闸阀基础知识与设计计算F版

1、闸阀基础知识及设计计算F版,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

2、械产品的总体（ 见GB/T21465-2008 2.1） 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 Z43F25-100,1.3.2

3、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-200,1.3.3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 Z962Y320C9-225,1.3.4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 Z41Y100-150,1.4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

4、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，bmin4.5mm PN16.0MPa以上阀门，bmin7.0mm,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

5、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=50 kgf/cm2 NPS=8 则， S=3.246 kgf/cm2 dw =224mm,阀座圈高度计算：,H=int（a*dw）+ 式中， H阀座

6、圈高度，mm a系数 150300Lb，a= 0.075 600900Lb，a=0.13 1500Lb，a=0.18 20002500Lb，a=0.2 3500Lb，a=0.25 常数，mm。值根据a值反向选取，即a越大值越小 =08mm,上例中， a= 0.075 dw =224mm 取，=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

7、)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,阀体流道最小直径（见ASME B16.34-2009 P18 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35，3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1/22/3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。,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。

8、但应满足标准要求的最小磨损余量。,闸板尺寸确定,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,阀体尺寸确定,阀体尺寸,结构长度（见 ASME B16.10-2009 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

9、 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,阀盖尺寸,填料宽度 （见API 5.9.1）,阀盖填料函最小壁厚 (见API600 11th 5.2),阀杆最小直径 （见API600 11th 5.8.4）,上密封座,图23 上密封座,填料压套尺寸,图24 填料压套,填料压板尺寸,图25 填料压板,活接螺栓尺寸,图26 活结螺栓,阀杆螺母尺寸,图27 阀杆螺母栓,轴承压盖尺寸,图28 轴承压盖,2.1.5阀杆设计,图28 阀杆设计图

10、例,阀杆尺寸确定,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,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,2.2闸阀设计

11、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/cm2 a闸板弹性槽根部半径，mm d阀座密封面内径，mm 材料许用应力，kgf/cm2 闸板厚度 H=2Hmin/cosa +J,上例中， 11=0.427， 15=0.352 P=50 kgf/cm2 a=67.5 mm d=209 mm t=1.5 mm =980 kgf/cm2 J=8mm 则，计算结果，Hmin=22.5 mm H=53,闸板受力分析,刚性单闸板,弹性闸板,2.2.2阀体壁厚

12、计算,t=1.5*d*0.9/(-1.2P) 式中, t阀体计算壁厚, mm d阀体计算内径，mm 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=203 mm =980 kgf/cm2 P=50 kgf/cm2 Ma=2.5mm CF=0 mm SR=0 则，T=17.3 mm。图纸取17.5mm。,2.2.3阀座密封比压计算,设计原则： qmfqq q= qmf+（1+1/（1-tg）)*(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

13、） 摩擦系数（0.30.5，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，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 =5 =0.35 则， q=71.8 MPa qmf=13.5 MPa（按PN64 阀门设计手册P427） q=80 MPa（见阀门设计手册P428，焊STELLITE，HRc40） qmfqq，合格,许用比压（见阀门设计手册P426427）,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=dshpu/10 Fe=ds2P/400 Fs=d2P/400

14、 式中， Fg填料摩擦力，kgf Fe阀杆活塞效应力，kgf Fs密封面摩擦力，kgf ds阀杆直径，mm h填料函深度，mm pu阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积，kgf/cm2 P阀门工作压力，kgf/cm2 摩擦系数（0.30.5，用于水，取下限，用于蒸汽取上限）,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/cm2 A=dt2/4 dt梯形螺纹根部直径，mm,在上例中， ds=36mm h=63 mm dt=29 mm =4.42 mm pu=16 kgf/cm2 P=50 kgf/cm2,则， F=9110.7kgf Fg=1140.0kgf Fe=508.9kgf Fs=746.1kgf =13.8 kgf/cm2 T=40.3kgf-m D=1000*40.3/2/45=447mm(两人操作，用力45kgf) 图纸设计为450mm,阀杆受力分析,小结 设计流