闸阀基础知识与设计计算.

闸阀基础知识及设计计算c版2011年5月目录第一部分：闸阀基础知识，参数、典型结构及工作原理1.1阀门的定义1.2流体力学基本概念与术语1.3闸阀结构特点1.4闸阀类型1.5闸阀用途第二部分：闸阀设计计算2.1零件设计：2.1.1阀座设计闸阀基础知识及设计计算2.1.2闸板设计2.1.3阀体设计2.1.4阀盖设计2.1.5阀杆设计2.1.6装配设计2.2闸阀设计计算：2.2.1闸板厚度计算2.2.2阀体壁厚计算2.2.3密封比压计算2.2.4阀杆操作力计算1.阀门基础知、典型结构及工作原理1.1阀门的定义用来控制管道内介质的，具有可动的机械产品的总体（见GB/T21465-20082.1）阀门是在流体系统中，用来控制流体的方向、压力、流量的装置。阀门是使配管和设备内的介质（液体、气体、粉末）流动或停止、并能控制其流量的装置。1.2流体力学基本概念与术语1.2.1.流动——物质在外力（如重力、离心力、压差等）作用下，发生宏观运动。1.2.2.流体——能够流动的物质液体、气体、粉末及两相或三湘流动物质液体可以发生形变，其形状取决于所盛装的容器的形状，在理想状态下，液体不可压缩。气体可以改变大小，在密闭的容器中气体总是充满容器空间，气体可以压缩。1.2.3.理想流体与实际流体：流动时没有粘滞性的流体为理想流体，流动时有粘滞性的流体为实际流体。很显然，理想流体并不存在，只是为了研究某些问题的方便而提出的假设。1.2.4.流体力学——研究流体平衡状态规律的科学为流体静力学，研究流体运动力学规律及其应用的科学为流体动力学，综合称流体力学。1.2.5.粘度、密度与比容由于实际流体是有粘性的，必须考虑其造成的损失，故引入了粘度。在进行计算时常用到流体密度和比容等概念粘度——流体在流动时，在其分子间产生内摩擦的性质，称为流体的粘性。流体的粘性与温度有关，对于液体，温度升高粘度减小，气体温度升高粘度增加。粘性的大小用粘度表示，粘度又分为运动粘度与动力粘度。运动粘度υ单位是m2/S，简称斯。动力粘度η单位是N•s/m2。或Pa.s（帕.秒）单位体（容）积物质的质量称为密度，单位为“kg/m3。常用符号ρ表示。单位质量的物质所占有的容积称为比容，用符号表示单位为“米3/千克(m3/kg)”。常用符号v表示。显然，ρ=1/v比重：γ=ρg。国际单位为：N/m3或kN/m3。η=ρυ1.2.6.压力压力——液体单位面积上所受的垂直作用压力称为压力。通常用P表示。常用单位有巴、帕斯卡、兆帕、大气压等。换算关系：1bar=105Pa=1.02kgf/cm2=0.1MPa。1MPa=106Pa=10bar=10.2kgf/cm2绝对压力、相对压力和真空度以绝对零压力作为基准所表示的压力，称为绝对压力。以当地大气压力为基准所表示的压力，称为相对压力。相对压力也称表压力。相对压力为负数时，工程上称为真空度。真空度的大小以此负数的绝对值表示。绝对压力、相对压力与真空度的相互关系如下所示：绝对压力表压力（相对压力）真空度绝对压力大气压力绝对真空绝对压力、相对压力与真空度间的相互关系产生局部损失的原因是：流动断面发生变化时，断面流速分布发生急剧变化，并产生大量的旋涡。由于流体的粘性作用，旋涡中的部分能量转变为热能使流体升温，从而消耗机械能。管道进口、管道的突缩、突扩部分、阀门、弯头等管件部分均会发生局部阻力。局部损失与管长无关，只与局部管件有关局部阻力的分类：流向改变流向改变产生流阻断面改变产生流阻1.3闸阀结构特点1.3.1阀门的参数参数：代表阀门特征的一些数据或符号，称为阀门的参数。如，口径（规格），压力（公称压力），温度，介质，流量，材料，驱动方式等等。阀门口径：一般用DN（mm）或NPS（in英寸”）表示，如DN50、DN100、DN600、8”、12”等。口径是代表阀门名义尺寸的重要参数。公称压力（或压力级）：一般用PN或磅级（CLASS）表示。如PN16、PN20、PN25、PN40、PN50、PN64、PN100、PN160、PN250、PN320、PN420；150Lb、300Lb、400Lb、600Lb、800Lb、900Lb、1500Lb、2500Lb、4500Lb等。公称压力或压力级是代表阀门在规定温度下承受介质工作压力高低的重要参数。所有阀门都不应该在公称压力（或压力级）规定的温度压力下使用。公称压力与压力等级的对照关系公称压力PN与压力等级的对照关系表CLASS1503006009001500200025004500PN1620254050641001501602503204207501.3.2阀门零件：1.3.2.1壳体——承压件，将介质包围在内的零件。如阀体、阀盖等。闸板、阀杆也称为承压件。如阀门关闭时闸板受压。阀杆处在介质内外，有时在顶端产生外漏。1.3.2.2内件——浸渍在介质内的零件。如阀座、闸板（阀瓣、蝶板、球体）阀杆、密封圈等等。1.3.2.3关闭件——截断介质流动等零件，属于内件。如，阀座、闸板（阀瓣、蝶板、球体）等。1.3.2.4密封面——关闭阀门时，相互接触其封堵介质作用的平面或曲面。1.3.2.5密封副——形成密封面的一对零件。1.3.2.6动件——开关阀门时，产生运动实现密封的零件。如闸板（阀瓣、蝶板、球体）等。1.3.2.7静件——开关阀门时，静止不动，与运动部件接触形成密封的零件。如，阀座。1.3.2.8动密封——关闭件形成的密封。又称主密封、内部密封或上下游密封。1.3.2.9静密封——形成密封的零件之间不发生相对运动。如，阀体阀盖之间的密封。又叫对外密封。1.3.2.10副密封——阀杆与阀盖之间形成的密封。又称上密封或倒密封。一般存在与闸阀、截止阀或节流阀结构。1.3.2.11密封种类——按照不同结构、不同原理对密封进行类别划分。按结构分类，如，软密封（非金属密封副，如填料密封和垫片密封）、硬密封（金属密封）或多层次复合密封。按密封原理分类有强制密封、自动密封或半自动密封等。闸阀典型结构见下图，其壳体、内件、动件、静件及密封形式如图。闸阀典型结构图参考图例：图2球阀图3蝶阀1.3.3密封——泄漏关系内漏——阀门关闭件之间产生的泄漏，又称密封面泄漏或密封漏。一般是泄漏到下游管道内部。也有泄漏在外部，如安全阀及真空破坏阀等。外漏——介质泄漏到阀门壳体包围以外的空间里。有填料泄漏、垫片泄漏及壳体表面泄漏等。阀杆填料密封和上密封密封的作用:减缓介质对填料侵蚀。不意味着可以带压更换填料1.3.4垫片密封1.3.5密封原理强制密封、半自动密封强制密封型式双向强制密封闸板自动密封闸板密封机理：塑性密封——非金属垫片，在密封力作用下发生塑性变形。一般不能重复使用。弹性密封——金属密封环，在密封力作用下发生弹性变形，密封环可以重复使用。1.4闸阀类型1.4.1按闸板形状分：楔式闸阀及平板闸阀图4楔式闸阀图5平板闸阀1.4.2按闸阀开启时闸板的动作方式分：明杆及暗杆闸阀图6暗杆闸阀1.4.3按闸板数量分类：单闸板及双闸板图7平行式双闸板图8楔式双闸板1.4.4按闸板关紧时是否发生变形分：弹性闸阀和刚性闸阀（死闸板）图9钢性闸阀（DN50以下）图1、图8均为弹性闸阀1.5闸阀用途广泛适用于石油化工、天然气、电厂的水、蒸汽、油品等管路上作为接通或截断介质的启闭装置。（视情况结合具体闸阀介绍）2.闸阀设计计算2.1零件设计2.1.1阀座设计按阀座类型有：本体堆焊阀座、胀圈阀座、螺纹阀座、焊接阀座。形状如下图图10本体堆焊阀座图11螺纹阀座图12焊接阀座胀圈阀座见图9图13螺纹阀座零件图例螺纹阀座一般适用于PN10.0MPa以下，DN250以下。阀座的受力分析。阀座焊缝应校核。（参见附图,阀座2图例，阀座小于阀体通道；阀座焊缝直径太小。二者都会造成阀座脱落失效）图14焊接阀座零件图阀座密封面最小宽度：PN10.0MPa以下阀门，bmin≮4.5mmPN16.0MPa以上阀门，bmin≮7.0mm阀座圈厚度计算dw=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5S=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100)式中，dw——阀座圈外径mmd——通道内径径mmPmax——常温最大工作压力，kgf/cm2。s——许用应力，kgf/cm2。NPS——英制阀门规格。CLASS——压力等级数值。对于8”——300Lb阀门d=203mmPmax=50kgf/cm2NPS=8则，S=3.246kgf/cm2dw=224mm阀座圈高度计算：H=int（a*dO）+Δ式中，H——阀座圈高度，mma——系数150~300Lb，a=0.075600~900Lb，a=0.131500Lb，a=0.182000~2500Lb，a=0.23500Lb，a=0.25Δ——常数，mmΔ=0~8mm上例中，a=0.075do=224mm取，Δ=5则，H=22mm阀座样图尺寸确定Md2d1dndwH阀座尺寸ddwHdnd1d2MaβtDxx标准计算计算d+6~8d+8~10d1+10dw,取标准螺纹1~31.5~42~4D5772.1.2闸板设计图15中低压闸板零件图例图16高压闸板图例闸板设计原则闸板楔角一般为3°~5°。3°适于低压力级，阀体中部为椭圆结构。两个设计原则：一是，密封面中径相等原则：即闸板与阀座的密封面直径相等。二是，闸板密封面设计要保证1/2~2/3宽度与阀座密封面相吻合。即，0.5832BM原则。BM为闸板密封面宽度。闸板密封面宽度一般取BM=bM+（4~8）mm即可。比压计算bM已经满足要求，BM取值太大造成浪费。太大，造成浪费。但应满足标准要求的最小磨损余量。闸板尺寸确定HBTaSB-3SE+2SA+1D2D1DbXXSA+1HTDXXL0HJHminXXXDH1H0Y2XXY1N1N2闸板尺寸闸板尺寸HminD1D2板心直径Db板心厚度HTDHB计算dn-4、6、8dw+4、6、82a+2Hmin≥HminD2+3、5、8D/2+10H0H0-H1AN1N2Y1Y2J2ad/4+40H0/31.5SD（杆头部）D0-8~12E-2X+2~42Y1+4~66~100.65dn开档L0aRxxTH+D2sina3~5°tH2Hmin/cosa+J2.1.3阀体设计图18中低压阀体设计图例设计要点：阀体中腔内径确定结构长度最小壁厚阀座开档尺寸中法兰阀体中心高中腔内径确定DoDwD验证D、Do、DwD=Do/Dw（二者较大值）+15~25mm（国内铸造水平）D=Do/Dw（二者较大值）+6~10mm（国外先进铸造水平）闸板最大实体尺寸,Do或Dw二者取较大值.阀体中腔内径阀体外径=D+2t阀体壁厚（计算或引用标准值）阀体尺寸确定XXM+1h2ED0CXXXh2nLDh1D0/22RDdaXXXXKZnzLZCHXXhDGDL1L2LXD0D0/2XXXXXtL0tt阀体尺寸阀体尺寸d座DKdCtn-LLtD0E通道直径法兰标准,GB/T9113、HG20592、ASMEB16.5等结构长度标准标准计算D0-2B-2导轨高度B导轨厚度XDGDDDZKZnz-LZ座孔深Hd小头开档HT中部开档LT座孔底LTdX+6~8NPS+2~62D0+2t+R垫片外径KZ+1.8LZDG+1.6LZ≥n-≥L座H-5~8H-0.5~0.8dw+sinaLT+H/cosaL1L22R(L2)扁体部L0导轨长h开高Lc导轨下部长h1导轨位置h2中心高HHGLTd-Msina-HdcosaLTd-(M+1)sinadw-d/2+3L1+2Rsina闸板(L0)+10开高Lc+板H1注D闸板/2+d座/2+3~5H0-H1（见闸板）H-hLc+HB+SC-HG注见阀盖注：体导轨长=开高+闸板上部导轨长度注：参见总图2.1.4阀盖设计图19阀盖