固定硬密封球阀扭矩计算DN300-350

扭矩
阀门扭矩计算具体是：二分之一阀门口径的平方×3.14得出是阀板的面积，再乘以所承压力（即阀门工作压力）得出轴所承受的静压力，乘以磨擦系数（去查表一般钢铁的磨擦系数取0.1，钢对橡胶的磨擦系数取0.15），乘以轴径除以1000即得阀门的扭矩数，单位为牛·米，电动装置和气动执行器参考安全值取阀门扭矩的1.5倍。

阀门在设计时，选用执行器是靠估算，基本分为三部分：
1、密封件见的摩擦力矩（球体与阀座）
2、填料对阀杆的摩擦力矩
3、轴承对阀杆的摩擦力矩
故计算压力一般取公称压力的0.6倍（约为工作压力），摩擦系数根据材料定。

计算的力矩乘1.3~1.5倍以选执行器。

阀门扭矩计算要兼顾阀板与阀座的摩擦，阀轴与填料的摩擦，介质不同压差下对阀板的推力。

因为阀板、阀座和填料的种类太多了，每一种都有着不同的摩擦力，还有接触面的大小，压紧的程度等等。

所以一般都是用仪表实测而不是计算。

阀门扭矩计算出的数值有很大的参考意义，但并不能完全照搬。

在很多因素的影响下，阀门扭矩计算并没有实验得出的结果更精。

固定球阀力矩计算的探讨浙江三花商用制冷有限公司浙江绍兴 3125002博雷（中国）控制系统有限公司浙江杭州 3112003摘要：固定球阀力矩计算在球阀设计中作为一项至关重要的技术指标，不仅为阀门执行器选型提供了重要的参考依据，也是一项体现阀门性能的重要指标。

其中阀座密封面与球体表面之间的摩擦力矩最为突出，占据总合成力矩的大部分，分析、推演了阀座密封面与球体表面的摩擦转矩的设计及计算方法，并提出了球体与阀座密封面摩擦力矩的计算公式，通过列举典型阀门尺寸计算数值、型式试验数值对比，证实了阀座密封面与球体表面摩擦转矩的计算公式符合阀门实际条件，是可行的。

关键词：固定球阀; 密封面摩擦力矩; 计算公式引言球阀作为一种通用机械设备，具有操作方便、启闭迅速、流体阻力小、密封性好与可靠性高等优点，广泛应用于能源化工、航天军工以及普通民生的各个领域，尤其在石油化工、煤化工行业的应用更为突出。

按密封结构所采用的材料，球阀可分为软密封和硬密封，硬密封球阀更适合高温高压、耐腐蚀的环境中，按球体固定形式，又可分为固定球阀和浮动球阀，由于球体有阀杆支撑，固定式球阀能够承受更高的压力，金属硬密封固定球阀适用温度范围广，并具有耐腐蚀、耐高压、耐磨损等特性，在化工行业广泛应用。

1概述随着现代工业的高速发展，阀门作为工业过程控制的重要组成设备。

精良的设备，先进的制造工艺，大大提高了零部件的表面粗糙度，低扭矩、转动灵活，密封可靠的阀门越来越受到重视。

在球阀设计过程中力矩控制已作为一项至关重要的技术指标。

球阀力矩计算的准确性对阀门结构设计、性能分析、材料选用、执行器选用等方面的影响都比较大。

球阀的开启或关闭，是通过驱动阀杆，从而带动球体的旋转得以实现。

驱动阀杆所需克服力矩主要由以下几部分组成:阀座密封面与球体表面的摩擦力矩;滑动轴承与阀杆的摩擦力矩;止推垫与阀杆的摩擦力矩;O形圈与阀杆的摩擦力矩;填料与阀杆的摩擦力矩。

阀门在启闭过程中，所需要的启闭力和启闭力矩是变化的，其最大值是在关闭的最终瞬时和开启的最初瞬时。

固定球阀扭矩和比压计算阀前阀座密封的固定球阀的扭矩计算总扭矩M：M=M m+M t+M u+M c （N·mm）式中M m—球体与阀座密封圈间的摩擦扭矩（N·mm）；M t—阀杆与填料间的摩擦扭矩（N·mm）；M u—阀杆台肩与止推垫的摩擦扭矩（N·mm）；M c—轴承的摩擦扭矩（N·mm）；（1）M m的计算M m=QR（1+cosφ）μt/2cosφ;Q—固定球阀的密封力（N）,Q=(Q MJ-Q J)+2Q1-Q2；Q MJ—流体静压力在阀座密封面上引起的作用力（N）,Q MJ=πp(d12-D12)/4;d1—浮动支座外径(mm)；D1—浮动支座内径，近似等于阀座密封圈内径(mm)；P—流体压力（MPa）；Q J—流体静压力在阀座密封面余隙中的作用力（N）,Q J=πP J (D22-D12)/4;P J—余隙中的平均压力，当余隙中压力呈线性分布时，可近似地取P J=P/2 （N）;D2—阀座密封圈外径(mm)；Q1—预紧密封力（N）,Q1=πq min (D22-D12)/4；q min—预紧所必需的最小比压，q min=0.1P (MPa),并应保证q min≥2MPa，弹性元件应根据Q1值的大小进行设计；Q2—阀座滑动的摩擦力（N）；Q2=πd1（0.33+0.92μ0d0P）d0—阀座O型圈的横截面直径（mm）；μ0—橡胶对金属的摩擦系数，μ0=0.3～0.4；有润滑时，μ0=0.15；R—球体半径(mm)；φ—密封面对中心斜角（°）；μt—球体与密封圈之间的摩擦系数，F-4：μt=0.05；填充F-4：μt=0.05～0.08；尼龙：μt=0.15；填充尼龙：μt=0.32～0.37；（2）M t的计算M t=M t1+ M t2M t1—V型填料及圆形片状填料的摩擦转矩M t1=0.6πμt Zhd T2P(N.mm)Z—填料个数；h—单个填料高度；d T—阀杆直径（mm）；M t2—O型圈的摩擦转矩M t2=0.5πd T2（0.33+0.92μ0d0 P）(N.mm)；d 0—阀杆O型圈的横截面直径（mm）；(3) M u的计算M u=｛πμt（D T+ d T）3P｝/64(N.mm)D T—止推垫外径（mm）；(4) M C的计算M C=｛πμC d T d12P｝/8(N.mm)μc—轴承与阀杆之间的摩擦系数，复合轴承：μt=0.05～0.1；阀前阀座密封的固定球阀的设计比压计算q—设计比压，必须保证q b＜q＜［q］q=4Q/π(D22-D12)(MPa)q b—必须比压；［q］—许用比压，F-4：［q］=15MPa；尼龙：［q］=30MPa；浮球阀扭矩和比压计算浮动球阀的扭矩计算总扭矩M（N·mm）为：M=M m+M t+M u式中M m—球体与阀座密封圈间的摩擦扭矩（N·mm）；M t—阀杆与填料间的摩擦扭矩（N·mm）；M u—阀杆台肩与止推垫的摩擦扭矩（N·mm）；（1）M m的计算M m=QR（1+cosφ）μt/2cosφ;Q—浮动球阀的密封力（N）；Q= Q MJ+Q1Q MJ—流体静压力在阀座密封面上引起的作用力（N）;Q MJ=π(D1+D2)2P /16D1—阀座内径，近似等于阀座密封面内径(mm)；D2—阀座外径，近似等于阀座密封面外径(mm)；P—流体压力（MPa）；Q1—预紧密封力（N）；Q1=2δ1EF MJ/ (D1+D2) (tgφ-2μt) （N）；φ—密封面对中心斜角（°）；δ1—阀座预压紧的压缩量（mm）；E—阀座材料的弹性模量(MPa)，F-4：E=470～800 MPa；尼龙：E =1500 MPa；F MJ—阀座的横截面积（mm）；μt—球体与密封圈之间的摩擦系数，F-4：μt=0.05；填充F-4：μt=0.05～0.08尼龙：μt=0.15；填充尼龙：μt=0.32～0.37；R—球体半径(mm)；φ—密封面对中心斜角（°）；（2）M t的计算M t=M t1+ M t2M t1—V型填料及圆形片状填料的摩擦转矩M t1=0.6πμt Zhd T2P/2 (N.mm)Z—填料个数；h—单个填料高度；d F—阀杆直径（mm）；M t2—O型圈的摩擦转矩M t2=0.6πd T2（0.33+0.92μ0d 01 P）/2 (N.mm)；d 01—阀杆O型圈的横截面直径（mm）；(5) M u的计算M u=πμt（D T+ d F）3P/64 (N.mm)D T—止推垫外径（mm）；浮动球阀的设计比压计算q—设计比压，必须保证q b＜q＜［q］q=4Q/π(D22-D12)(MPa)q b—必须比压；［q］—许用比压，F-4：［q］=15MPa；尼龙：［q］=30MPa；。

上海巴莎生产的的球阀硅溶胶精密铸造阀体，带ISO5211标准，与执行器安装方便，互换性好。

球阀阀体与阀芯之间带有防静电装置，阀杆防爆设计，双层填料，双蝶形弹片自动压紧填料设计。

球阀扭矩由球芯与两边密封产生，其扭矩如下：
DN15 9NM
DN20 12NM
DN25 15NM
DN32 25NM
DN40 45NM
DN50 70NM
DN65 140NM
DN80 190NM
DN100 220NM
DN125 400NM
DN150 450NM
DN150 500NM
球阀的主要特点是本身结构紧凑，密封可靠，结构简单，维修方便，密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，易于操作和维修，适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等，在各行业得到广泛的应用。

球阀阀体可以是整体的，也可以是组合式的。

球阀不仅结构简单、密封性能好，而且在一定的公称通经范围内体积较小、重量轻、材料耗用少、安装尺寸小，并且驱动力矩小，操作简便、易实现快速启闭，是近十几年来发展最快的阀门品种之一。

球阀是由旋塞阀演变而来的，它的启闭件作为一个球体，利用球体绕阀杆的轴线旋转90°实现开启和关闭的目的。

球阀在管道上主要用于切断、分配和改变介质流动方向，设计成V形开口的球阀还具有良好的流量调节功能。

球阀加工精度高，造价昂贵，高温中不易使用，如管道内有杂质，容易被杂质堵塞，导致阀门无法打开。

阀门承压件用紧固件的选用和预紧扭矩的计算一、阀门常用紧固件的结构⑴承压件用螺纹紧固件的螺距米制普通螺纹是阀门使用最多的机械紧固螺纹，一般每个公称直径的米制普通螺纹具有多个螺距，有粗牙、细牙、超细牙之分，在HG/T 20613《钢制管法兰用紧固件 PN系列》、HG/T 20634《钢制管法兰用紧固件 CLASS系列》、DL-439《火力发电厂高温紧固件技术导则》、GB/T 12234 《石油、天然气工业用螺柱连接阀盖的钢制闸阀》等阀门设计标准和紧固件技术导则中，均对紧固件螺距进行了规定。

通过对这些标准的分析后得出，一般公称直径≤M27的紧固件采用粗牙螺距，公称直径＞M27的紧固件采用螺距为3的细牙螺距，从中可以得出在螺纹公称直径较大时候，一般都选用较小螺距（细牙），这是因为细牙螺纹具有螺纹升角小，自锁能力强、拧紧时扭应力小和拧紧螺母时转动角大易控制等特点，但是螺距也不是越小越好，超细牙的螺距一般造价较高，常用于精密配合上。

（2）承压件用六角螺母的选择和螺柱配合的六角螺母一般分为I型六角螺母和Ⅱ型六角螺母，I型六角螺母的厚度m约为0.8d,Ⅱ型六角螺母的厚度约为1d，d为螺纹公称直径（见图1）。

在HG/T 20613《钢制管法兰用紧固件 PN系列》、HG/T 20634《钢制管法兰用紧固件 CLASS系列》中规定，与全螺纹螺柱配合使用的螺母，其形式和尺寸符合GB/T 6175、和GB/T 6176的规定，这两个标准均为Ⅱ型六角螺母，也就是通常所说的重型螺母。

因此承压件用六角螺母一般均为重型六角螺母。

图1 六角螺母（3）承压件用螺柱的选择螺柱是机械紧固件工作过程中的主要受力部件，在螺柱、螺母预紧状态下，螺柱会发生微量的弹性拉伸变形，通过拉伸变形量保证螺纹载荷的持续稳定性。

固件的载荷失效、或螺纹损坏的危险性。

行器的连接、支架与阀盖的连接。

d2：螺纹小径图4 全螺纹螺柱二、常用紧固件的材料选择常用紧固件材料按照材料的不同通常分为碳钢、低合金钢、不锈钢三种类别；按照使用工况的温度不同分为常温，低温、高温用紧固件。

固定球阀扭矩和比压计算阀前阀座密封的固定球阀的扭矩计算总扭矩M：M=M m+M t+M u+M c （N·mm）式中M m—球体与阀座密封圈间的摩擦扭矩（N·mm）；M t—阀杆与填料间的摩擦扭矩（N·mm）；M u—阀杆台肩与止推垫的摩擦扭矩（N·mm）；M c—轴承的摩擦扭矩（N·mm）；（1）M m的计算M m=QR（1+cosφ）μt/2cosφ;Q—固定球阀的密封力（N）,Q=(Q MJ-Q J)+2Q1-Q2；Q MJ—流体静压力在阀座密封面上引起的作用力（N）,Q MJ=πp(d12-D12)/4;d1—浮动支座外径(mm)；D1—浮动支座内径，近似等于阀座密封圈内径(mm)；P—流体压力（MPa）；Q J—流体静压力在阀座密封面余隙中的作用力（N）,Q J=πP J (D22-D12)/4;P J—余隙中的平均压力，当余隙中压力呈线性分布时，可近似地取P J=P/2 （N）;D2—阀座密封圈外径(mm)；Q1—预紧密封力（N）,Q1=πq min (D22-D12)/4；q min—预紧所必需的最小比压，q min=0.1P (MPa),并应保证q min≥2MPa，弹性元件应根据Q1值的大小进行设计；Q2—阀座滑动的摩擦力（N）；Q2=πd1（0.33+0.92μ0d0P）d0—阀座O型圈的横截面直径（mm）；μ0—橡胶对金属的摩擦系数，μ0=0.3～0.4；有润滑时，μ0=0.15；R—球体半径(mm)；φ—密封面对中心斜角（°）；μt—球体与密封圈之间的摩擦系数，F-4：μt=0.05；填充F-4：μt=0.05～0.08；尼龙：μt=0.15；填充尼龙：μt=0.32～0.37；（2）M t的计算M t=M t1+ M t2M t1—V型填料及圆形片状填料的摩擦转矩M t1=0.6πμt Zhd T2P(N.mm)Z—填料个数；h—单个填料高度；d T—阀杆直径（mm）；M t2—O型圈的摩擦转矩M t2=0.5πd T2（0.33+0.92μ0d0 P）(N.mm)；d 0—阀杆O型圈的横截面直径（mm）；(3) M u的计算M u=｛πμt（D T+ d T）3P｝/64(N.mm)D T—止推垫外径（mm）；(4) M C的计算M C=｛πμC d T d12P｝/8(N.mm)μc—轴承与阀杆之间的摩擦系数，复合轴承：μt=0.05～0.1；阀前阀座密封的固定球阀的设计比压计算q—设计比压，必须保证q b＜q＜［q］q=4Q/π(D22-D12)(MPa)q b—必须比压；［q］—许用比压，F-4：［q］=15MPa；尼龙：［q］=30MPa；浮球阀扭矩和比压计算浮动球阀的扭矩计算总扭矩M（N·mm）为：M=M m+M t+M u式中M m—球体与阀座密封圈间的摩擦扭矩（N·mm）；M t—阀杆与填料间的摩擦扭矩（N·mm）；M u—阀杆台肩与止推垫的摩擦扭矩（N·mm）；（1）M m的计算M m=QR（1+cosφ）μt/2cosφ;Q—浮动球阀的密封力（N）；Q= Q MJ+Q1Q MJ—流体静压力在阀座密封面上引起的作用力（N）;Q MJ=π(D1+D2)2P /16D1—阀座内径，近似等于阀座密封面内径(mm)；D2—阀座外径，近似等于阀座密封面外径(mm)；P—流体压力（MPa）；Q1—预紧密封力（N）；Q1=2δ1EF MJ/ (D1+D2) (tgφ-2μt) （N）；φ—密封面对中心斜角（°）；δ1—阀座预压紧的压缩量（mm）；E—阀座材料的弹性模量(MPa)，F-4：E=470～800 MPa；尼龙：E =1500 MPa；F MJ—阀座的横截面积（mm）；μt—球体与密封圈之间的摩擦系数，F-4：μt=0.05；填充F-4：μt=0.05～0.08尼龙：μt=0.15；填充尼龙：μt=0.32～0.37；R—球体半径(mm)；φ—密封面对中心斜角（°）；（2）M t的计算M t=M t1+ M t2M t1—V型填料及圆形片状填料的摩擦转矩M t1=0.6πμt Zhd T2P/2 (N.mm)Z—填料个数；h—单个填料高度；d F—阀杆直径（mm）；M t2—O型圈的摩擦转矩M t2=0.6πd T2（0.33+0.92μ0d 01 P）/2 (N.mm)；d 01—阀杆O型圈的横截面直径（mm）；(5) M u的计算M u=πμt（D T+ d F）3P/64 (N.mm)D T—止推垫外径（mm）；浮动球阀的设计比压计算q—设计比压，必须保证q b＜q＜［q］q=4Q/π(D22-D12)(MPa)q b—必须比压；［q］—许用比压，F-4：［q］=15MPa；尼龙：［q］=30MPa；。

闸阀截止阀操作转矩计算法（热工所/罗托克经验公式）此计算方法，比“三化”使用的计算方法要简便得多，计算结果接近实际转矩，已由对电厂实测结果证实。

此计算方法主要由以下几个部分组成：1、计算介质压力对阀门闸板或阀芯施加的推力乘阀门系数，即：P1=F×P×K式中：F=阀门的通径面积(cm2)；P =介质的工作压力(kg/cm2)；K =阀门系数，视介质种类、温度及阀门行驶而定。

阀门通径面积表阀门系数表2、计算填料的摩擦推力和转矩，以及阀杆的活塞效应所产生的推力总和P2。

压紧填料压盖，会给明杆闸阀的阀杆增加摩擦力，给旋转杆阀门的阀杆增加转矩。

管道压力作用于阀杆(通过填料压盖处)的截面积上，为开启阀门的趋势。

当道压力在64kgf/cm2以上时介质对明杆闸阀阀杆的推力是很大的，即所谓活塞效应。

故当介质压力≥64kgf/cm2时，对于明杆闸阀应予考虑。

而对截止阀，其阀杆面积已包括在阀芯面积中，所以活塞效应可忽略。

对于暗杆阀,以上3项均应计算。

填料的摩擦推力和转矩以及阀杆的活塞效应表3、计算阀门阀杆的总推力(Kgf)，即ΣP=P1+P2，再将此推力乘以下表中的阀杆系数，获得阀门操作转矩Kgf.M梯形螺纹的阀杆系数(kgf.m/kgf)表 (阀杆尺寸=直径×螺距,单位:mm)采用此方法计算，应知道以下参数，即：阀门前后的压差(最小用 2.5kgf/cm2,如果管道压力高，则采用管道压力)，阀门形式、介质的种类、阀杆直径与螺距。

现以下列示例来说明计算的方法与步骤。

有一明杆楔式闸阀，公称直径为 100mm，管道压力为 40kgf/cm2，阀杆为 Tr28*5mm，介质为 520℃蒸汽，求阀门的操作转矩。

1.由表 1查得阀门通道面积：78.540cm2；2.取压差，阀门工作恶劣情况是在管道压力下开启，故，压差：40kgf/cm2；3.由表 2查得阀门系数：0.45；4.净推力为：P1=F×P×K=(1)×(2)(×3)=78.540×40×0.45=1413.72 kgf；5.由表 3查得摩擦推力 P2：680kgf；6.如管道压力为 64 kgf/cm2以上，应加入介质对阀杆的推力，即活塞效应，因此例管道压力为 40 kgf/cm2，故不加。