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闸阀基础知识及设计计算 魏玉斌 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 v2.1.2闸板设计 v2.1.3阀体设计 v2.1.4阀盖设计 v2.1.5阀杆设计 v2.1.6装配设计 v2.2闸阀设计计算： v2.2.1闸板厚度计算 v2.2.2阀体壁厚计算 v2.2.3密封比压计算 v2.2.4阀杆操作力计算 1.阀门基础知、典型结构及工作原理 v1.1阀门的定义 v用来控制管道内介质的，具有可动的机械产品的总体（ 见GB/T21465-2008 2.1） v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。 v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。 v1.2流体力学基本概念与术语 v1.2.1.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。 v1.2.2.流体能够流动的物质 液体、气体 v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。 v1.2.3.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。 v1.2.4. 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。 v1.2.5. 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。 v运动粘度单位是m2/S，简称斯。动力粘度单位是Ns/m2 。或Pa.s（帕.秒） 1.2.6.密度与比容 v单位容积物质的质量称为密度，单位为“千 克/米3。常用符号表示。 v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。 v显然，=1/v v比重：=g。国际单位为：N/m3或kN/m3 。 v= 1.2.7.流动状态：层流和紊流 v层流：各层之间不相混杂的分层流动叫做层流。 v湍流：流动具有混杂、紊乱的特征时叫做湍流。 层流 湍流（紊流） 实际流速 1.2.8.雷诺数 v英国物理学家雷诺曾作过试验并得到判断流 型的计算式，称为雷诺公式： vRe=Vd/，式中，V为流速，m/s，d为管子 直径，m., 为运动粘度，单位m2/s。因此 ，雷诺数Re是个无量纲常数，当Re2320时 为层流，Re2320为紊流，所以，Re2320称 之为临界雷诺数。 1.2.9.水锤 v水锤当管道中介质流速因某种外界原因 发生急剧变化时，将引起液体内部压力产生 迅速交替升降，这种交替升降的压力作用在 管壁、阀门或其它管路元件上好像锤击一样 ，故称为水击（或水锤）。 1.2.10.汽蚀 v 汽蚀由液体中逸出的氧气等活性气 体，借助气泡凝结时放出的热量，会对金属 起化学腐蚀作用。这种气泡的形成发展和破 裂以致材料受到破坏的全部过程，称为汽蚀 现象。在泵或阀门压力低处水开始发生汽化 时，随着流体流动到高压区域，气泡溃散， 产生巨大冲击，破坏金属材料。 v 气穴、空化。 1.2.11.压力 v 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=1.02kgf/cm2=100000Pa=0.1MPa。 v绝对压力、相对压力和真空度 v以绝对零压力作为基准所表示的压力，称为绝对压力。 v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。 v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。 v绝对压力、相对压力与真空度的相互关系 如下所示： 1.2.12.流阻系数和压力损失 v 由于流体存在粘性，流体流动中与管道壁面以及流体 自身的摩擦所造成的阻力称为沿程阻力，沿程阻力所造成 的流体能量损失称为沿程损失。沿程阻力系数常用表示 。 v局部损失 v 当流动边界发生急剧变化时，比如在流动方向发生改 变的弯管处、管径改变的变径处、产生额外阻力的阀门等 局部阻力存在而产生的能量损失，称为局部损失。 v 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。 v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。 v局部损失与管长无关，只与局部管件有关 v局部阻力系数常用表示。 v局部阻力的分类： v流向改变 流体改变方向 突然扩大或突然缩小 1.2.13.流量系数Cv、Kv v流量系数Cv，指温度为60F的水在规定的 开启位置下压力损失为1磅时流经阀门的流 量，单位是g/min（每分钟美制加仑）。 v流量系数Kv，指温度为540的水流过在 规定的开启位置下压力损失为1巴的阀门时 的流量，单位是m3/h（每小时立方米）。 vCv=28 Kv /24 1.2.14.噪声 v噪声是发生体做无规则振动时发出的声音。通常 是指那些难听的，令人厌烦的声音。引起人们烦 躁，甚至危害人体健康的声音。噪音的波形是杂 乱无章的。 v从环境保护的角度看，凡是影响人们正常学习， 工作和休息的声音，人们在某些场合“不需要的 声音”，都统称为噪声。如机器的轰鸣声，各种 交通工具的马达声、鸣笛声，人的嘈杂声及各种 突发的声响等，均称为噪声。 v一般，阀门噪声在距离阀体1米处测试不超过85分 贝。 1.3闸阀结构特点 v1.3.1阀门的参数 v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。 v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。 v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 CLASS 150 300 600900 1500200025004500 PN162025405064100150160250320420750 1.3.2阀门零件： v 阀门零件：组成阀门外部壳体的零件一般有阀体和阀盖 ；内部零件（简称内件）一般有关闭件（闸板或阀瓣）、 阀座及阀杆；密封件填料、垫片；操作件手轮等。 v动件操作阀门有移动或转动的关闭件，如闸板，阀瓣 。 v静件操作阀门时没有动作的关闭件，如阀座。 v密封面动、静关闭件相互接触，形成接触密封的表面 。 v密封副形成密封的两个或几个密封件接触面。 v闸阀典型结构见下图 参考图例： 图2球阀 图3 蝶阀 1.4闸阀类型 v1.4.1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 v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。 v（视情况结合具体闸阀介绍） 2. 闸阀设计计算 v2.1零件设计 v2.1.1阀座设计 v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 v螺纹阀座一般适用于PN10.0MPa以下， DN250以下。 v阀座的受力分析。 v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，bmin4.5mm PN16.0MPa以上阀门，bmin7.0mm 阀座圈厚度计算 vdo=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5 vS=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100) v式中， vdo阀座圈外径mm vd通道内径径mm vPmax常温最大工作压力，kgf/cm2。 vs许用应力，kgf/cm2。 vNPS英制阀门规格。 vCLASS压力等级数值。 v对于8”300Lb阀门 vd=203mm vPmax=50 kgf/cm2 vNPS=8 v则， vS=3.246 kgf/cm2 vdo =224mm 阀座圈高度计算： vH=int（a*dO）+ v式中， vH阀座圈高度， mm va系数 v150300Lb，a= 0.075 v600900Lb，a=0.13 v1500Lb，a=0.18 v20002500Lb，a=0.2 v3500Lb，a=0.25 v常数，mm v=08mm 上例中， a= 0.075 do =224mm 取，=5 则， H=22mm 2.1.2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 v 闸板楔角一般为35。3适于低压力 级，阀体中部为椭圆结构。 v两个设计原则： v 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。 v 二是，闸板密封面设计要保证1/22/3 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。 v闸板密封面宽度一般取BM=bM+（48） 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。 闸板的加工： 2.1.3阀体设计 图18 中低压阀体设计图例 设计要点： v阀体中腔内径确定 v结构长度 v最小壁厚,圆整到整数或尾数0.5 即， T=int(t+t)/2+1/2 v阀座开档尺寸 v中法兰 v阀体中心高 中腔内径确定 阀体阀座孔的加工 阀体阀座孔的加工 阀座密封面的加工 2.1.4阀盖设计 图19 阀盖设计图例 阀盖设计要点 v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 。 v阀盖壁厚等于阀体壁厚 v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。 v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。 v上密封的作用。不得借助上密封带压更换填料。 2.1.5阀杆设计 图20 阀杆设计图例 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。 v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。 v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 ，包括梯形螺纹有效长度。 阀杆头部尺寸确定 vds阀杆直径 vSA头部挂闸板厚度，2/3 ds vSB头部挂闸板槽宽度，55/64 ds vSC倒密封台阶高度，1/3 ds vE倒密封台阶外园直径，1.26 ds vD大头直径，1.6 ds vX=int(X) 2.1.6装配设计 图21 装配顺序图例 装配尺寸链校核 图22 装配尺寸链校核 2.2闸阀设计计算： v2.2.1闸板厚度计算 v按单闸板计算其最小厚度 vHmin=SQRT(11P*a2+15P*d2/4)/ v式中， vHmin单闸板最小厚度，mm v11系数 v15 系数 vP阀门工作压力，kgf/cm2 va闸板弹性槽根部半径，mm vd阀座密封面内径，mm v材料许用应力，kgf/cm2 v闸板厚度 vH=2Hmin v上例中， v11=0.427， v15=0.352 vP=50 kgf/cm2 va=67.5 mm vd=209 mm vt=1.5 mm v=980 kgf/cm2 v则，计算结果，Hmin=23.5 mm vH=47 2.2.2阀体壁厚计算 vt=1.5*pd*0.9/(-1.2P) v式中, vt阀体计算壁厚, mm vd阀体计算内径，mm v材料许用应力，kgf/cm2 vP阀门工作压力，kgf/cm2 vT= t+Ma+CF+SR v式中, vSR特殊要求增加壁厚，mm v上例中， vd=203 mm v=980 kgf/cm2 vP=50 kgf/cm2 vMa=2.5mm vCF=0 mm vSR=0 v则，T=17.3 mm。图纸取17.5mm。 2.2.3阀座密封比压计算 v设计原则： vqmf40） vqq，合格 2.2.4阀杆操作力计算 v阀杆操作力 vF=Fg+Fe+Fs vFg=dshpu/10 vFe=ds2P/400 vFs=d2P/400 v式中， vFg填料摩擦力，kgf vFe阀杆活塞效应力，kgf vFs密封面摩擦力，kgf vds阀杆