1.球阀密封面结构
浮动球球阀和固定球球阀的密封面结构分别见表3-63和表3-64。
表3-63 浮动球球阀的密封面结构
表3-64 固定球球阀的密封面结构
2.球体设计
（1）球体流道直径d的确定 全通径球阀查相关标准。缩径球阀，公称尺寸≤DN300的缩小一个规格，公称尺寸≥DN350的缩小两个规格。
具体全通径球阀和缩径球阀的流道直径由各设计标准确定。GB/T 12237—2005钢制球阀阀体的最小流道直径见表3-65。ASME B16.34—2013钢制阀门的流道直径见表3-66。API 6D—2014（ISO 14313：2007）全通径阀门的最小内径见表3-67。EN 13942：2009钢制球阀阀体的最小流道直径见表3-68。JIS B2001—1999阀门流道直径见表3-69。JPI 7S-48—1999法兰连接球阀的公称尺寸、流道直径及球体孔径见表3-70。
表3-65 钢制球阀阀体的最小流道直径（摘自GB/T 12237—2005） （单位：mm）
表3-66 钢制阀门的流道直径（摘自ASME B16.34—2013） （单位：mm）
（续）
表3-67 全通径阀门的最小内径（摘自API 6D—2014） （单位：mm）
（续）
表3-68 EN13942：2009钢制球阀阀体的最小流道直径 （单位：mm）
表3-69 JISB2001—1999阀门流道直径 （单位：mm）
注：1.表中带括号的公称尺寸尽量不用。
2.公称尺寸DN75以及DN1650的阀门仅适用于室外下水道。
3.日本的阀门压力表示法K级，其中2K、16K、20K、30K、40K和63K的船用阀门，可选用通用阀门的口径。
表3-70 JPI7S-48—1999法兰连接球阀的公称尺寸、流道直径及球体孔径
（2）球体半径R的确定 如图3-144所示，若α=45°则
。如果按此式确定球体半径，则通道尺寸d和球体长度L相等，即d=L。所以当球阀关闭时，A点实际上仍在密封环的边缘，而不能起到密封作用。因此L尺寸必须增大，而使L>d，即延长两密封环的距离，使A点移到密封环面的左部起到密封作用。所以，应对上式进行修改。
球阀在达到密封时，所需密封面的宽度，如图3-145所示。
图3-144 球体最小直径
图3-145 球阀密封面宽度
据σZY=FMZ/AZY≤[σZY]
则 
式中，FMZ为密封面上总作用力（N）；AZY为密封面受挤压面积（mm2）；[σZY]为材料许用挤压应力（MPa）。
密封面上总作用力FMZ为
FMZ=FMJ+FMF
FMF=pπdbM
式中，FMJ为介质作用在密封面上的力（N）；FMF为密封面上密封力（N），一般情况下为公称压力PN与阀座密封面与球体接触的投影面积之积；p为设计压力（MPa）；d为通道直径（mm）；bM为阀座密封面与球体接触面的投影宽度（mm）。
球体与阀座密封接触面的环带投影面积为
AZY=πdbM
则 [σZY]=FMZ/AZY
因此密封面宽度应为
式中，p为设计压力（MPa）；d为通道直径（mm）；[σZY]为材料许用挤压应力（MPa），对于聚四氟乙烯为10MPa。
式（3-127）在应用中，对阀座密封圈用金属圈加固时，许用挤压应力应予加大。
所以不管球阀处于开启状态还是处于关闭状态，密封面与球体接触面的投影宽度都不应小于bM，L应延长到两倍密封面的投影宽度，球体半径应增大，如图3-146所示。
因 
则 
因此球体直径应增加
。
将
加入公式
，得
式中，R为球体半径（mm）；d为通道直径（mm）；bM为密封面投影宽度（mm）。
此式为达到密封时的球体最小直径。如球体强度需加大，可适当加大球体直径。
通常球体半径取R=0.8～0.9d。图3-147所示为球体半径R与流道直径d的关系曲线。
图3-146 球体半径增大量
图3-147 R与d的关系曲线
（3）球体面距L的确定
式中，D为球体直径（mm）。
（4）球体的尺寸 表3-71～表3-74分别给出了各种不同球体的推荐尺寸。
表3-71 浮动球球阀、球体的推荐尺寸 （单位：mm）
表3-72 浮动球球阀、球体的推荐尺寸 （单位：mm）
（续）
表3-73 三通球阀球体的推荐尺寸 （单位：mm）
表3-74 滑动阀座球阀、球体的推荐尺寸 （单位：mm）
3.阀座设计
球阀阀座的推荐尺寸见表3-75～表3-77。(www.xing528.com)
表3-75 弹性唇阀座的推荐尺寸 （单位：mm）
表3-76 固定球球阀阀座的推荐尺寸 （单位：mm）
表3-77 碳石墨阀座的推荐尺寸 （单位：mm）
（续）
注：由这种材料制成的阀座圈适用温度范围为-200～500℃。
4.预紧力的调节
对浮动球阀来说，通常利用左阀体和右阀体连接子口间的密封垫片来调节球体和阀座之间的预紧力。调节垫片的推荐尺寸见表3-78。
表3-78 球阀密封调节垫片的推荐尺寸
图3-148 浮动球阀密封简图
对固定球阀，主要是利用加在阀座套筒底部的弹簧力，来实现阀座和球体之间的预紧力。可通过调节弹簧力大小来调节预紧力。
5.球阀密封面比压
（1）浮动球阀 浮动球球阀密封简图如图3-148所示。浮动球球阀密封比压q的计算式为
式中，q为密封比压（MPa）；DMW为阀座密封面外径（mm）；DMN为阀座密封面内径（mm）；p为介质工作压力，取p=PN。
（2）球体前阀座密封固定球球阀 其结构简图如图3-149所示。球体前阀座密封固定球球阀密封比压q的计算式为
式中，DJH为进口活塞外径（mm）；R为球体半径（mm）。
（3）球体后阀座密封固定球球阀 其结构简图如图3-150所示。球体后阀座密封固定球球阀密封比压q的计算式为
式中，DCH为活塞套筒外径（图3-150）（mm）；h为球体与阀座密封面接触部投影宽度（图3-150）（mm）。
图3-149 球体前阀座密封固定球球阀简图
图3-150 球体后阀座密封固定球球阀简图
密封面材料的许用比压[q]见表3-79。由表3-79可以查到，用聚四氟乙烯制成的球阀密封圈，其许用比压[q]=20MPa。在实际使用中，该数值是偏高的。事实上，聚四氟乙烯的抗压能力受其冷流性的限制，因而应以产生冷流的应力作聚四氟乙烯的假屈服极限。假屈服极限的数值与温度有关，见表3-80。聚四氟乙烯的许用比压为
式中，σp为假屈服极限，对于填充的聚四氟乙烯，其[q]值可适当地提高。
表3-79 密封面材料的许用比压[q]
（续）
表3-80 聚四氟乙烯的假屈服极限σp
6.球阀阀杆力矩
（1）浮动球阀 其阀杆力矩按式（3-132）计算：
MF=MQF+MFT+MFC （3-132）
式中，MF为球阀的阀杆力矩（N·mm）；MQF为浮动球球阀的球体与阀座密封面间的摩擦力矩（N·mm）；MFT为填料与阀杆间的摩擦力矩（N·mm）；MFC为阀杆头部的摩擦力矩（N·mm）。
MQF分两种情况计算如下：
1）一般的浮动球球阀按式（3-133）计算（图3-151）：
其中 
式中，DMP为阀座密封面平均直径（mm）；fM为球体与密封面的摩擦因数，对聚四氟乙烯密封面fM=0.05，对尼龙密封面fM=0.1～0.15；R为球体半径（mm）。
2）有活动套筒的浮动球球阀，结构如图3-152所示。由于球阀进口端阀座在活动套筒上，因而可以实现进出口双阀座密封。
图3-151 浮动球球阀
图3-152 有活动套筒的浮动球球阀
MQF的计算式为
MQF=MQF1+MQF2 （3-134）
式中，MQF1为进口端阀座密封面与球体之间的摩擦力矩（N·mm）；MQF2为球体与出口端阀座密封面间的摩擦力矩（N·mm）。
MQF1的计算式为
MQF1=M′QF1+M″QF1
其中 
式中，M′QF1为进口端阀座对球体预紧力而产生的摩擦力矩（N·mm）；M″QF1为介质对进口端阀座的作用力而产生的摩擦力矩（N·mm）；qM为球阀最小预紧比压（MPa）；qM=0.1p，但不小于2MPa，对聚四氟乙烯或尼龙密封圈，qM≥1MPa。
MQF2的计算式为
（2）固定球球阀 其结构如图3-153所示。固定球球阀的阀杆力矩按式（3-135）计算：
MF=MQG+MFT+MZC （3-135）
式中，MQG为固定球球阀的球体与阀座密封面间的摩擦力矩（N·mm）；MZC为轴承中的摩擦力矩（N·mm）；MFT为填料与阀杆间的摩擦力矩（N·mm）。
图3-153 固定球球阀
MQG的计算式为
MQG=MQG1+MQG2
其中 
式中，MQG1为由阀座密封圈对球体的预紧力产生的摩擦力矩（N·mm）；MQG2为由介质工作压力产生的摩擦力矩（N·mm）。
MZC的计算式为
式中，fZ为轴承摩擦因数，用聚四氟乙烯材料制成的滑动轴承fZ=0.05～0.1，滚动轴承的fZ=0.002；dQJ为阀杆直径（mm）（图3-153）。
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