为目标，则势必削减以上指标上的投入，大大影响产品密封性能。
球阀的开关是靠球体的转动使阀座孔与球孔对齐则开通球阀，当阀座与球体紧密贴合时球体被阀座压住，球体必须靠一定的转矩才能转动，阀座推力愈大转动球体所需转矩愈大，因此阀座和球体接触面容易受高度摩擦而受损，同时转矩
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愈大转动球体的执行器愈大而成本愈高。
以上描述的结论是：密封性与阀座推力成正比，球阀受损度与此推力造成的磨擦力成正比。理想的球阀是高度密封性，低转矩，低成本。这些要求在传统的球阀特性中均相互矛盾。
本项目在技术上另辟蹊径，利用流体力学原理引导高压液流方向，使阀座在球体将转动前的瞬间被推离球体，使阀座与球体脱离接触状态，从而将阀座和球体间的磨擦力解除，同时使启闭转矩降至最低。 2.1.3成本与性能分析
图（1-1） 图（1-2） 图（1-3）
图1 阀门驱动设备
如图1所示，传统的球阀（如图1-1）在低压下只需简单的驱动设备，如扳手，成本较低；但是一旦进入高压使用环境，启闭转矩增大，就不得不附加价格高昂的驱动设备以实现成功启闭，在小通径阀门情况下（如图1-2），驱动装置相对成本较高，同时，伴随着球阀通径的不断增大（如图1-3），驱动装置的绝对成本也随之上升，导致球阀整体成本大幅增加。
驱动装置和驱动方式的降级也给球阀的安装和使用带来了新的可能。带有齿轮箱或气动驱动器的球阀一般只能选择直立安装，即安装在水平管道上，且驱动装置处于管道上方，这就给特殊的阀门使用现场带来相当大的选择和使用限制，而用手柄驱动的阀可安装在管道上的任意位置。本设计可以在明显降低球阀启闭转矩的情况下实现用手柄实现原来蜗轮箱、电动头和气动、液压驱动装置才能完成的高压球阀启闭动作。
就球阀使用性能方面，传统高压球阀由于阀座与球面在任何时候都紧密贴合
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