闸阀基础知识与设计计算F版

闸阀基础知识及设计计算F版魏玉斌2011年11月目录1闸阀基础知识、典型结构及工作原理1.1阀门的定义1.2闸阀结构特点1.3闸阀类型1.4闸阀用途2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阀座密封比压计算2.2.4阀杆操作力计算附录1：密封原理附录2：闸板、阀体及阀座加工1.闸阀基础知、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闸阀结构特点一般来说，闸阀由阀体、闸板、阀盖、阀杆等组成。如下图，阀体、阀盖为承压件，闸板、阀座、阀杆为内件。典型的外螺纹升降式螺栓连接阀盖闸阀结构（BB，OS&Y）如下图。闸阀典型结构图Z40H300Lb-8”法兰连接手动楔式弹性闸阀1.3闸阀类型1.3.1按闸板形状分：楔式闸阀及平板闸阀图4楔式闸阀Z40H150Lb-6”图5平板闸阀Z43F25-1001.3.2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Z45X10Q-2001.3.3按闸板数量分类：单闸板及双闸板图7平行式双闸板Z44H25-150图8楔式双闸板Z962Y320C9-2251.3.4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刚性闸阀（DN50以下）Z41H40-40图10隼槽密封闸阀Z41H64-150图11钢圈密封闸阀Z41Y100-1501.4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。如某工厂制造各种阀门比例：闸阀39%，蝶阀24%，截止阀16%、调节阀8%、止回阀7%、球阀3%、其它阀门3%。2.闸阀设计计算下面以300Lb-8”闸阀为例进行设计计算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12本体堆焊阀座图13螺纹阀座图14焊接阀座图16胀圈阀座图17螺纹阀座零件图例图18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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,阀座两个图例，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）附图：不好的阀座设计阀座内径小于通道直径焊缝直径太小阀座圈厚度计算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*dw）+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值根据a值反向选取，即a越大Δ值越小Δ=0~8mm上例中，a=0.075dw=224mm取，Δ=5则，H=22mmint——整数函数M=int(M)——取整数M=int(M+0.51)——四舍五入取整数M=int(M+0.91)——向上圆整取整数M=2int(M/2)——取偶数整数M=2int(M/2+0.51)——四舍五入取偶数整数M=2int(M/2+0.91)——向上圆整取偶数整数M=5int(M/5)——取末尾数为5的整倍数M=10int(M/10)——取末尾数为0的整数阀座样图尺寸确定Md2d1dndwH阀体流道最小直径（见ASMEB16.34-2009P18表3）2.1.2闸板设计图19中低压闸板零件图例图20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N2N1Y1XXY2H0H1DXXXHminJHL0DXXHTSA+1XXDbD1D2SA+1SE+2SB-3aTHB闸板尺寸D0——阀体中腔内径，见阀体设计E——阀体导轨顶部宽度，见阀体设计X——阀体导轨厚度，见阀体设计2.1.3阀体设计图21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阀体尺寸结构长度（见ASMEB16.10-2009表2）阀体最小壁厚（见API600表1）2.1.4阀盖设计图22阀盖设计图例阀盖设计要点连体支架或分体支架：DN200(NPS8”)以下，采用连体支架，DN250(NPS10”)以上，采用分体支架。阀盖壁厚等于阀体壁厚阀盖内腔高度应与阀体中心高结合分配，以满足阀门开启高度。上密封设计：本体堆焊，适用于通用阀门；上密封座设计，适用于石化阀门、电站阀门及其他重要阀门。上密封的作用。不得借助上密封带压更换填料。阀盖尺寸确定Dzw+4~10Mz+6~10MzxxxxxxxxBLaBBDTwDGxxcxxxHb6ALHb1Hb2HHHb5Hb4Hg1DgDzn+1Hb3阀盖尺寸填料宽度（见API5.9.1）阀盖填料函最小壁厚(见API60011th5.2)阀杆最小直径（见API60011th5.8.4）上密封座HzDtb1ds+6~12Mz-DznDzwzMz图23上密封座填料压套尺寸HT1Dt+6~10ds+8技术要求1材料的化学成分和机械性能按GB1220的规定2未注加工尺寸的偏差按GB1804-92规定的m级精度技术要求1材料的化学成分和机械性能按GB1220的规定2未注加工尺寸的偏差按GB1804-92规定的m级精度图24填料压套填料压板尺寸技术要求1材料的化学成分和机械性能按GB12229-89的规定2未注加工尺寸的偏差按GB1804-92规定的m级精度图25填料压板x技术要求1材料的化学成分和机械性能按GB12229-89的规定2未注加工尺寸的偏差按GB1804-92规定的m级精度Dbzxhb0DbDt+6~10Lds+6hbhb1活接螺栓尺寸dh=12h=18Lh1=40Lh=80图26活结螺栓阀杆螺母尺寸技术要求1材料的化学成分和机械性能按GB12225的规定2未注加工尺寸的偏差按GB1804-92规定的m级精度图27阀杆螺母栓技术要求1材料的化学成分和机械性能按GB12225的规定2未注加工尺寸的偏差按GB1804-92规定的m级精度HyDzw-5Tr+2HLHxHzHmDzn-5)h轴承压盖尺寸技术要求1材料的化学成分和机械性能按GB699-88的规定2未注加工尺寸的偏差按GB1804-92规定的m级精度3普通螺纹的尺寸按GB196的规定，公差按GB197的规定图28轴承压盖技术要求1材料的化学成分和机械性能按GB699-88的规定2未注加工尺寸的偏差按GB1804-92规定的m级精度3普通螺纹的尺寸按GB196的规定，公差按GB197的规定2.1.5阀杆设计图28阀杆设计图例阀杆尺寸确定SDSC+SB+SASASBSESLSESA阀杆设计要点阀杆强度以梯形螺纹根部最弱，拉断试验应在此除断裂。即不允许阀杆断在壳体内。梯形螺纹旋向应满足顺时针关闭阀门，逆时针开启阀门的规定及常规习惯。满足开启高度需要。应与阀体、阀盖、闸板、驱动螺母等相关零件计算.合理设计长度。新阀门关闭时，保证阀杆端部高出阀杆螺母至少1个磨损行程，最大3倍磨损行程（NPS6以上）或5倍磨损行程（NPS6以下）。梯形螺纹有效长度应在阀门关闭时，螺纹有效部分根部高出填料压板3/4ds。阀杆尺寸计算手轮尺寸DwDzn-5Hw3756图29手轮栓手轮图例2.1.6装配设计图30装配顺序图例装配尺寸链校核图31装配尺寸链校核Hm=HH=Lc+=HH1H2h3H3H4H5H6h0h1h2HHtD+d)/2=(235+203)/2=219Hh2-h1=369-143=226HoH6-h3=768.5-536=232.5HoH,HHtokHHH2.2闸阀设计计算：2.2.1闸板厚度计算按单闸板计算其最小厚度Hmin=SQRT｛(πβ11P*a2+β15P*d2/4)/[σ]｝式中，Hmin——单闸板最小厚度，mmβ11——系数β15——系数P——阀门工作压力，kgf/cm2a——闸板弹性槽根部半径，mmd——阀座密封面内径，mm[σ]——材料许用应力，kgf/cm2闸板厚度H=2Hmin/cosa+J上例中，β11=0.427，β15=0.352P=50kgf/cm2a=67.5mmd=209mmt=1.5mm[σ]=980kgf/cm2J=8mm则，计算结果，Hmin=22.5mmH=53闸板受力分析刚性单闸板弹性闸板2.2.2阀体壁厚计算t=1.5*d*0.9/([σ]-1.2P)式中,t——阀体计算壁厚,mmd——阀体计算内径，mm[σ]——材料许用应力，kgf/cm2P——阀门工作压力，kgf/cm2T=t+Ma+CF+SR式中,SR——特殊要求增加壁厚，mm上例中，d=203mm[σ]=980kgf/cm2P=50kgf/cm2Ma=2.5mmCF=0mmSR=0则，T=17.3mm。图纸取17.5mm。2.2.3阀座密封比压计算设计原则：qmfq[q]q=qmf+（1+1/（1-μtgφ）)*(dm+bm)p/4/bm式中，q——阀座计算比压，MPaqmf——密封必须比压，MPa（见《阀门设计手册》P427）μ——摩擦系数（0.3~0.5，用于水，取下限，用于蒸汽取上限）φ——闸板半角dm——阀座密封面内径，mmbm——阀座密封面有效宽度，mmp——工作压力，MPa上例中，dm=205bm=5.5φ=5°μ=0.35则，q=71.8MPaqmf=13.5MPa（按PN64《阀门设计手册》P427）[q]=80MPa（见《阀门设计手册》P428，焊STELLITE，HRc40）qmfq[q]，合格许用比压（见《阀门设计手册》P426~427）密封面许用比压（见《阀门设计手册》P428）2.2.4阀杆操作力计算阀杆操作力F=Fg+Fe+FsFg=πdshpu/10Fe=πds2P/400Fs=πd2Pμ/400式中，Fg——填料摩擦力，kgfFe——阀杆活塞效应力，