论文3 116″10000 Psi 闸阀设计

长江大学工程技术学院 毕毕业业设设计计 论论文文 题题 目 目 3 1 16 10000 Psi 闸阀设计闸阀设计 学学 生 生 卢蛟卢蛟 所所 在在 系 系 机械系机械系 专业班级 专业班级 机械机械 0403 指导教师 指导教师 周思柱 教授 周思柱 教授 辅导教师 辅导教师 周思柱周思柱 时时 间 间 2008 1 16 至至 2008 6 13 目录目录 3 1 16 10000 Psi 闸阀设计 0 3 1 16 10000 Psi Gate Valve Design 1 前言 0 方案论证 1 1 闸阀阀杆的构造 1 2 闸阀闸板的构造型式 1 3 阀门的密封 2 3 1 阀座与闸板间密封 3 3 2 阀杆填杆处密封 5 3 3 阀座与阀体间密封 6 3 4 阀体阀盖连接处密封 6 设计计算过程 7 1 密封副的设计与计算 7 1 1 阀座设计 7 1 2 阀座 闸板密封面的计算 9 2 阀杆的设计与计算 11 2 1 阀杆材料的选择 11 2 3 最大轴向力计算 13 2 4 最大摩擦力矩计算 14 2 5 强度校核 16 2 6 阀杆稳定性验算 18 3 阀杆螺母的设计与计算 20 3 1 螺母的工作圈数 20 3 2 螺母的应力计算 22 4 平行单闸板设计与计算 22 5 中腔结构尺寸设计与计算 24 6 阀体壁厚 中法兰螺栓的设计与计算 25 6 1 阀体的功能 25 6 2 阀体结构设计 25 6 3 阀体的计算 26 7 手轮总转矩及圆周力的设计与计算 30 8 阀门的压力试验 31 8 1 阀门的壳体试验 32 8 2 阀门的上密封试验 32 8 3 阀门的寿命试验 33 总 结 35 参考文献 36 致 谢 37 3 1 16 10000 Psi 闸阀设计闸阀设计 学学 生 卢蛟生 卢蛟 长江大学工程技术学院长江大学工程技术学院 指导老师 周思柱指导老师 周思柱 长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院 摘要摘要 闸阀是指关闭件 闸板 沿介质通道中心线的垂线方向运动的阀门 闸阀 作为采油 气 井口装置的核心部件 担负着开启或截断管道介质并控制高压介 质按照人为的需要流向指定地方的任务 本设计就是对它进行展开计算 阀门 作为管道系统中的一个重要组成部分 应保证安全可靠地执行管道系统对阀门 提出的使用要求 因此 阀门设计必须满足工作介质的压力 温度 腐蚀 流 体特性以及操作 制造 安装 维修等方面对阀门提出的全部要求 阀门设计 必须明确给定技术数据 所必须具备的基本数据有 阀门用途或种类 介质的 工作压力 介质的工作温度 工作介质的物理 化学性能 腐蚀性 易燃易爆性 毒性 物态等 公称通径 结构长度 与管道的连接形式 闸阀的操作方法 闸阀根据阀杆的构造可分为两类 明杆闸阀和暗杆闸阀 阀根据闸板构造型式 的不同 又可分为两类 楔式闸阀和平行式单闸板 平板阀 由设计任务书的 要求对 3 1 16 10000 Psi 暗杆平行式单闸板阀进行设计计算 要求计算的项 目一般有 阀座 闸板密封面设计计算 阀杆的设计及强度验算 阀杆螺母的 计算与校核 平行单闸板厚度计算 中腔结构尺寸设计 阀体壁厚 中法兰螺 栓的计算与校核 手轮转矩及圆周力的计算 3 3 1 16 100001 16 10000 PsiPsi GateGate ValveValve DesignDesign Student lu jiao The College of Technology Engineering of Yangtze University Tutor Zhou Sizhu The College of Mechanical Engineering of Yangtze University Abstract The gate valve is refers to shutting down damper plate along the medium channel middle line direction of plumb line movement valve The gate valve as the extraction gas well head assembly s core part shoulders is opening or the interruption pipeline medium and controls the high pressured medium according to artificial to need to flow assigns the place the duty This design is carries on to it launches the computation A valve s as piping system in important component should guarantee that carries out the piping system reliably safely the operation requirements which proposed to the valve Therefore the valve design must satisfy the actuating medium the pressure the temperature the corrosion The fluid characteristic as well as the operation the manufacture aspects and so on installment services the complete request which proposed to the valve The valve design must assign the engineering data explicitly must have the master data includes Valve use or type Medium working pressure Medium operating temperature Actuating medium physics chemical properties corrosiveness flammable explosion hazard toxicity state of matter and so on Nominal size Structural length With pipeline s connection form Gate valve s operating procedure The gate valve may divide into two kinds according to valve lever s structure Bright pole gate valve and dark pole gate valve Valve according to damper plate structure style difference may also divide into two kinds Wedge type gate valve and run in single damper plate plate valve Carries on the design calculation by the design project description s request to 3 1 16 10000 Psi dark pole run in single gate valve The request computation s project has generally Valve seat damper plate packing surface design calculation Valve lever s design and intensity checking calculation Valve stem nut s computation and examination Parallel single damper plate thickness computation Mesocoele structure size design Valve chest wall thickness flange bolt s computation and examination Handwheel torque and twisting couple and twisting force computation key Words Gate valve Gate valve s structure Computation project 前言前言 闸阀是指关闭件 闸板 沿介质通道中心线的垂线方向运动的阀门 闸阀作为采油 气 井 口装置的核心部件 担负着开启或截断管道介质并控制高压介质按照人为的需要流 向指定地方的任务 钻采工艺要求采油 气 井口装置用的阀门具有操作轻便 密封 可靠 通道圆整 流阻小 寿命长 结构简单紧凑 制造工艺性好 成本低等特点 闸阀除能较好地满足这些要求外 还可满足介质双向流动 并在全开或全关状态时 关闭件受介质的冲蚀作用小 因此 在高压下能保证可靠的工作 由于它具有上述 优点 因而得到广泛的应用 闸阀在管路中只能作全开和全关切断用 不能作调节 和节流 闸阀是使用范围很广的一种阀门 一般口径 DN 50mm 的切断装置都选用它 有时口径很小的切断装置也选用闸阀 闸阀是作为截止介质使用 在全开时整个流 通直通 此时介质运行的压力损失最小 闸阀通常适用于不需要经常启闭 而且保 持闸板全开或全闭的工况 不适用于作为调节或节流使用 对于高速流动的介质 闸板在局部开启状况下可以引起闸门的振动 而振动又可能损伤闸板和阀座的密封 面 而节流会使闸板遭受介质的冲蚀 从结构形式上 主要的区别是所采用的密封 元件的形式 根据密封元件的形式 常常把闸阀分成几种不同的类型 如 楔式闸 阀 平行式闸阀 平行双闸板闸阀 楔式双闸板闸等 最常用的形式是楔式闸阀和 平行式闸阀 闸阀关闭时 密封面可以只依靠介质压力来密封 即依靠介质压力将闸板的密 封面压向另一侧的阀座来保证密封面的密封 这就是自密封 大部分闸阀是采用强 制密封的 即阀门关闭时 要依靠外力强行将闸板压向阀座 以保证密封面的密 封性 闸阀的闸板随阀杆一起作直线运动的 叫升降杆闸阀 亦叫明杆闸阀 通 常在升降杆上 有梯形螺纹 通过阀门顶端的螺母以及阀体上的导槽 将旋转运动变 为直线运动 也就是将操作转矩变为操作推力 1 选题背景选题背景 1 1 课题来源课题来源 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 方案论证方案论证 2 1 平行闸板阀的结构设计原理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 2 1 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 图图 2 1 暗杆式平行闸板阀暗杆式平行闸板阀 护罩 阀杆 手轮 止推轴承 黄油嘴 阀盖 闸板 阀座 密封圈 图图 2 2 明杆式平行闸板阀明杆式平行闸板阀 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 图图 1 注入密封脂式组合填料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 图图 2 组合填料结构图组合填料结构图 图图 3 开式填料结构图开式填料结构图 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 1 0 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 2 4 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 700 1000 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 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 2 7 2 8 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 2 9 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 2 7 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 2 11 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 2 12 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 3 设计计算过程设计计算过程 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 29 300 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 q 1 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 出口端密封计算 密封环内径 78mm 设计给定 ND 密封环厚度 10mm 设计给定 Ob 密封面内径 79mm 设计给定 MND 密封而宽度 17 6mm 设计给定 Mb 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 MF q M 3 5 p b 3 534 5 9 17 28Mpa 1 1 密封而上总作用力 1 2 MZ Q MJ Q MT Q 密封面处介质作用力 1 3 MJ Q 4 2 MNO Db P 419666 5N 4 2 34 5 65 10 波形弹簧弹性力 3252 4N 1 MT Q 则 152416 33 3252 4 422918 9MPa MZ Q MJ Q MT Q 密封面计比压 q 79 18MPa MZ MN DMM Q bb 155668 73 659 9 结论 17 28 79 18 80即qMF q q 故设计合格 3 1 23 1 2 入口端密封计算入口端密封计算 入口端密封面总作用力 MZ Q MJ Q MT Q 介质作用力 P MJ Q 4 2 MNO Db 2 4 MN P D 69 69 4 2 65 10 4 2 65 89929 5N 波形弹簧弹性力 3252 4N MT Q 则 89959 5 3252 4 93211 9N MZ Q MJ Q MT Q 入口端计算比压 q MZ MN DMM Q bb 17 45MPa 41187 13 659 9 结论 17 28 17 45 80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 23 2 阀杆的设计与计算阀杆的设计与计算 3 2 阀杆材料的选择阀杆材料的选择 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 2 4 如下 许用拉应力 295Mpa 许用压应力 315Mpa L Y 许用扭应力 190Mpa 许用剪应力 177 Mpa N 许用合成应力 305Mpa 材料屈服极限 640 Mpa S 3 2 13 2 1 结构尺寸设计及其参数选择结构尺寸设计及其参数选择 所选用的梯形螺纹 Tr32 6 直径 推力轴承处 25mm 查表 4 3 5 直径 螺纹退刀槽处 24 2mm 查表 4 3 5 直径 填料函部位 34mm 阀座与闸板的摩擦系数 0 101 1 3 2 23 2 2 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 4 3 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 FjF1 1 N 2 1 N 式中 出口端阀座与闸板之间的摩擦力 1 1 N 闸板对出口端阀座的正压力 1N P 1N 4 2 MNM Db 进口端阀座与闸板之间的摩擦力 2 1 N 进口端阀座对闸板的正压力 2N 2N MNM Db M p b 图 4 4 4 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 F1 1 N 2 1 N jF 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 最大轴向力计算式为 zfP1mP2mPyP 3 3 1 阀座与闸板的进口端摩擦力 1mP J Q MT Q 1 阀座与闸板的摩擦系数 0 101 1 介质压力 J Q MN DOO P bb 190660 8N 65 10 10 34 5 波形弹簧弹性力 3252 4N 设计选定 MT Q 进口端摩擦力 1mP J Q MT Q 1 190660 8 3252 4 0 101 19595N 3 3 23 3 2 阀座与闸板的出口端摩擦力 2mP Z Q 1 4 2 NO Db P MT Q 1 69 3252 4 0 101 4 2 65 10 42714 8N 3 3 3 阀杆受到的径向截面最大介质压力 yP 4 2 Fd P 阀杆填料部位的直径 34mm Fd 69 62646 5N yP 4 2 Fd P 4 2 34 螺纹退刀槽处径向介质力 yP 4 2 Fd P 螺纹退刀槽直径 24 2mm Fd 69 31737 28N yP 4 2 Fd P 4 2 24 2 2 3 4 螺纹段处所受到总轴向力 zfP1mP2mP yP 19595 42714 81 31737 28 94047 N 3 3 4 阀杆最大轴向力 zfP1mP2mPyP 19595 42714 81 62646 5 124956 3N 3 4 最大摩擦力矩计算最大摩擦力矩计算 最大摩擦力矩计算式见表 4 91 由于是暗杆闸阀 所以最大摩擦力矩计算式为 M zmjMtmjMlmjM 3 4 1 螺纹摩擦力矩 lmjM1mP2mP MFR Tr326 螺纹摩擦半径查表 4 86 可得 4 65mm MFR 19595 42714 81 4 65 289740 6 N mm lmjM1mP2mPMFR 3 4 2 填料摩擦力矩 tmjM FdTd P 2 Fd 阀杆与填料的摩擦系数 0 4 阀杆填料部位的直径 34mm Fd 填料的宽度 7 mm Td 0 43469 tmjM FdTd P 2 Fd 34 2 111669 6N mm 3 4 3 轴承摩擦力矩 zmjM k f zfP 2 kpD 轴承转动摩擦系数 0 01 k f 轴承的平均直径 kpD 12 2 DD 0 01124956 3 27178 N mm zmjM k f zfP 2 kpD 43 5 2 最大摩擦力矩为 M zmjMtmjMlmjM 27178 111669 6 289740 6 428588 2N mm 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 强度校核强度校核 图 4 3 13 表示暗杆闸阀关闭时阀杆的受载情况 3 5 1 断面 1 2 区段扭矩为最大 故应校验其扭转应力处的扭应力 1N F t M W 3 0 16 M D 3 180738 97 25 6 16 130 1 Mpa 190 Mpa N 3 5 2 轴肩处的局部压应力 Y zfP S 22 55584 44 3425 6 4 317 8 Mpa 640 Mpa S 3 5 3 断面 4 5 区段处的轴向压应力 Y zf SL P F2 40129 83 24 2 4 203 92 Mpa 315Mpa Y 3 5 4 断面 4 5 区段的扭应力 2N 2 lmj S M W 3 112814 55 24 2 16 104 12 Mpa 190 Mpa N 3 5 5 断面 4 5 区段的合成应力 22 4 YN 22 4 87 25104 12 291 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 4 CF F II d 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 FI 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 4 5 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 CI 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 CI 一 端为球形铰支 一端具有角约束或 线约束 查表 4 4 1 取 CI 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 1 1 下界 按表 4 4 2 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 1 阀杆的实际细长比 4 CF F II d 其中 暗杆式阀杆长度系数 0 699 CI 阀杆直径 24 2mm Fd 阀杆计算长度 FITJH 2 LMMNZYMbHDL 阀杆凸肩高度 8mm TJH 阀杆螺母计算高度 40mm LMH 阀座密封面内径 79mm MND 阀座密封面宽度 17 6mm Mb 阀杆轴向余量 4mm ZYL 因此 FITJH 2 LMMNZYMbHDL 8 78 3mm 406594 2 7 74 30 F 4 IC F I d 4 0 699 67 24 2 1 结论 实际细长比 所以不需要进行稳定性验算 1 3 73 7 阀杆螺母的设计与计算阀杆螺母的设计与计算 阀杆螺母材料选取为 HT25 47 阀杆螺母规格 Tr32 6 查表 4 4 4 可得 许 用挤压应力 55 MPa 许用剪应力 41 MPa ZY 许用弯曲应力 82 MPa W 3 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 t H 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 10n 查表 4 4 3 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 7 t H 6 40 3 7 2 螺母的应力计算 单牙螺纹受挤压面积 273 3 查表 4 4 3 YF 2 mm 螺母中单螺纹受剪面积 424 查表 4 4 3 JF 2 mm 螺纹弯曲力臂 2 mm 查表 4 4 3 LX 螺母中单牙螺纹断面系数 290 W 3 mm 剪应力 22MPa 41 MPa FZ J Q n F 55584 44 8 424 弯曲应力 64 46 MPa 82 MPa W L FZ Q X n W 55584 44 2 8 290 W 挤压应力 34 2 MPa 30 8 mm 十分安全 T F T F 3 93 9 中腔结构尺寸设计与计算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 1 2 mm 2 阀体为锻造件 并且体积