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闸阀基础知识及设计计算c版 2011年5月 1 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 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 3 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 4 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 5 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 单位是m2 S 简称斯 动力粘度 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 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 1 v比重 g 国际单位为 N m3或kN m3 6 1 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 7 8 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 9 流向改变产生流阻 10 断面改变产生流阻 11 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 12 公称压力与压力等级的对照关系 13 1 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 14 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 15 闸阀典型结构图 16 参考图例 图2球阀 图3蝶阀 17 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 18 19 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 20 1 3 4垫片密封 21 1 3 5密封原理 强制密封 半自动密封 22 强制密封型式 23 双向强制密封闸板 24 自动密封闸板 25 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 26 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 27 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 28 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 29 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 30 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 31 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 32 图12焊接阀座 胀圈阀座见图9 33 图13螺纹阀座零件图例 34 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 35 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 36 阀座圈厚度计算 dw d SQRT Pmax 100s 1 5S 0 03NPS 6 3 log CLASS 100 式中 dw 阀座圈外径mmd 通道内径径mmPmax 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 203mmPmax 50kgf cm2NPS 8则 S 3 246kgf cm2dw 224mm 37 阀座圈高度计算 H int a dO 式中 H 阀座圈高度 mma 系数150 300Lb a 0 075600 900Lb a 0 131500Lb a 0 182000 2500Lb a 0 23500Lb a 0 25 常数 mm 0 8mm 上例中 a 0 075do 224mm取 5则 H 22mm 38 阀座样图尺寸确定 39 2 1 2闸板设计 图15中低压闸板零件图例 40 图16高压闸板图例 41 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 42 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 43 闸板尺寸确定 44 闸板尺寸 45 2 1 3阀体设计 图18中低压阀体设计图例 46 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 47 中腔内径确定 48 阀体尺寸确定 49 阀体尺寸 50 2 1 4阀盖设计 图19阀盖设计图例 51 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 52 阀盖尺寸确定 53 阀盖尺寸 54 上密封座 55 轴承压盖尺寸 56 填料压套尺寸 57 填料压板尺寸 58 阀杆螺母尺寸 59 手轮尺寸 60 活接螺栓尺寸 61 推荐闸阀规格与活接螺栓 62 2 1 5阀杆设计 图20阀杆设计图例 63 阀杆尺寸确定 64 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 包括梯形螺纹有效长度 65 阀杆尺寸计算 66 2 1 6装配设计 图21装配顺序图例 67 装配尺寸链校核 图22装配尺寸链校核 68 2 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 11P a2 15P d2 4 式中 Hmin 单闸板最小厚度 mm 11 系数 15 系数P 阀门工作压力 kgf cm2a 闸板弹性槽根部半径 mmd 阀座密封面内径 mm 材料许用应力 kgf cm2闸板厚度H 2Hmin 69 上例中 11 0 427 15 0 352P 50kgf cm2a 67 5mmd 209mmt 1 5mm 980kgf cm2则 计算结果 Hmin 23 5mmH 47 70 2 2 2阀体壁厚计算 t 1 5 pd 0 9 1 2P 式中 t 阀体计算壁厚 mmd 阀体计算内径 mm 材料许用应力 kgf cm2P 阀门工作压力 kgf cm2T t Ma CF SR式中 SR 特殊要求增加壁厚 mm 71 上例中 d 203mm 980kgf cm2P 50kgf cm2Ma 2 5mmCF 0mmSR 0则 T 17 3mm 图纸取17 5mm 72 2 2 3阀座密封比压计算 设计原则 qmf q q q qmf 1 1 1 tg dm bm p 4 bm式中 q 阀座计算比压 MPaqmf 密封必须比压 MPa 见 阀门设计手册 P427 摩擦系数 0 3 0 5 用于水 取下限 用于蒸汽取上限 闸板半角dm 阀座密封面内径 mmbm 阀座密封面有效宽度 mmp 工作压力 MPa 73 上例中 dm 205bm 5 5 5 0 35则 q 71 8MPaqmf 8 0MPa q 80MPa 见 阀门设计手册 P428 焊STELLITE HRc 40 q q 合格 74 2 2 4阀杆操作力计算 阀杆操作力F Fg Fe FsFg dshpu 10Fe ds2P 400Fs d2P 400式中 Fg 填料摩擦力 kgfFe 阀杆活塞效应力 kgfFs 密封面摩擦力 kgfds 阀杆直径 mmh 填料函深度 mmpu 阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积 kgf cm2P 阀门工作压力 kgf cm2 摩擦系数 0 3 0 5 用于水 取下限 用于蒸汽取上限 75 76 阀杆操作扭矩 阀杆操作扭矩T F 1000式中 T 阀杆操作扭矩 kgf m 阀杆梯形螺纹系数 mm 见 阀门设计手册 P446 阀杆应力校核 F A 式中 阀杆应力A 梯形螺纹根部面积 mm2 kgf cm2A dt2 4dt 梯形螺纹根部直径 mm 77 在上例中 ds 36mmh 63mmdt 29mm 4 42mmpu 16kgf cm2P 50kgf cm2 78 则 F 9110 7kgfFg 1140 0kgfFe 508 9kgfFs 746 1kgf 13 8kgf cm2