球阀设计计算书2″~8″Q41F-150Lb
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二○○三年五月二十三日
浙江阀门制造有限公司
目录
1.阀体壁厚计算————————————————————1
2.中法兰强度计算———————————————————2
3.法兰螺栓拉应力验算—————————————————7
4.力矩计算——————————————————————8
5.阀杆强度校算————————————————————11
6.密封比压计算————————————————————13
7.作用在手柄上的启闭所需力——————————————15
一、 阀体壁厚计算：
计算公式： C P S d
P t c
c +-=)2.12.(
5.1
式中：t －阀体计算壁厚（英寸）； Pc －额定压力等级（磅）；Pc=150 d －公称通径（英寸）；
S －材料需要用的应力（磅/平方英寸）S=7000 C －附加余量（英寸）按ANSI B16.34 C=0.1英寸
英寸(毫米)
实际确定壁厚≥计算壁厚为合格
二.中法兰强度计算： 1.中法兰的轴向应力计算：
[]5.1302
1=≤=
H i
o
H D fM σλδσ 式中：
σH －法兰颈的轴向应力（Mpa);
Mo －作用平炉钢于法兰的总轴向力矩（N ·mm); f －整体法兰颈部应力校正系数（查表）； δ1－法兰颈部大端有效厚度（mm); D i －为阀体中腔内径（mm); λ－系数；
［σH ］－法兰颈许用轴向应力（Mpa);
M O =F D S D ＋F r S r ＋F G S G
式中：
F D －作用在法兰内径面积上的流体静压轴向力（N); S D －从螺栓孔中园致力FD 作用位置处的径向距离（mm);
F r －总的流体静压轴向力与作用在法兰直径面积上的流体静压轴向 力之差（N);
S r －从螺栓孔中心园致力于Fr 作用位置处的径向距离（mm); F G －用于窄面法兰垫片载荷（N);
S G －从螺栓孔中心园致力FG 作用位置处的径向距离（mm);
F D =0.785D i 2P S D =S ＋0.5δ1
12
δ--=
i
b D D S )(785.02
2
i G r D D P F -=
21G
r S S S ++=
δ 2
G
b G D D S -=
F G =W-F (W=Wp) Wp=F+Fp+Q F=0.785D G 2P Fp=2πbD G mP
P D Q m 2
4
π
=
A
T
e f
f δδλ+
+=1
IS
i D F e δ1=
IS i IS D V
U
A δδ2=
式中：
S －从螺栓孔中心园至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离（mm); D b －法兰螺栓孔中心园直径（mm);
D G －法兰垫片中径（mm ）;
Wp －在操作情况下所需的最小螺栓负荷（N ）; F －总的流体静压轴向力（N);
Fp－连接接确面上的压紧负荷（N）;
Q－球体与阀座密封之间的密封力（N）; b－垫片有效密封宽度（mm）;
m－垫片系数（查表）；m=1.25
D m－为密封面中径（mm）;
δf－法兰有效厚度（mm);
e－系数；
T－系数（查表）;
A－系数；
F1－整体法兰形状系数；F1=1
δIS－法兰颈部小端有效厚度（mm);
U－系数（查表）；
V －整体法兰形状系数（查图）；
σH ≤〔σH 〕=130.5
合格
2.中法兰的径向应力计算:
[]Mpa D M e R i
f f R 108)133.1(2
=≤+=
σλδδσ
式中：
σR －法兰的径向应力（Mpa ）; ［σR ］－法兰许用的径向应力（Mpa ）; σR ≤〔σR 〕=108 合格
3.中法兰的切向应力计算:
[]Mpa Z D YM T R i
f T 1082
=≤-=
σσδσ
式中：
Y －系数（查表）；
Z －系数（查表）；
σT －法兰的切向应力（Mpa ）; ［σT ］－法兰材料的切向应力（Mpa ）;
σT ≤〔σT 〕=108 合格
三、.法兰螺栓拉应力验算：
[]Mpa n
d W L m P L 144=≤=σσ
式中：
σL －法兰螺栓断面积所承受的拉应力（Mpa ）; d m －螺栓断面有效面积（mm2）; n －螺栓数量；
［σL ］－螺栓材料的拉应力（MPa ）。

σL ＜［ σL ］ 故：螺栓满足要求 四、力矩计算：
M F =M QF +M FJ +M FC
式中
M F -浮动球球阀力矩(N.mm)
M QF -浮动球球阀的球体与阀座密封面间的摩擦力矩(N.mm) M FT -填料与阀杆间摩擦力矩（N.mm ） M FC -阀杆头部的摩擦力矩(N.mm)
ϕϕπcos 8)cos 1(2+=R Pf D M M mP QF
2MW
MN mP D D Q += 2
F T FT
d Q M =
P b d Q T F T ψ= FZ D J F FC Q f d M 25.0=
3
212
1)
(2.2R R E R R Q d FZ FJ -=
Q FZ =Q MZ +Q T Q MZ =Q MJ +Q MF
P b D Q M MN MJ 2)(4
+=
π
MF M M MN MF q b b D Q )(+=π
式中
D mP -阀座密封面的平均直径（mm ）
f M-球体与密封面的摩擦因数（对聚四氟乙烯密封面=0.05） -球体与密封圈接触点与通道轴法向夹角(取45°)
R-球体半径(mm)
P-计算压力（Mpa）（取公称压力PN）
ψ-系数
d F-阀杆直径(mm)
b T-填料宽度(mm)
h T-填料深度(mm)
d FJ-阀杆头部接触面直径(mm)
Q FZ-阀杆总轴向力(N)
Q MZ-密封面上总轴向力(N)
Q MJ-密封面处介质作用力(N)
D MN-密封面内径(mm)
D MW-密封面外径(mm)
b M-密封面宽度(mm)
Q MF-密封面上密封力(N)
q MF-密封面上必须比压(Mpa)
f D-阀杆头部摩擦因数（取0.3）
R1-阀杆头部球面半径(mm)
R2-球体槽部圆弧半径(mm)
E-材料弹性模量(Mpa)（2Cr13=2.2×105）
五、阀杆强度校算：
1. 阀杆与球体连接触断面的扭转应力校算： 附图：
[]N F
N M τω
τ≤=
3a βω=
式中：
τ
N －I －I
断面处扭转应力（Mpa ）;
M F － 阀杆端头所受力矩（N · mm ）; ω－I －I 断面的抗扭转断面系数（见附图）； ［τ
N ］－材料的许用扭转应力（Mpa ）;
β－系数; P457页 a －见上图（mm ）; b －见上图（mm ）;
〔τ
N 〕在
450°C 时95Mpa
因：τN ≤〔τN 〕
故：合格
2.阀杆与手柄连接触断面的扭转应力校算：
附图
[]N F
N M τωτ≤=
2
2
32a βω=
式中：
τ
N2－I －I
断面处扭转应力（Mpa ）;
ω2－I －I 断面的抗扭转断面系数（见附图）；
β－系数; P457页
a－见上图（mm）;
b－见上图（mm）;
因：τN≤〔τN〕故：合格
六、密封比压计算：
附图
[]20)
(4)(=≤-+=
≤q D D P
D D q q MN MW MN MW MF
10
/9.08.1M MF b PN
q +=
式中：
q MF -密封面上必需比压（Mpa ） q-验算的实际比压（Mpa ） 〔q 〕-密封面的许用比压（Mpa ） D MN -密封面内径(mm) D MW -密封面外径(mm)
符合条件合格
七、作用在手柄上的启闭所需力：
L
M Q F
S
式中;
Q S －作用在手柄上启闭的力( N); M F －阀门启闭转矩( N · mm); L －手柄长度（mm);
参考文献：
1、《阀门设计手册》机械工业出版社1992； 主编：杨源泉
2、API 6D 《管道阀门》
3、《实用阀门设计手册》中国知识出版社2006 主编：房汝洲.。