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以达到良好的密封效果，故在球阀启闭过程中球体表面和阀座接触应力极大，球面和密封圈磨损情况严重，故障率高。本设计在球阀密封性能的达成与提升上不同于球阀行业的传统技术方向方法，通过技术创新，使球阀在静止密封时能充分受压密闭，在球阀启闭时解除阀座与球体接触应力避免球体和密封圈等受损而影响密封效果。故而本设计的实现将从根本上突破球阀的性能瓶颈，并大大降低球阀故障率，延长使用寿命，同时省去了巨大的维修成本，连带的将还有投产后优越的产品性能带来的客户群体的不断壮大和日益高端化，在给用户带去优质产品的同时也将给企业带来良好的口碑和丰厚的利润。
本设计在技术上另辟蹊径，在球阀密封性的更好实现的同时降低了性能投入成本，降低了阀门故障率，延长了球阀的使用寿命，攻破了球阀行业技术难题，冲破了产业发展瓶颈。
2.2基本结构的确定
2.2.1选型
本设计主要运用于石油、天然气管路，石油、天然气管路具有压力高、连续性工作、流通要求口径较大的特点，根据这些应用特点，本设计进行了针对性的结构选型。
球阀按其结构形式一般分为浮动球球阀和固定球球阀两种。 固定球球阀的球体是固定的，受压后不产生移动。其一般都带有浮动阀座，受介质压力后，阀座产生移动，使密封圈紧压在球体上，以保证密封。通常在与球体的上、下轴上装有轴承，操作扭距小，适用于高压和大口径的阀门。故选用固定球球阀。
为便于装配，阀体设计采用三段式结构。
三段式固定球球阀的典型结
构如图2所示。 图2 三段式固定球球阀的典型结构
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2.2.2机械结构设计
现有用于管道上的球阀，为了使球阀开启省力，通常设有而各种启闭驱动装置，而设有驱动装置的球阀，其生产成本较高，故障率高。此外，这种有驱动装置的球阀，阀座与球体之间易发生物理磨损，所以对球体的要求很高，而其使用寿命相对又很短。本项目设计省去了占阀门成本将近30%的启闭驱动设备的投入，实现无需启闭驱动装置的开启，大大降低了球阀设备的生产与采购成本。
本项目采用如图（3）的独特的机械结构，利用液压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。
本高压时微转矩球阀包括阀体、连接体、球体、阀杠和阀座。阀座上设有储油室，储油室与控油装置相连。控油装置包括顶杆套，设于顶杆套内的顶杆，设于阀体内的单向阀，进油道和出油道，设于阀座内的阀座油道；顶杆套的前部位于连接体内，顶杆套的尾部位于阀体内，单向阀顶于杆顶的顶端；出油道一端连储油室，另一端通过单向阀与进油道相连，进油道与阀座油道相连。阀杆的边侧开有锥形凹窝，顶杆套的尾端顶在该锥形凹窝内。储油室由阀座、油室盖和连接体围合而成。其工作原理是：阀杆的下端插于球体的凹口内，当开始转动阀杆时，球体不动，顶杆套从锥形凹窝内逐步外移，随着顶杆套的外移，位于顶杆套内的顶杆也随之顶于阀杆而外移，从而推动单向阀打开，来自管道的高压油通过阀座油道进入阀体的进油道，流向单向阀后，进入阀体出油道，最后进入储油室，从而推动阀座反向移动，使阀座脱离球体，与此同时阀杆也随之带动球体转动，这样就实现了以微扭距打开球阀目的。
由于转动球体的转矩不再受阀座推力的支配，阀座的推力可以设计到最大以达到最好的密封效果，而转矩的大小只需转动球体重量及阀杆受压产生的磨擦力。同时，转矩大幅减低又带动启闭驱动装置的大幅减小甚至弃用，从而节省了大量成本和材料消耗。又因阀座与球体的磨擦力解除，阀座和球面受损的概率降至最低，大大延长了球阀的使用寿命，降低了球阀的维护成本。阀座与球体表面磨擦力的消除同时也可能使传统金属密封条件下昂贵的表面涂层或取而代之以较通用的方法处理，大幅降低生产制造成本。
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图3 高压时微转矩球阀初步结构设计
1-阀杆；2-顶杆套；3-顶杆；4-阀体；5-油室盖；6-单向阀；7-出油道； 8-连接体；9-进油道；10-阀座油道；11-储油室；12-阀座；13-球体；
2.2.3球阀基本参数的确定
本设计采用国际公认的设计规范或标准，ASME的 VIII 部分第 1 节、第2 节， ASME B16.34，EN 125 16-1 和 EN 13445-3进行标准化设计。 ① 设计压力等级
取技术要求中最高压力等级CLASS 2500进行设计（PN?42.5MPa） ② 公称管径和加工尺寸
根据以上设计规范和API于2008年10月1日新近生效的全球标准API 6D-2008,以及ISO 14313：2007标准，石油和天然气工业——管道输送系统——管道阀门，可选取公称管径区间为NPS 2 ~ NPS 36，再依据已确定设计阀门为高压下的固定球球阀，其工程管径通常不小于NPS 8，综合考虑，设计确定选取参数NPS 8作为本阀门设计的公称管径。
设计采用全通径结构，其加工尺寸根据API 6D-2008中针对全通径阀门的最小通径的规范，在CLASS 2500环境下，取值不小于179mm，稍留余量，初取
DN?180mm。
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② 结构长度
根据API 6D-2008设计标准表2中关于阀体结构长度的规定DN=200mm，及DN300及其以上的PN?42.5MPa下阀门两端面之间的要求距离为1038mm，
阀门面对面和端对端尺寸的允许公差为?3mm。据此，初步确定本设计阀门的结构长度为1038mm。 ④ 连接结构
鉴于在相同耐压等级条件下，法兰连接生产加工难度低，密封可靠，装配要求低，维护简单等优势，常用于压力，密封等要求高的场合，本设计选择法兰连接结构。 ⑤密封方式
球阀设计的关键在于密封座的结构。到目前为止，无论采用多么先进精确地加工技术都还不能完全保证球体的真圆度，消除表面微观不平度，因为要使球阀达到密封要求，就必须依靠戒指压力推动球体向密封座移动，令密封座表面达到一定大小的弹性变形，即造成一定的密封压强来保证。
球阀密封方式有硬密封和软密封。硬密封适用于高温环境，其加工要求较高，且金属的弹性变形小，同样密封要求下较软密封方式所需达到的密封压强大，磨损严重。鉴于本设计使用环境并非高温情况，故选择软密封密封方式。 ⑥各部分材料初选
球阀壳体，包括阀体、压盖、阀盖镶圈和体盖，壳体材料选用根据ASME B16.34 标准。初定壳体选用ASME标准中的常用阀门材料A105N。
阀门的内部金属零件诸如球体、阀杆和金属阀座或支撑圈，选择具有和壳体相同的化学成分，并具有与壳体材料相近似的机械性能和耐腐蚀特性的材料。初定选用ASME标准中的常用阀门材料A105N。
密封圈材料根据使用要求，在石油和天然气应用环境下，较高温度下具有良好抗压强度的材料，综合比较，选取A材料(材料涉及公司内部机密，故用A代号代替，材料A性能参数见附录表格)。
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3. 球阀力的计算
3.1必需比压的计算及球径的确定
3.1.1必需比压计算
必需比压是为保证密封,密封面单位面积上所必须的最小压力,以qMF表示。 由于流体压力（进出口压力差）和附加外力作用，在球体与阀座之间产生压紧力，于是阀座密封圈便产生弹性变形补偿球体真圆度公差和表面微观不平度，使密封面上的间隙减小，以组织流体的通过，从而达到密封的目的。
必需比压是阀门设计中过的最基本参数之一，直接影响产品的性能及其结构尺寸。其取值关系众多因素，主要取决于加工质量、尺寸、工作压力和温度。
由设计经验公式：
qMF?1.8?0.9PN??1.4??
??bM??根据密封要求，密封面材料选取A，在选用材料为A且密封面间有相对滑动时密封面的的许用比压q?140MPa。在此情况下，为达到良好的密封效果，bM值应在材料许用应力范围内尽量取较大的取值，又由于密封副是阀门设计中最关键部分，故设计安全系数取较大值，此处取安全系数为5，则以qMF?入上式，
2?1.8?0.9?42???2828?1.4???bM??? ??1.4?(1.8+0.9?42)bM????q?28MPa代5?bM?0.255mm
同时选取一个比较容易计算的数字，给定密封面在液体流动方向上的投影宽度：
取bM?3.0mm
3.1.2球体直径的确定
球体直径的大小影响球阀结构的紧凑性，设计时尽量缩小球体直径。根据经验公式，按R?(0.8~0.95)d取值。球体半径R?166mm，球体直径为SD?332mm。
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