10000 Psi 闸阀结构设计毕业论文.doc

10000 Psi 闸阀结构设计毕业论文1选题背景1.1 课题来源课题来源于科研真题。这次毕业设计的目的是针对国外井口装置的发展，设计出国际通用的API闸阀，以适应国际化的需要。1.2 目的和意义井口装置是石油生产的首要环节，我国的井口装置虽然已经大体上能大量生产各种型号的设备，但是一些技术还没有完全的掌握，对井口装置进行设计有利于我国的新技术的开发。针对过去的井口装置的平行闸板阀的情况和目前国内外发展情况，本设计对它进行改进，使更有利于油田事业的发展。采用计算机语言对平行闸板阀进行设计，有利于减少设计人员的劳动强度，提高设计的质量，降低制造成本和设计周期。1.3 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向采油（气）井口装置是一种控制井口压力和油气流量的机械承压设备，其分类若按连接方式分则可以分为：螺纹式、卡箍式和法兰式；若按采油型式则可以分为单油管、双油管、三油管和四油管；若按结构型式则有组装式和整体式。采油井口装置的工作环境极为严酷，因此要求设备具有适应性广，安全可靠，操作良好，互换性强，耐磨损，耐腐蚀和寿命长等方面的技术指标。因此采油井口装置与过去的相比需要具有体积小，重量轻，操作灵活等特点。1.3.1 国外现状和发展趋势与研究的主攻方向国外井口装置的技术发展有以下特点：在阀门结构上广泛采用全通式、结构阻力小、密封性能可靠、寿命长的闸阀，以适应高参数、自动化的需要。在操作方式上，从手动控制开始向机械化、自动化方向发展。现已有气动、液动和气、液联动以及依靠介质压力自控及实现遥控等操作方式。在设计方法上,目前已采用有限元法和计算机配合,对阀门零件结构进行优化设计,以及确定最佳方案,并准备开展对阀门和其他零件进行断裂分析设计.在材料和结构上,趋向于使井口装置有更大的适应性,以满足不同地区条件和开采各种性质油气的需要.在试验方法和试验手段也日趋严格和完善,如采用气密封试验,静压强度试验,动力密封和可靠性实验,以及闸板机械强度实验等.闸阀作为井口装置中的主要部件,国外主要发展平板闸阀结构,其中暗杆式闸阀占有绝对优势。国外许多公司都在不断开发并完善电潜泵井口装置及整体采油树，生产单油管电潜泵井口装置、双油管井口装置及双通径的整体式采油树是井口装置发展的主要趋势。总之,国外闸阀的发展主要是应用特殊防腐材料,以满足高含硫化氢、二氧化碳的等物质的油气井需要；在结构上开展多样化研究,来达到密封性能好(有自动补偿),且开启灵活。密封材料上不断改进,使其性能不断提高。1.3.2 国内现状和发展趋势与研究的主攻方向在国内将油管头、采油树统一称为“井口装置”，井口装置已是我国的成熟产品。具有结构紧凑、重量轻、性能好的特点，是井口装置的发展趋势。总体来讲闸阀系列，主要趋向特殊防腐材料应用，结构上发展多样化。在国内将油管头、采油树统一称为“井口装置”，采油(气)井口装置已是我国的成熟产品。在井口装置研制方面，国内已有数十个厂家，并形成一定生产规模，均已取得API会标使用权。能够按API标准要求和油田的工况要求设计、制造产品，生产105MPa的各种井口装置达到国际先进水平，其产品占有国内大多油田市场，同时部分产品已打入国际市场，推动了井口装置的进一步发展。对于闸阀系列，主要趋向于特殊防腐材料的应用，以满足高含硫化氢、二氧化碳等物质的油气井需要，另外在结构上应多样化发展，以达到密封性能好(有自动补偿)，且开启灵活等，这方面需国内厂家快速改进，以满足了国内各类油气田开发需要。我国采油井口装置自50、60年代发展以来有了很大的进步，我国已能按API.Spec.6A规范设计和制造额定工作压力为21MPa、35MPa、70MPa、和105MPa的采油气井口装置。但是随着石油工业的发展，尤其是含硫高压油田的相继开发，使采油井口装置与现场石油要求的矛盾越来越突出。目前我国的井口装置主要存在以下问题：产品类型单调，规格不齐全，结构单一。在国内闸阀虽然现在也采用平板闸阀，但还是以楔形闸阀为主，不能根据压力、井深、油气层储量和工况等因素来决定选用闸阀。压力级别过密，温度额定值范围小。材料。我国可供井口装置使用的主要零件材料较少，如阀体，不论其在任何工况下，都使用35CrMo，国外则种类较多。国内各生产厂家没有统一的标准，互换性差。铸锻件。美国高压铸件都是使用ADO精炼，外观和内在质量较好。现有设备的一些性能指标不明。设计理论、准则、产品检验还不十分科学和完善。我国还处于根据最大工作压力进行产品的常规设计和经验设计阶段。在产品的试验和检验方面还停留在厂内液压试验和通径检验等常规方法。由于设计准则的不合理，造成大的浪费。海洋井口装置的设计与研究开展的工作较少，目前尚没有科学的设计方法可循其他方面。目前正在油田服役的很多国产采油井口装置已工作多年，它们的“完好程度”，它们的潜在功能水平，它们的判废或潜换等等，由于没有性能指标可遵循，无法做正确的判断。国外制造公司能根据工况来选用轴承、弹簧和密封件，我国还不能达到要求。在机械加工手段、工艺规程和质量控制等方面也存在较大差距。缺乏一套科学的使用、维护、管理方法。由于上述问题的存在，与世界先进技术国家相比就存在着很大的差距. 2方案论证2.1平行闸板阀的结构设计原理本设计所采用的是平行闸板阀，其阀座采用浮动结构，有利于闸板与阀座之间的密封，结构简单，更换方便，密封效果好。阀座与闸板之间还可以通过黄油嘴进行注油润滑。此平行闸板阀的具体结构如图21所示。该平行闸板阀由高强度的合金钢制成，工作安全可靠，楔形闸板阀的密封效应是靠把楔形闸板推向阀门通道的支撑面上的侧向推力来保证. 这种阀门存在不少缺点：液流和气流的流道不成直线，容易产生涡流，闸板直接泡在液体中，楔形闸板阀的液压阻力很大，在裸露状态下受液流或气流冲刷的滑块和阀体工作面的寿命很短; 制造修理时要保证楔形闸板和阀体工作面的密封很困难。所以, 它的生产受到限制。故本设计选用暗杆式平行单闸板阀。平行闸板阀的闸板与阀体的接触密封有多种型式, 其闸板的密封表面都不裸露在液体和气体中。液流和气流通过阀时不改变方向。所以，这种阀门也叫做直通式阀门。这种结构大大提高了闸门的寿命, 在它的内部, 水力损失急剧减小。闸板呈平面形状, 制造和维修都很简单。图21 暗杆式平行闸板阀护罩；阀杆；手轮；止推轴承；黄油嘴；阀盖；闸板；阀座；密封圈图22 明杆式平行闸板阀闸阀节流特性好，而且在接近于截止位置时，阀门关闭件和阀座迅速地出现浸蚀，在大开位置，在壳体密封面处的缝隙或间隙处产生滞流，但压力降特性基本上还是等于球阀。该闸板采用了整体式结构，阀座与阀杆用T形槽连接。阀板二面相互平行。阀座与阀体之间有“O”型圈密封，阀座两端有蝶形弹簧，产生附加压紧力压紧阀座，起辅助密封的作用。阀板与阀座均可浮动降低了加工要求，对密封有利，也提高了密封的效果。同时，还设计了黄油嘴，可压注油脂润滑阀座与阀体的密封面。此外，还设置了导板装置，提高了阀板与阀座之间的密封润滑效果。 闸阀的连接采用法兰连接，其结构简单，安装方便，阀盖与阀体也采用法兰连接，安装方便，在装配的过程中，有利于装配。阀杆密封是自密封式和注入密封脂式填料组合结构。其主体材料为丁晴橡胶成型填料和含纤维胶质状密封脂。成型填料为上中下结构, 在阀杆填料函内分上下2 组安装,形成2个各自独立的密封室组。密封脂填料由填料函中间的密封脂注塞注入阀杆填料函和上下丁晴橡胶组合填料之间(图1) 。当阀门中腔介质受压后, 介质推动下填料组向上移动,下填料组推动密封脂向上移动, 密封脂受压推动上填料组压缩, 最后形成阀杆密封。图 1 注入密封脂式组合填料 阀门启闭时, 阀杆为往复直线运动, 阀杆与填料之间属于动态运动摩擦密封副。由于成形填料与阀杆采用过盈配合, 在阀杆移动时, 会有部分成形填料磨损, 使阀杆与成形填料之间形成间隙。这时, 胶质状密封脂在介质压力下充填到阀杆与成形填料的间隙中, 形成各个独立的密封室, 保证运动密封副的存在。阀门在长期运行中密封脂填料会由阀杆带出填料函, 要在填料函中保持有足够的密封脂填料, 必须定期加注密封脂。注入的密封脂应根据介质选用, 但在阀门的现场使用条件下很难做到。密封结构改进由于密封脂的使用受到油品理化性能的限制, 在输油生产现场叫易发生阀门填料泄漏问题, 所以对阀杆密封结构做了改进(图2) ,填料采用组合式。组合填料日常不需要维护,介质压力越高, 组合填料的密封性能越好。但是丁晴橡胶制造的油封和O 形圈存在老化问题。随着丁晴橡胶老化, 组合填料的密封性能将下降, 影响填料的密封和长期使用。另外,组合填料更换时需要系统停车, 阀门在现场解体, 填料更换时间长, 工作量大, 影响系统的正常运行。经过分析比较, 阀杆密封采用开式填料结构密封效果较为理想。与注入密封脂式填料从结构上比较, 填料函减少阀盖与支筒连接之间的泄漏点, 填料箱与阀盖是一体, 填料函尺寸不变, 填料材料由原来丁晴橡胶成形填料和密封脂改为柔性石墨填料和编织丁晴橡胶填料。填料装配操作简单, 密封性能好。当填料出现泄漏时，可拎紧阀帽来达到填料密封。当阀杆运动,填料有磨损泄漏时, 重复上述操作可以实现阀杆密封。图 2 组合填料结构图 图 3 开式填料结构图 开式填料密封使用和现场维护不需要专业技术人员。该结构还具有上密封功能。当阀门在运行中发生填料泄漏时, 将阀门的闸板开到全开位置后, 用手动继续开阀, 直到阀杆的上密封与阀盖的上密封座相接触可以实现阀杆填料副的密封。缺点是由于填料必须施加预紧力,阀杆轴向摩擦力增加, 但柔性石墨填料摩擦力对平板闸阀的开关扭矩影响变化可以忽略。闸阀的结构改进柔性石墨的使用寿命较低, 在动密封部位, 需经常补充石墨材料。热采闸阀的启闭次数频繁, 阀杆的往复运动对柔性石墨的磨损很严重, 需压井和停气更换石墨件, 对热力开采是很不经济的。为此, 需要对闸阀进行结构改进。在钢性密封件结构设计时, 应考虑正常情况下闸阀启闭时密封件的两密封面不接触, 留0.10.2mm的间隙, 这样可降低开关力矩。当需要补充石墨件时, 卸下阀帽, 阀杆在压力介质作用下, 向上运动间隙的距离使阀盖与阀杆的钢性密封副起到密封作用, 解决工作下安全方便地更换密封件。在正常注气和抽油过程中, 闸板不进行启闭工作, 此时可通过调节, 使钢性密封副也起密封作用, 实现可靠的二级密封。2.2 闸阀阀杆的构造 1. 明杆闸阀阀杆螺母在阀杆或支架上，开闭闸板时，用旋转阀杆螺母来实现阀杆的升降。这种结构开闭程度明显，对阀杆的润滑有利，故被广泛选用。 2. 暗杆闸阀阀杆螺母在阀体内与介质直接接触，开闭闸板时用旋转阀杆来实现。这种结构的优点是闸阀的高度总保持不变，因此安装空间小，适用于大口径或者对安装空间有限制的闸阀。使用暗杆闸阀都必须装开闭指示器，以指示开闭程度。这种结构的最大缺点就是阀杆的螺纹不仅无法润滑，而目、长年直接受介质的侵蚀，容易损坏。 关于阀杆布置形式的利弊比较如下，可供设计时参考(表2一l)。由以上分析知，阀杆的构造选择暗杆结构。2.3闸阀闸板的构造型式 1楔式闸阀密封面与垂直中心线成某个角度，即两个密封面成楔形的闸阀。角度的大小主要取决于介质温度的高低，工作温度愈高，所取角度应越大，以减少当温度变化时发生卡阻的可能性。 2平行式单闸板(平板阀)：它的密封而与垂直中心线平行，是两个密封面互相平行的闸阀。阀座密封采用固定或浮动的软密封，结构简单，制造容易，磨损较小，密封性好，但体形高，不能强制密封。适用与中低压，大中口径闸阀，油类和天然气等介质。平板闸阀也有单闸板阀和双闸板阀之分，图24为单闸板式浮动闸板、浮动阀座平板阀。单闸板是一块带孔的形状似砖的平整板块，其密封面喷焊硬质合金，两密封面研磨抛光，硬度高，适用于中、高压工作条件。当阀开启时，闸板上的通孔刚好与阀座孔对准，因而与管道形成一个完整的通道。介质流经阀门时，其阻力损失是极小的。浮动闸板和阀座能保证密封面紧密贴合、密封可靠，且可防止工作介质中的杂质将密封表面拉毛擦伤。由于这种结构型式的闸阀可以实现进口端或出口端密封，因此，即使在低压亦可借助弹簧的预压力和密封面间形成的油膜来保证密封。 随着钻井技术的发展、深钻技术的掌握以及高压油气旧的开发，使得井口压力猛然增加，有时常可达7001000大气压。在这种高压条件下，楔式闸阀由于其结构性能的限制己不能很好地满足工作要求，为适应高压工作条件，目前多使用压力自紧式的平行式闸板闸阀(平板阀)。由以上分析知，楔形闸板阀的密封效应是靠把楔形闸板推向阀门通道的支撑面上的侧向推力来保证. 这种阀门存在不少缺点：液流和气流的流道不成直线，容易产生涡流，闸板直接泡在液体中，楔形闸板阀的液压阻力很大，在裸露状态下受液流或气流冲刷的滑块和阀体工作面的寿命很短; 制造修理时要保证楔形闸板和阀体工作面的密封很困难。所以, 它的生产受到限制。故本设计选用暗杆式平行单闸板阀。阀板构造型式选择为平行式单闸板。其阀座采用浮动结构，有利于闸板与阀座之间的密封，结构简单，更换方便，密封效果好。2.4 阀门的密封 阀门的密封是阀门性能的最重要的指标之一，对高压防硫闸阀愈显得突出。闸阀的密封是一个比较复杂且与使用条件和工作环境紧密相关的问题，它受着多种因素的综合影响。我们应就结构、材质等几方面与密封密切相关的因索，给以充分的讨论。 井口用阀大多数采用接触型密封。即依靠两接合面紧密贴合，并在密封面形成具有阻止或限制介质通过的能力。2.4.1阀座与闸板间密封阀座与闸板密封副承受高压介质作用，单位面积上受力大，工作条件恶劣，在具有腐蚀性的介质中工作必须给予可靠密封，杜绝内漏。根据介质静压力与介质密封力的不同关系，阀座与闸板间的密封可分为以下三种形式：1自动密封：这种形式的密封是在介质进口端闸板与阀座密封面之间具有间隙，而密封性由介质静压力作用于介质出口端来加以保证。因此，只有在介质静压力大于密封力的情况下才有可能采用这种密封形式。2单面强制密封：这种形式的密封在介质进口端闸板与阀座密封面之间是不密封的，因此不存在比压或仅有比密封比压小的比压，在介质出口一边闸板与阀座密封面之间的密封性是由阀杆轴向力来强制地加以保证的。当没有介质时，密封面上的比压力不得小于密封比压。这是在介质静压力小于密封力时所必须采取的强制密封的一种，也是通常采用的一种。3双面强制密封：这种形式的密封无论在介质的进口端或出口端，闸板与阀座密封面之间都是密封的。密封性是由阀杆轴向力来强制地加以保证。当没有介质时，密封面之间的正压力不得小于介质静压力与密封力之和。设计中只有在遇到特殊情况时才采用。根据产生密封比压方式的不同，阀座与闸板之间的密封又可以分以下几种形式：1.借助于非弹性变形的两个金属零件的密封带非弹性的金属对金属型.刚性楔式闸阀就是采用这种密封型。它是通过旋转手轮，带动闸板移动，关闭时使闸板和阀座密封面形成一定的密封比压来实现密封的。这种结构要求零件有很高的制造精度，闸阀零件发生擦伤和破坏的可能性较大。由于接触面比压大(这对于造成可靠的密封是必须的)，它将产生相当大的阻碍闸板运动的摩擦力和粘附力，加剧磨损。2.借助于弹性变形的两个金属零件的密封带弹性变形的金属对金属密封型.楔式闸阀中的弹性闸板或弹性阀座就是这种密封型。这种结构具有微小的变形补偿作用，以保证密封面的紧密贴合。在高温高压下可一长胡保持密封，制造相对简单，闸板、阀座密封面擦伤破坏倾向减小，具有较高的抗磨性。借助于填料、密封脂和高粘度润滑材料密封闸阀可提高密封性能，降低加工精度。3.借助于金属表面对弹性材料的密封金属对弹性元件密封型.这种结构能保证阀门在允许的压力范围内实现可靠的密封。低压时可借助于弹性材料的过盈量来保证密封。高强耐磨弹性材料可以减小摩擦力，也可使密封副加工精度相对降低。但这种结构受弹性材料的限制。4.采用密封脂和高粘度润滑材料的两个金属表面密封.这种结构具有良好的液气密封性能，它使阀门下作表面的擦伤和破坏倾向最小。因有密封脂在密封面间形成极薄的油膜，使得操作轻便。平板闸阀就采用这种结构密封。平板闸阀密封是压力自紧式浮动密封，依结构不同又可分为进口端密封和出口端密封。图27、28为进、出口端密封示意图。进口端密封(阀前封)：进口端密封的平板阀是在进口端阀座后面加有一组预压弹簧(波形或蝶形弹簧)，有时，在设计中为了使用上的方便，往往在出口端阀座后面也加有一组相同的弹簧(图29)。装配后，阀座在弹簧力的作用下对闸板有一初始压力。在阀关闭后，进口端阀座在介质压力作用下，对闸板产生一个作用力N，此力是由于阀座在介质中受压力作用的面积差产生的，如图27所示。N力在进口端阀密封面上所产生的密封比压是比较小的比楔式闸阀计算中的必须密封比压小的多。实践证明：平板阀结构中，这种进口端密封是能够达到的，这主要靠零件的加工质量和借助于密封脂来实现。进口端密封可使阀在全开或全关状态时，泄掉阀腔内的介质压力，从面使现场维修保养和补充阀腔内的密封脂比较方便，特别是在高压条件下工作的阀。出口端密封(阀后封)：当阀关闭后，闸板在介质压力作用下被推向出口端阀座，使闸板板密封面和出口端阀座密封面紧密贴合，从而达到密封。而介质可通过进口端阀座与闸板间的缝隙进入阀腔。出口端密封的平板阀阀座形状较简单，阀体内膛孔深度较浅，易于加工。此种密封形式虽密封严密，但由于闸板关闭时仍有高压液体留在阀腔内，因此，使阀的连接螺钉、密封圈、阀杆等零件常经受着高压液体压力的作用，对零件的强度要求较高。此外，出口端密封也难以实现阀在工作状态下的添加密封脂和现场维修。采用压力自紧式浮动密封，阀杆工作条件较好，它在开、关过程中承受闸板的提升力。这个提升力主要是在工作介质压力作用下，闸板与阀座密封面间的摩擦力。故与楔式闸阀相比，阀杆的受力情况得到改善，阀的开启力矩减小。此外，平板闸阀因阀腔中充满了性能优良的密封脂，在金属密封面间弥补或填平了由于机加工带来的微小间隙。密封脂既具有相当的密封能力，又可对密封面进行润滑，因而使平板阀开关轻便、密封可靠寿命长。因此，暗杆平板阀适宜于进口端密封形式。2.4.2阀杆填杆处密封该处是动密封性质，它要求填料产生足够大的径向力，以产生所要求的比压来达到密封。同时还要求有尽可能小的摩擦系数、自润滑性和良好的耐擦伤和耐磨性。该处密封性能的好坏，直接影响上部零件的寿命和操作者的安全。阀杆填料处多用盘根密封。按作用形式又可分为：1机械式密封：这种密封型式如图211所示。它适用于压力不太高的场合。其作用原理是完全依靠阀帽的机械压力使填料产生一径向力，从而形成密封所需的比压来达到密封。这种结构对填料施加的力与介质压力成倍递增，对高压闸阀要保证密封显然是困难的。同时在使用中，常因各种原因，填料易发生松驰，密封比压减小，造成密封失效，容易引起外漏。2半机械式密封：半机械式密封结构如图212所示。像我国CQ型井口用阀采用了这种结构，其作用原理是主要靠阀帽施加的机械密封力密封，同时也借助于介质压力产生的自密封，自密性随介质压力的升降而增减。压力愈高，在材料的允许限度内，密封性能愈好。这种结构被认为在中低压下密封性能不太理想。由于采用聚四氟乙烯，所以弹性较差，热胀冷缩比较大。由于介质的工作压力为34.5MPa不是很小，所以阀杆填杆处采用半机械式密封。2.4.3阀座与阀体间密封 该处密封一般用“O”型或“D”型密封圈来保证密封，以实现进、出口端密封或进出口端双重密封。2.4.4阀体阀盖连接处密封设计成法兰连接，一般选用钢圈密封，对于平垫圈和R型钢圈，其密封原理主要靠螺栓压紧力，在钢圈与阀体、阀盖接合面之间产生足够大的比压(即接合面密封所需的必须比压和介质压力作用在钢圈中径的内圆面积上产生的力，折算为密封面面积上所产生的比压)，从而达到强制密封。 3设计计算过程由设计的原始数据及要求有：阀门的种类:： 暗杆有导流孔式平行单闸板阀；公称通经： 3 1/16=78mm；介质的工作压力： 10000 Psi=69 MPa；结构长度： 619 mm；（查表58（续）可得）与管道的连接方式： 法兰连接；阀门的操作方式： 手动；介质温度： -29300 0C；介质的物理、化学性能:流体、腐蚀性、易燃易爆、毒性。3.1 阀座、闸板密封面的计算为保证密封面密封，又要保证材料不被挤压坏，必须保证：qMF q q1.闸板 2.阀座 3.橡胶密封圈 4.阀体 5.波形弹簧图1. 阀座、闸板密封结构图3.1.1出口端密封计算：密封环内径： =78mm 设计给定密封环厚度： =10mm 设计给定密封面内径： =79mm 设计给定密封而宽度： =17.6mm 设计给定计算压力： P=69 Mpa 设计给定密封面许用比压：q=80Mpa 设计给定密封面上必需比压： = = =17.28Mpa 1-1密封而上总作用力： = + 1-2密封面处介质作用力： = 1-3 =419666.5N波形弹簧弹性力： =3252.4N 1则： = + =152416.33+3252.4=422918.9MPa密封面计比压：q= =79.18MPa结论：17.2879. 1880即qMF q q，故设计合格。3.1.2入口端密封计算:入口端密封面总作用力: = + 介质作用力： = P = 69=89929.5N波形弹簧弹性力： =3252.4N则： = + =89959.5+3252.4=93211.9N入口端计算比压：=17.45MPa结论：17.2817.4580即qMF q q，故设计合格。小结:该结构能实现在全开和全关状态时，出口端和入口端同时密封。3.2 阀杆的设计与计算3.2.1阀杆材料的选择本设计设计的阀杆为暗杆，材料为38GrWvAL，材料的许用应力查表4.24如下：许用拉应力：= 295Mpa； 许用压应力：= 315Mpa；许用扭应力：=190Mpa； 许用剪应力：= 177 Mpa；许用合成应力：=305Mpa； 材料屈服极限: = 640 Mpa；3.2.2结构尺寸设计及其参数选择所选用的梯形螺纹： Tr326直径 (推力轴承处)：25mm （查表4.35）直径(螺纹退刀槽处): 24.2mm （查表4.35）直径(填料函部位): 34mm阀座与闸板的摩擦系数:=0.1013.2.3闸阀阀杆的受力分析：闸阀阀杆总轴向力，在关闭的最终或开启的最初时其值最大。对于不同类型的闸阀或不同的密封要求，阀杆相应的总轴向力也不同。图43表示暗杆不带平衡杆平板闸阀在关闭时阀杆所受的总轴向力。阀杆总轴向力为：= +式中：出口端阀座与闸板之间的摩擦力；闸板对出口端阀座的正压力；= P进口端阀座与闸板之间的摩擦力；进口端阀座对闸板的正压力。=图(4.44)表示暗杆不带平衡杆平板闸阀在开启时阀杆所受的总轴向力。阀杆总轴向力为:= +从以上的分析我们可以看出，暗杆不带平衡杆的最大总轴向力是发生在闸阀关闭时，并且，此时的手轮操作力矩也达到最大值。所以我们在以下的计算中，把关闭时阀杆所受的总轴向力作为计算载荷。3.3最大轴向力计算最大轴向力计算式为：= +3.3.1阀座与闸板的进口端摩擦力： =（ + ）阀座与闸板的摩擦系数：=0.101介质压力： = =190660.8N波形弹簧弹性力： =3252.4N 设计选定进口端摩擦力： =（ + ） = (190660.8+3252.4) 0.101=19595N3.3.2阀座与闸板的出口端摩擦力：= = + = 69/4+3252.4 0.101 =42714.8N3.3.3阀杆受到的径向截面最大介质压力：=阀杆填料部位的直径：=34mm=69=62646.5N螺纹退刀槽处径向介质力：=螺纹退刀槽直径：=24.2mm=69=31737.28N2.3.4 螺纹段处所受到总轴向力：=+ =19595+42714.81+31737.28=94047 N3.3.5阀杆最大轴向力：=+=19595+42714.81+62646.5=124956.3N3.4最大摩擦力矩计算最大摩擦力矩计算式见表491由于是暗杆闸阀，所以最大摩擦力矩计算式为： =+ +3.4.1螺纹摩擦力矩：=(+) Tr326螺纹摩擦半径查表486可得：=4.65mm=(+) =(19595+42714.81)4.65=289740.6 Nmm3.4.2填料摩擦力矩：=阀杆与填料的摩擦系数：=0.4阀杆填料部位的直径：=34mm填料的宽度：=7 mm=0.43469=111669.6Nmm3.4.3轴承摩擦力矩：=轴承转动摩擦系数：=0.01轴承的平均直径： = = 0.01124956.3=27178 Nmm最大摩擦力矩为： =+ + =27178+111669.6+289740.6 =428588.2Nmm 对阀杆安装轴承支撑的部位进行分析后发现：开启和关闭阀门的时候，轴向力一般都是向上的，即都是轴向压力。而轴向力都是在轴承支撑与下轴肩处作用，卡轴承支撑的小直径部位只是承受扭矩作用。所以，对小直径部位进行扭应力分析，对下轴肩进行压应力分析是必要的。 对阀杆梯形螺纹部分进行分析后发现：螺纹退刀槽部位截面积最小，受到的应力状况也最恶劣。所以，对此截面的应力分析是必要的。3.5 强度校核图4.313表示暗杆闸阀关闭时阀杆的受载情况。 3.5.1断面12区段扭矩为最大，故应校验其扭转应力处的扭应力：= =130.1 Mpa =190 Mpa3.5.2 轴肩处的局部压应力：= =317.8 Mpa = 640 Mpa3.5.3 断面45区段处的轴向压应力：=203.92 Mpa = 315Mpa3.5.4 断面45区段的扭应力：= = =104.12 Mpa =190 Mpa3.5.5 断面45区段的合成应力:=291.8 Mpa = 305 MPa结论，以上结构是设计合理，强度校核的各项均为合格。工作压力随工作温度而改变的比值，比相应温度下材料的许用应力的比值大，故不进行高温核算。3.6 阀杆稳定性验算（1）阀杆的细长比 阀门关闭时，承受轴向压力，对于这类细长阀杆，除应满足强度条件之外，还应校验其直线形状平衡的稳定性。阀杆的细长比(即柔度)按下式计算:= 式中：阀杆计算长度(mm)。对于升降杆是从上端阀杆螺母螺纹全高中点至阀杆下端面的距离；对于旋转杆(非升降杆)则取从阀杆凸肩至下端阀杆螺母螺纹全高中点的距离。如4.45所示。由于是暗杆即非升降杆，阀杆计算长度为从阀杆凸肩至下端阀杆螺母螺纹全高中点的距离。长度系数，与支承形式有关。对于无中间支承的阀杆，若两端支承为球形铰支，取1；若一端为球形铰支，一端具有角约束或线约束，查表4.41，取0.699。(2)稳定性验算阀杆稳定性通常只按常温工况进行验算。当时：为常温时中细长比的下界，按表4.42选取。对于这类低细长比(即小柔度)压杆，不进行稳定性验算。 允许细长比 ：=30 阀杆的实际细长比 ：= 其中：暗杆式阀杆长度系数： =0.699 阀杆直径 ：=24.2mm 阀杆计算长度：=+ 阀杆凸肩高度: =8mm阀杆螺母计算高度: =40mm 阀座密封面内径: =79mm 阀座密封面宽度: =17.6mm 阀杆轴向余量: =4mm因此：=+ =8+=78.3mm = 7.74 =30结论：实际细长比，所以不需要进行稳定性验算。3.7 阀杆螺母的设计与计算阀杆螺母材料选取为HT2547，阀杆螺母规格:Tr326，查表4.44可得：许用挤压应力: = 55 MPa 许用剪应力: = 41 MPa 许用弯曲应力: = 82 MPa3.7.1螺母的工作圈数由于阀杆螺母通常采用单头标准梯形螺纹，所以其导程S即为螺距t，螺母的工作圈数: n=式中:H阀杆螺母的工作高度； t螺距。由于阀杆螺母与阀杆的螺纹牙的变形不同，又由于存在着制造误差，因而载荷并不是平均地分布在螺纹的各个工作圈上。因此，通常取螺纹的工作圈数。查表4.43，螺距t=6 mm。阀杆螺母的工作高度: H=40 mm 螺纹的螺距: t=6 mm因此: n=6.73.7.2螺母的应力计算 单牙螺纹受挤压面积: = 273.3 （查表4.43）螺母中单螺纹受剪面积: = 424 （查表4.43） 螺纹弯曲力臂:=2 mm （查表4.43）螺母中单牙螺纹断面系数: =290 剪应力: = =22MPa = 41 MPa弯曲应力：= 64.46 MPa=82 MPa挤压应力: =34.2 MPa =30.8 mm，十分安全。3.9中腔结构尺寸设计与计算中腔是安装阀座、闸板的唯一通道，也是闸板工作时做上下运动的区域。其结构的设计首先要保证阀座和闸板能方便安装并留有适量的运动间隙，其次还要尽量的使中腔直径较小。因为中腔直径是影响中法兰螺栓选用最重要因素，同时也是影响闸阀总重量的主要因素。中腔设计时需要考虑和注意的因素有:(1)由于公差配合和制造精度的影响，阀座与闸板的密封面配合总会有一定的误差，所以，预留在闸板上的密封区域要适当的宽12 mm.(2)阀体为锻造件，并且体积比较大，其内腔主要是锻造出来的。因此尺寸精度也不高。所以，中腔直径要比闸板的对角线大，至少要使中单边留有3 mm以上名义间隙。(3)阀座的安装孔深度应适当。阀座的安装孔是后来切削加工出来的，如果切入太深，会破坏阀体上更多的金属纤维。综合强度和密封性考虑，该类型的阀座安装孔深度以3040mm为宜(其他结构的阀座除外)。(4)在中腔设计过程中，还应考虑阀座与闸板的安装方法和安装顺序问题。一般都是先依次安装好左、右阀座，最后安装闸板。所以阀座的长度通常不大于闸板的厚度。综合上述因素并借鉴同类闸阀的设计经验，设计的中腔结构如下: 中腔直径: = 140 mm3.10 阀体壁厚、中法兰螺栓的设计与计算3.10.1阀体的功能 阀体是阀门中最重要的零件之一，阀体的重量通常占整个阀门总重量的70%左右。阀体的主要功能有： （1）作为工作介质的流动通道; （2）承受工作介质压力、温度、冲蚀和腐蚀; （3）在阀体内部构成一个空间，设置阀座，以容纳启闭件，阀杆等零件; （4）在阀体端部设置连接结构，满足阀门与管道系统安装使用要求； （5）承受阀门启闭载荷和在安装使用过程中因温度变化，振动。水击等影响所产生的附加载荷;（6）作为阀门总装配的“基础”。3.10.2阀体结构设计 1.阀体的流道 闸阀阀体的流道可分为通孔式和缩孔式两种，流道孔径与阀门公称通径基本相同的为通孔式；流通孔径比阀门公称通径小的称为缩孔式。缩孔形式有均匀缩孔和非均匀缩孔两种。流道呈锥管形的即是一种非均匀缩孔，这类阀门入口端的孔径基本上与公称通径相同，然后逐渐缩小，至阀座处缩至最小。采用缩孔式流道(无论是锥管形非均匀缩孔或均匀缩孔)，其优点是同一规格的阀门，可减小闸板的尺寸、启闭力与力矩；其缺点是流阻增加，压降和能耗增大，所以缩孔不宜太大。因此，选用通孔式，而且通孔式制造加工方便。这种结构大大提高了闸门的寿命,在它的内部,水力损失急剧减小。闸板呈平面形状, 制造和维修都很简单。2阀体的结构闸阀阀体的结构决定于阀体与管道、阀体与阀盖的连接，就制造方法而言，有铸造、锻造、铅焊。通常从经济性考虑，公称通径等于或大于50mm的阀门采用铸造，小于50mm的采用铸造。但是随着现代铸、锻技术的发展。已经逐步突破这种限制。锻造阀体已向大口径方向发展，而铸造阀体逐渐向小口径方向发展；任何一种闸阀阀体既可铸造、也可锻造，应根据用户要求以及制造厂拥有的制造手段而定。3阀体壁厚及其计算阀体壁厚的计算一般有两种方法:即按椭圆形强度公式计算阀休壁厚以及用经验公式计算阀体壁厚。选用按经验公式计算。阀体壁厚的计算方法主要由下列因素决定：（1）阀体材料的力学性能，对于铸铁类材料，应按脆性材料计算；对于钢类材料应按塑性材料计算。对于塑性金属材料危险状态的判断，是以产生过大的残余变形为标志。在计算阀体的强度时应以屈服极限作为强度标堆，按第四强度理论计算。（2）阀体形状可分为圆筒形、腰鼓形、球形、非圆筒形(椭圆形、扁圆形、矩形等)，等基本形状。分别按不同的公式计算阀体壁厚。（3）阀体结构尺寸的确定，当阀体外径与内径之比小于1.2时。按薄壁容器的公式计算，大于1.2时，按厚壁容器的公式计算。 阀体往往由几种形状组成，即使同一形状，尺寸亦不一样，按理说，一个阀体的计算要根据它的形状和尺寸一部分一部分地单独进行，但实际应用上并不需要这样做.因为，同一个阀体中通常并不取几个不同的壁厚。阀体通常都由中腔和进口、出口管段三个部分组成，这三个部分中总是中腔尺寸大于进口、出口段，因此，阀体壁厚的计算一般只对中腔部分进行。另外，需要注意的是:阀体壁厚的计算除了考虑强度之外，还考虑其刚度，否则，会因受力变形而破坏密封。通常当DN300mm时，在阀体内腔或外部增添加强肋，以增强其刚性，把体腔变形控制在0.001DN的范围内，必要时亦可设计成不等壁厚的阀体，即增大中腔的厚度，但应注意非均匀壁厚会造成铸造上的困难。对于塑性材料做成的阀体，其壁厚按第四强度理论计算:=+ C式中，阀体中腔最大内径，根据结构需要选定； P设计压力，取公称压力34.5MPa ； 材料的许用拉应力(MPa)； C考虑铸造偏差、工艺性和介质腐蚀等因素而附加的裕量，可参考表414选取。3.10.3阀体的计算阀体、阀盖的材料选用42CrMo, =1080 MPa, =930 MPa。计算如下:3.10.3.1连接法兰颈部厚度(钢及合金钢阀体，圆形)计算厚度: =+ C 3-1-1计算压力：p=69 MPa 设计给定计算内径:=78 mm 设计给定许用拉应力: =310 MPa腐蚀余量: C=2 mm 设计给定所以=+ C =+ 2 =10.36 mm 实际厚度: =30 mm 设计选定结论: (1) ，合格； (2) 管路附件压力、温度额定值是根据材料相应温度下的许用应力而制定的，故不进行高温下的核算。3.10.3.2中腔部位厚度 (钢及合金钢阀体，圆形)计算厚度: =(一1) 312 计算内径: =140mmn 设计给定计算压力: P =69MPa 设计给定材料许用应力，取与中较小者。、均为强度安全系数，取4.25，2.3。 = mini = mini =254 MPa 313预算内外径比值: = 314 = =1.374故：=(一1) =(1.14一1) = 26.18 mm因此，取计算厚度为: = 52 mm 设计给定3.10.3.2.1径向应力：= 一P = 一69MPa 3143.10.3.2.2切向应力: =其中: 预算外径:=+2=140+252=244 mm预算内外径比值: K= =1.74切向应力: =136.7 MPa3.10.3.2.3轴向应力: =其中:（1）常温时螺栓计算载荷: =+密封环必须密封力: =（+）密封环的内径 =140 mm密封环的宽度 =8 mm密封必须比压 =密封环的形状系数 n=1.3 因此: =31.7 MPa =（+）= (140+8) 815.86= 117963.9 N阀盖受到的介质作用力:=P =69=1187032 N阀杆最大轴向力: =124956.3 N阀杆的径向截面上的介质作用力: =62646.5 N常温时螺栓计算载荷:=+ =117963.9+1187032+124956.362646.5 =1367306 N(2)螺栓的总截面积: = Z 螺栓选用的材料: 42GrMo 许用拉应力: = 620MPa初步选用螺栓个数: Z=8初步选用螺栓参数: M24 单个螺栓截面积： =324.3 总截而积: = Z=8324.3=2594.4 螺栓拉应力: =527MPa = 620 MPa 所以: , 该螺栓的规格及个数合格(3)轴向应力: =47.5 MPa3.10.3.2.4合成应力:= =178.7 MPa=254 MPa结论: (1)，合格. (2)管路附件的压力温度额定值是根据材料相对应温度得许用应力而制定的，故不进行高温核算。3.11 手轮总转矩及圆周力的设计与计算一、手轮材料手轮可采用、可锻铸铁、球墨铸铁或钢，也有采用合金或塑料等材料，手轮材料选用铝合金，因为铝合金的质量轻，不生锈，且价格便宜。二、手轮旋向关阀:顺时针；开阀:逆时针。三、手轮的计算根据图(5)所示手轮直径与圆周力的关系曲线，当关闭力矩较大时要求手轮直径变大一般选用平行手轮，伞形手轮适用于手轮直径 400mm 。手轮直径: = 620mm操作时最大转矩: = 428588.2Nmm最大的圆周力: Q =1382.54 N式中:手轮直径；一阀杆上的最大力矩；Q手轮上的圆周力。图5手轮直径与圆周力的关系曲线1一个人用手操作的力曲线2，两个人用手操作的力曲线，3一个人单手操作的力从上图我们能看出，该操作力及手轮直径数据适合曲线1，因此，该高压闸阀在关闭末时刻的操作力矩最大，此时只需要一人操作即可。3.12 阀门的压力试验压力试验是阀门最基本的试验。每台阀门出厂前均应进行压力试