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?Sb'=358?(1.74-1)?132.46 mm 2则取C?1mm；
?Sb?Sb'?C?132.46+1=133.46 mm
最后，考虑本球阀设计使用与高温高压环境，且考虑其抗震性等因素，决定附加1.25倍的壁厚安全系数，使得最终壁厚定位167mm。 4.2.2 法兰连接的设计计算
本设计球阀为三段式结构，阀体与连接体的连接形式设计为法兰连接。阀体和连接体法兰尺寸均按照DIN EN 1092-1-2005标准进行标准化设计。法兰端尺寸参照ANSI B16.5(8)标准，法兰面加工按ANSI B16.5标准进行。
① 法兰面密封设计
阀体法兰的密封属于静密封，密封性能直接关系到阀门是否外漏。法兰面外漏引起的后果往往比球阀内漏更严重，尤其本设计球阀为石油管线球阀，其外漏不但造成原材料及能源的浪费，还会严重污染环境，伤害农业，甚至引起火灾、爆炸等危害生命安全的事故，给国民经济造成严重损失。
对于球阀来说，阀体连接部位密封系指左、右两半阀体与连接体之间的密封，后者在本设计中即一般所说中的法兰连接密封。就其密封性质，法兰连接密封属于静密封，它应满足下列要求：1.当温度和压力急剧变化时，密封要可靠；2.多次拆卸而不损坏密封元件；3.结构简单紧凑，金属消耗量少；4.对震动和冲击载荷不敏感。根据以上要求，考虑O型圈密封结构简单，制造方便，只要密封结构设计合理，装配后就能产生足够的径向挤压变形，可不必加轴向载荷即可达到密封效果，本设计选用O型密封圈密封作为阀体连接部位密封，一可以大大减小法兰的尺寸，减小螺栓的数量及尺寸，从而减轻阀门质量，对于本设计中公称通径为NPS 8且工作压力在2500LB的高压球阀更为有利。
参考已有设计资料及实验数据，为达到密封要求，此处O型密封圈采用O-ring 330×3.55-G-S-ISO 3601-1，密封槽深度为4mm，槽宽7.71mm，槽底圆角为R0.5，楞边圆角为R0.25，连接体法兰与阀体密封面处间隙为0.075mm。
② 法兰螺栓的计算
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法兰螺栓载荷的计算按照球阀操作情况进行。
由于流体静压力所产生的轴向力促使法兰分开，而法兰螺栓必须克服此种端面载荷，并且在接触面上必须维持足够的预紧力，以保持密封。此外螺栓还承受球体-阀座密封圈之间的密封力作用。
在工作情况下，螺栓承受的载荷为：
Wp?F?Fp?Q1
表4 法兰设计计算相关符号定义
符号 Wp 定 义 工况下螺栓承受的载荷 流体静压在轴向上的力 连接接触面上总的压紧载荷 流体作用直径 密封垫片系数， 法兰接触面押压紧宽度 描 述 Wp?F?Fp?Q1 F?0.785DG2PN Fp?2?bDGmPN F Fp DG DG?340.87mm m b O型圈密封时m=0 Wp?F?Fp?Q0?F?Q0?0.785DG2PN+138113.33
?Wp?3968975.34 N
法兰螺栓的拉应力情况为：
?L?WpA?[?L]
表5 法兰螺栓计算相关符号定义
符号 定 义 法兰螺栓的拉应力 螺栓材料在工作温度下的许用拉应力 (材料选用B7M，改良型35GrMo) 描 述 ?L [?L] ?L?WpA [?L]=230 MPa A 螺栓连接总截面积 22
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?L?WpA?[?L]?A?Wp[?L]?3968975.34
230?A?17256.41mm2
因公司市场主要为北美市场，本设计螺栓连接根据美制统一标准选用，此处选用螺纹为2-8UN-2B，查表得其抗拉强度面积为2.77in2，转化为公制后约为
1787.1mm2，则在1.5倍设计安全系数下，单个法兰的连接螺栓个数为：
n?1.5?A17256.41?1.5??14 1787.11787.1螺栓间距和螺栓直径之比L作为保证密封和安装工艺的参数之一，其值选取随着PN的增大呈下降趋势，本设计中PN?42MPa，根据现有公式和实际应用考虑，此处螺栓间距和螺栓直径之比取为L?2。
至此，根据公式可得螺栓孔中心圆直径为：
Db?L?n?dB?
表6 法兰螺栓尺寸相关符号定义
符号 Db dB 定 义 螺栓孔中心圆直径 螺栓公称直径 描 述 Db?L?n?dB? dB?2in?50.8mm L 螺栓间距与螺栓直径之比 ?Db?453mm
取L?2
③ 法兰的强度计算
法兰强度计算复杂，因设计者本人设计能力有限，本设计未进行严密周详的理论设计计算，参考公司已有设计资料及实验数据进行，并使用ANSYS仿真法兰工况下受力进行强度验证，并对设计进行优化，设计最终结果验证如下：
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图9 连接体法兰有限元分析
由上图可见，法兰安全系数最低处约为2.2，其设计符合强度要求。 4.2.3 其他关键设计计算
阀体带有排泄设计。阀腔的介质可以排泄，并通过排泄孔对阀门进行在线密封检测。
4.3球阀的耐火、防异常升压结构设计、防静电结构设计
4.3.1 球阀的耐火结构
本设计中的阀座密封圈、填料以及大通径的滑动轴承等均由工程塑料或部分工程塑料制成，由于球阀设计用于输送石油，属易燃易爆介质，难免遇到意外的火灾。在这种情况下，高分子密封材料就会软化，甚至烧毁，是球阀失去密封能力，即使球阀关闭，也不能有效切断油源，造成严重后果。
本设计采用比较典型的固定球球阀耐火结构。当球阀处于正常工作状态下 时，高分子材料密封圈与球体保持密封，此 时，球体与密封圈的浮动阀座保持0.5~1mm 的间隙，一旦高分子材料被烧毁或软化失效， 则密封圈的浮动支座在流体压力的作用下， 被推向球体，使预先加工好的金属支座密封 面与球体接触，起到临时密封作用，待灾情
解除在予修复或更换。 图10 耐火结构设计
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4.3.2 球阀的防异常升压结构设计
输送管道中的异常升压是石油、天然气输送中经常遇到的问题，如果阀门设计中没有事先考虑到这种情况，在实际使用中很容易发生安全事故。
本设计中采用自动泄压型阀座，当阀体内腔异常升压所产生的作用力超过该阀座的预紧力的时候，流体可通过与球体接触的密封面的间隙排到阀后管道中去，从而起到防异常升压的作用。 4.3.3 球阀的防静电结构
球阀在启闭过程中，球体与轴承、阀杆与阀体有相对运动，会因摩擦而产生
静电，而橡胶、氟塑料等非金属都是优良的电绝缘体，当静电积累到一定程度，在有火花的条件下就可能导致爆炸，这对于输送石油、天然气等易爆介质的场合特别危险。
本设计中在填料压盖中加工一定深度的光孔，配合压缩弹簧和钢球，使球体与阀杆以及阀杆与球体之间形成静电通道。这样，因摩擦产生的静电便通过弹簧-钢球传到阀体，从而通过管道与地接通，达到消除静电积累之目的，满足安全输送的要求。它结构简单、紧凑、便于安装和拆卸，因此，目前大多采用这种结构设计。
4.4球阀阀杆设计计算
阀杆是球阀的重要受力零件。球阀的启闭动作是借外加转矩（手动操作或装置操作通过阀杆旋转球体达到的。在球阀设计中，往往要对阀杆进行扭应力计算或验算。而阀杆与球体连接部分受到挤压和剪切的作用，对其接触部分的挤压应力和剪切应力计算。此外，对于固定球球阀的轴承部分还要进行轴承的压力计算。
阀杆材料根据其强度要求和耐候性要求选用ASTM A316，对应新国标06Cr17Ni12Mo2 (旧牌号0Cr17Ni12Mo2)，其在海水和其他各种介质中，耐腐蚀性比0Cr19Ni9好。主要作耐点蚀材料。该材料的许用应力为210MPa，抗拉强度为520MPa，根据静载荷情况下扭转许用切应力[?]和许用应力[?]之间的关系[?]=(0.5~0.6)[?]，取扭转许用切应力为[?N]=100 MPa
根据阀杆功能要求，其结构初步定为如图（7），并进行设计计算。
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