截止阀基础知识与设计计算课件

截止阀基础知识及设计计算

魏玉斌2011年8月截止阀基础知识及设计计算

魏玉斌2011年8月欢迎请自觉遵守和维护课堂秩序欢迎请自觉遵守和维护课堂秩序目录

1截止阀基础知识、典型结构及工作原理

1.1阀门的定义

1.2截止阀结构特点

1.3截止阀类型

1.4截止阀用途

2截止阀设计计算

2.1零件设计：

2.1.1阀座密封面设计

截止基础知识及设计计算目录截止基础知识及设计计算2.1.2阀瓣设计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截止阀设计计算：2.2.1阀瓣厚度计算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2.2.5活接螺栓及填料压板强度计算附录：密封原理2.1.2阀瓣设计1.截止阀基础知、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.截止阀基础知、典型结构及工作原理1.1阀门的定义1.2截止阀结构特点

一般来说，截止阀由阀体、阀瓣、阀盖、阀杆等组成。如下图，阀体、阀盖为承压件，阀瓣、阀杆为内件。典型的螺栓连接阀盖截止阀结构如下图。1.2截止阀结构特点一般来说，截止阀由阀体、阀瓣、阀截止阀典型结构图图1J41H150Lb-3”法兰连接手动截止阀截止阀典型结构图图1J41H150Lb-3”法兰连接手1.3截止阀类型1.3.1按流道形状分：直通型、直流型和角式流道图2直通式截止阀J41H16C-150图3直流式截止阀（Y型截止阀）J65Y160P-1001.3截止阀类型1.3.1按流道形状分：直通型、直流型和角式图4角式截止阀J44H25-80图4角式截止阀J44H25-801.3.2其它分类方式：双阀瓣截止阀、Z型截止阀、针形截止阀、三通截止阀等图5双阀瓣截止阀

J41H25-200

图6Z型截止阀J62YP54100V-501.3.2其它分类方式：双阀瓣截止阀、Z型截止阀、针形截止图7针型阀图8三通阀图7针型阀图8三通阀1.4截止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%、调节阀8%、止回阀7%、球阀3%、其它阀门3%。1.4截止阀用途广泛适用于石油化工、天然气、电厂的水、蒸汽、2.截止阀设计计算

下面以150Lb-3”截止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、焊接阀座、螺纹阀座。形状如下图图9本体堆焊阀座

图10焊接阀座2.截止阀设计计算

下面以150Lb-3”截止阀图11螺纹阀座图11螺纹阀座图12焊接阀座零件图例图12焊接阀座零件图例美标阀门一般采用螺纹阀阀座或焊接阀座，国标阀门大多采用本体堆焊密封面。阀座的受力分析。美标阀门一般采用螺纹阀阀座或焊接阀座，国标阀门大多采用本体堆阀座圈厚度计算dO=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5S=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100)式中，dO——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,MPa。NPS——英制阀门规格。CLASS——压力等级数值。对于3”——150Lb阀门d=76mmPmax=20kgf/cm2

。NPS=3则，S=1.994kgf/cm2dO=88mm阀座圈厚度计算dO=d*SQRT(Pmax/(100s)+1阀座圈高度计算：H=int（a*dO）+Δ式中，H——阀座圈高度，mma——系数150~300Lb，a=0.105600~900Lb，a=0.131500Lb，a=0.182000~2500Lb，a=0.23500Lb，a=0.25Δ——常数，mm。Δ值根据a值反向选取，即a越大Δ值越小Δ=0~8mm上例中，a=0.105dO=88mm取，Δ=8则，H=18mm阀座圈高度计算：上例中，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)——取末尾数为5的整倍数M=10int(M/10)——取末尾数为0的整数int——整数函数阀座样图尺寸确定阀座样图尺寸确定2.1.2阀瓣设计图13阀瓣零件图例2.1.2阀瓣设计图13阀瓣零件图例阀瓣设计原则

阀瓣密封面角度一般比阀座小0°～15°。常见锥角组合如下表：角度越小越容易密封，但是，越容易楔死。反之亦然。原则上阀瓣密封面中径等于阀座的密封面中径，并保持足够宽度，使得阀瓣密封面完全覆盖阀座密封面。阀瓣设计原则阀瓣密封面角度一般比阀座小0°～15°。常见锥阀瓣尺寸确定阀瓣尺寸确定阀瓣尺寸阀瓣尺寸阀瓣压盖尺寸确定阀瓣压盖尺寸确定2.1.3阀杆设计2.1.3阀杆设计截止阀基础知识与设计计算课件截止阀基础知识与设计计算课件2.1.3阀体设计图14阀体设计图例2.1.3阀体设计图14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组装尺寸中法兰阀体中心高设计要点：中腔内径确定阀瓣最大外径+（8~15）mm中腔内径确定阀瓣最大外径+（8~15）mm阀体尺寸确定阀体尺寸确定截止阀基础知识与设计计算课件截止阀基础知识与设计计算课件阀体尺寸阀体尺寸截止阀基础知识与设计计算课件截止阀基础知识与设计计算课件截止阀基础知识与设计计算课件结构长度（见ASMEB16.10-2009表1）结构长度（见ASMEB16.10-2009表1）阀体通道直径、最小壁厚及阀杆直径（见BS1873附录A表3）阀体通道直径、最小壁厚及阀杆直径（见BS1873附录A2.1.4阀盖设计图15阀盖设计图例2.1.4阀盖设计图15阀盖设计图例阀盖设计要点阀盖壁厚等于阀体壁厚上密封设计：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。阀盖设计要点阀盖壁厚等于阀体壁厚

阀盖尺寸阀盖尺寸截止阀基础知识与设计计算课件截止阀基础知识与设计计算课件上密封座图16上密封座上密封座图16上密封座填料压套尺寸图17填料压套填料压套尺寸图17填料压套填料压板尺寸图18填料压板填料压板尺寸图18填料压板活接螺栓尺寸图19活结螺栓活接螺栓尺寸图19活结螺栓截止阀基础知识与设计计算课件2.1.6装配设计图20装配顺序图例2.1.6装配设计图20装配顺序图例装配尺寸链校核图21装配尺寸链校核装配尺寸链校核图21装配尺寸链校核2.2截止阀设计计算：2.2.1阀瓣强度计算σ=σ1+σ2σ＜[σ]，合格σ1=β6*PF*a2/h2，σ2=0.75*Pa2/h2PF=F/(πb2)式中，σ——阀瓣应力，MPaσ1——阀杆作用力在垫块产生的应力，MPaσ2——介质压力在阀瓣上产生的应力，MPaβ6——系数PF——阀杆作用力在垫块是上的压力，MPaP——阀门工作压力，MPaF——阀杆总作用力，N。（见阀杆操作力计算）a——阀座支撑面半径，mmb——垫块半径，mm[σ]——材料许用应力，MPa2.2截止阀设计计算：上例中，β6=0.36，P=2.0MPaF=16049.6Na=38mmb=10mm[σ]=104MPa计算结果，σ1=34.76MPa,σ2=4.475MPaσ=39.24MPa＜[σ]OK上例中，阀瓣受力分析阀瓣受力分析2.2.2阀体壁厚计算t=1.5*d*0.9/([σ]-1.2P)式中,t——阀体计算壁厚,mmd——阀体计算内径，mm[σ]——材料许用应力，MPaP——阀门工作压力，MPaT=t+Ma+CF+SR式中,Ma——铸造偏差，mmCF——腐蚀余量，mmSR——特殊要求增加壁厚，mm2.2.2阀体壁厚计算t=1.5*d*0.9/([σ]-1.上例中，d=130mm[σ]=98MPaP=2.0MPaMa=2.5mmCF=3mmSR=0则，T=7.3mm。图纸取10.5mm，OK。上例中，2.2.3阀座密封比压计算设计原则：qmf<q<[q]q=Qmz/(π（d+bm

）bm

，MPaQmz=Qmf+Qmj，NQmf=π（Dmn+bm）bm*sina*(1+fm/tga)*qmf，NQmj=π/4（Dmn+bm）2P，Nqmf=（3.5+P）/SQRT（bm）式中，Qmz——阀座密封面总作用力，NQmf——阀座密封必须作用力，NQmj——阀座密封面介质静作用力，Nq——阀座计算比压，MPaqmf——密封必须比压，MPa（见《阀门设计手册》P427）a——阀瓣半锥角。dm——阀座密封面内径，mmbm——阀座密封面有效宽度，mmp——工作压力，MPa2.2.3阀座密封比压计算设计原则：上例中，dm=76bm=3a=30°P=2.0MPa则，q=19.93MPaqmf=10.04MPa[q]=45MPa（见《阀门设计手册》P428，焊马氏体不锈钢，HRc35～40）qmf<q<[q]，合格上例中，许用比压（见《阀门设计手册》P426~427）许用比压（见《阀门设计手册》P426~427）密封面许用比压（见《阀门设计手册》P428）密封面许用比压（见《阀门设计手册》P428）2.2.4阀杆操作力计算及强度校核阀杆操作力F=Fg+Fs1+Fc-Fs2Fg=πds*h*puFs1=πd*d*P1/4Fc=π（d02-d2）K（P1-P2）/4Fs2=π（d02-ds2）P2/4式中，Fg——填料摩擦力，NFs1——阀前压力产生的作用力,NFc——密封面所需必须密封力，NFs2——阀后压力产生的作用力，Nds——阀杆直径，mmd-——阀座密封面内径，mmdO——阀座密封面外径，mmh——填料函深度，mmK——面压系数pu——阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积，MPaP1——阀前压力，MPaP2——阀后压力，MPa2.2.4阀杆操作力计算及强度校核阀杆操作力填料系数（阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积）PuMPa

15030060090015002000250035004500石墨石棉0.80.80.80.81.01.31.41.61.6柔性石墨1.61.61.81.82.22.52.73.13.1PTFE0.40.40.40.40.50.650.70.80.8填料系数（阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积）PuMPa在上例中，ds=26mmh=45mmd=76mmdO=79mmK=1.5pu=1.6MPaP1=20MPaP2=0在上例中，则，F=16050NFg=5881NFs1=9073NFc=1096NFs2=0则，阀杆强度校核σy=F/AA=πDt2/4式中，σy——关闭时阀杆应力，MPaF——阀杆最大操作力，NA——阀杆有效断面积,mm2Dt——梯形螺纹小径，mm上例中，Dt=20.5σy=48.6MPa[σy]=360MPaσy＜[σy],OK阀杆强度校核σy=F/A阀杆操作扭矩阀杆操作扭矩T=F*β/1000式中，T——阀杆操作扭矩，N-mβ——阀杆梯形螺纹系数，mm（见《阀门设计手册》P556)

上例中，Β=3.3T=53Nm操作手轮需要的力：Fs=T/DsDs——手轮直径，m.上例中，Ds=0.28m则，Fs=53/0.28=189.3N=19kgf阀杆操作扭矩阀杆操作扭矩阀杆受力分析阀杆受力分析2.2.6活接螺栓及填料压板强制计算2.2.6活接螺栓及填料压板强制计算截止阀基础知识与设计计算课件练习题一、参照设计。根据3”—150Lb例子，设计2”—150Lb和4”—150Lb截止阀。设计数据：阀体流道直径，51、102mm阀体最小壁厚8.7、11.1mm阀杆直径20、30mm结构长度203、292mm试确定：阀座、阀瓣、阀体、阀盖、阀杆主要设计尺寸二、绘制2”—150Lb截止阀阀座、阀瓣、阀体、阀盖零件图。练习题一、参照设计。根据3”—150Lb例子，设计2”—15小结

小结

附录：密封原理强制密封、半自动密封附录：密封原理强制密封、半自动密封强制密封型式强制密封型式谢谢大家谢谢大家截止阀基础知识及设计计算

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1截止阀基础知识、典型结构及工作原理

1.1阀门的定义

1.2截止阀结构特点

1.3截止阀类型

1.4截止阀用途

2截止阀设计计算

2.1零件设计：

2.1.1阀座密封面设计

截止基础知识及设计计算目录截止基础知识及设计计算2.1.2阀瓣设计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截止阀设计计算：2.2.1阀瓣厚度计算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2.2.5活接螺栓及填料压板强度计算附录：密封原理2.1.2阀瓣设计1.截止阀基础知、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.截止阀基础知、典型结构及工作原理1.1阀门的定义1.2截止阀结构特点

一般来说，截止阀由阀体、阀瓣、阀盖、阀杆等组成。如下图，阀体、阀盖为承压件，阀瓣、阀杆为内件。典型的螺栓连接阀盖截止阀结构如下图。1.2截止阀结构特点一般来说，截止阀由阀体、阀瓣、阀截止阀典型结构图图1J41H150Lb-3”法兰连接手动截止阀截止阀典型结构图图1J41H150Lb-3”法兰连接手1.3截止阀类型1.3.1按流道形状分：直通型、直流型和角式流道图2直通式截止阀J41H16C-150图3直流式截止阀（Y型截止阀）J65Y160P-1001.3截止阀类型1.3.1按流道形状分：直通型、直流型和角式图4角式截止阀J44H25-80图4角式截止阀J44H25-801.3.2其它分类方式：双阀瓣截止阀、Z型截止阀、针形截止阀、三通截止阀等图5双阀瓣截止阀

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图6Z型截止阀J62YP54100V-501.3.2其它分类方式：双阀瓣截止阀、Z型截止阀、针形截止图7针型阀图8三通阀图7针型阀图8三通阀1.4截止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%、调节阀8%、止回阀7%、球阀3%、其它阀门3%。1.4截止阀用途广泛适用于石油化工、天然气、电厂的水、蒸汽、2.截止阀设计计算

下面以150Lb-3”截止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、焊接阀座、螺纹阀座。形状如下图图9本体堆焊阀座

图10焊接阀座2.截止阀设计计算

下面以150Lb-3”截止阀图11螺纹阀座图11螺纹阀座图12焊接阀座零件图例图12焊接阀座零件图例美标阀门一般采用螺纹阀阀座或焊接阀座，国标阀门大多采用本体堆焊密封面。阀座的受力分析。美标阀门一般采用螺纹阀阀座或焊接阀座，国标阀门大多采用本体堆阀座圈厚度计算dO=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5S=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100)式中，dO——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,MPa。NPS——英制阀门规格。CLASS——压力等级数值。对于3”——150Lb阀门d=76mmPmax=20kgf/cm2

。NPS=3则，S=1.994kgf/cm2dO=88mm阀座圈厚度计算dO=d*SQRT(Pmax/(100s)+1阀座圈高度计算：H=int（a*dO）+Δ式中，H——阀座圈高度，mma——系数150~300Lb，a=0.105600~900Lb，a=0.131500Lb，a=0.182000~2500Lb，a=0.23500Lb，a=0.25Δ——常数，mm。Δ值根据a值反向选取，即a越大Δ值越小Δ=0~8mm上例中，a=0.105dO=88mm取，Δ=8则，H=18mm阀座圈高度计算：上例中，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)——取末尾数为5的整倍数M=10int(M/10)——取末尾数为0的整数int——整数函数阀座样图尺寸确定阀座样图尺寸确定2.1.2阀瓣设计图13阀瓣零件图例2.1.2阀瓣设计图13阀瓣零件图例阀瓣设计原则

阀瓣密封面角度一般比阀座小0°～15°。常见锥角组合如下表：角度越小越容易密封，但是，越容易楔死。反之亦然。原则上阀瓣密封面中径等于阀座的密封面中径，并保持足够宽度，使得阀瓣密封面完全覆盖阀座密封面。阀瓣设计原则阀瓣密封面角度一般比阀座小0°～15°。常见锥阀瓣尺寸确定阀瓣尺寸确定阀瓣尺寸阀瓣尺寸阀瓣压盖尺寸确定阀瓣压盖尺寸确定2.1.3阀杆设计2.1.3阀杆设计截止阀基础知识与设计计算课件截止阀基础知识与设计计算课件2.1.3阀体设计图14阀体设计图例2.1.3阀体设计图14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组装尺寸中法兰阀体中心高设计要点：中腔内径确定阀瓣最大外径+（8~15）mm中腔内径确定阀瓣最大外径+（8~15）mm阀体尺寸确定阀体尺寸确定截止阀基础知识与设计计算课件截止阀基础知识与设计计算课件阀体尺寸阀体尺寸截止阀基础知识与设计计算课件截止阀基础知识与设计计算课件截止阀基础知识与设计计算课件结构长度（见ASMEB16.10-2009表1）结构长度（见ASMEB16.10-2009表1）阀体通道直径、最小壁厚及阀杆直径（见BS1873附录A表3）阀体通道直径、最小壁厚及阀杆直径（见BS1873附录A2.1.4阀盖设计图15阀盖设计图例2.1.4阀盖设计图15阀盖设计图例阀盖设计要点阀盖壁厚等于阀体壁厚上密封设计：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。阀盖设计要点阀盖壁厚等于阀体壁厚

阀盖尺寸阀盖尺寸截止阀基础知识与设计计算课件截止阀基础知识与设计计算课件上密封座图16上密封座上密封座图16上密封座填料压套尺寸图17填料压套填料压套尺寸图17填料压套填料压板尺寸图18填料压板填料压板尺寸图18填料压板活接螺栓尺寸图19活结螺栓活接螺栓尺寸图19活结螺栓截止阀基础知识与设计计算课件2.1.6装配设计图20装配顺序图例2.1.6装配设计图20装配顺序图例装配尺寸链校核图21装配尺寸链校核装配尺寸链校核图21装配尺寸链校核2.2截止阀设计计算：2.2.1阀瓣强度计算σ=σ1+σ2σ＜[σ]，合格σ1=β6*PF*a2/h2，σ2=0.75*Pa2/h2PF=F/(πb2)式中，σ——阀瓣应力，MPaσ1——阀杆作用力在垫块产生的应力，MPaσ2——介质压力在阀瓣上产生的应力，MPaβ6——系数PF——阀杆作用力在垫块是上的压力，MPaP——阀门工作压力，MPaF——阀杆总作用力，N。（见阀杆操作力计算）a——阀座支撑面半径，mmb——垫块半径，mm[σ]——材料许用应力，MPa2.2截止阀设计计算：上例中，β6=0.36，P=2.0MPaF=16049.6Na=38mmb=10mm[σ]=104MPa计算结果，σ1=34.76MPa,σ2=4.475MPaσ=39.24MPa＜[σ]OK上例中，阀瓣受力分析阀瓣受力分析2.2.2阀体壁厚计算t=1.5*d*0.9/([σ]-1.2P)式中,t——阀体计算壁厚,mmd——阀体计算内径，mm[σ]——材料许用应力，MPaP——阀门工作压力，MPaT=t+Ma+CF+SR式中,Ma——铸造偏差，mmCF——腐蚀余量，mmSR——特殊要求增加壁厚，mm2.2.2阀体壁厚计算t=1.5*d*0.9/([σ]-1.上例中，d=130mm[σ]=98MPaP=2.0MPaMa=2.5mmCF=3mmSR=0则，T=7.3mm。图纸取10.5mm，OK。上例中，2.2.3阀座密封比压计算设计原则：qmf<q<[q]q=Qmz/(π（d+bm

）bm

，MPaQmz=Qmf+Qmj，NQmf=π（Dmn+bm）bm*sina*(1+fm/tga)*qmf，NQmj=π/4（Dmn+bm）2P，Nqmf=（3.5+P）/SQRT（bm）式中，Qmz——阀座密封面总作用力，NQmf——阀座密封必须作用力，NQmj——阀座密封面介质静作用力，Nq——阀座计算比压，MPaqmf——密封必须比压，MPa（见《阀门设计手册》P427）a——阀瓣半锥角。dm——阀座密封面内径，mmbm——阀座密封面有效宽度，mmp——工作压力，MPa2.2.3阀座密封比压计算设计原则：上例中，dm=76bm=3a=30°P=2.0MPa则，q=19.93MPaqmf=10.04MPa[q]=45MPa（见《阀门设计手册》P428，焊马氏体不锈钢，HRc35～40）qmf<q<[q]，合格上例中，许用比压（见《阀门设计手册》P426~427）许用比压（见《阀门设计手册》P426~427）密封面许用比压（见《阀门设计手册》P428）密封面许用比压（见《阀门设计手册》P428）2.2.4阀杆操作力计算及强度校核阀杆操作力F=Fg+Fs1+Fc-Fs2Fg=πds*h*puFs1=πd*d*P1/4Fc=π（d02-d2）K（P1-P2）/4Fs2=π（d02-ds2）P2/4式中，Fg——填料摩擦力，NFs1——阀前压力产生的作用力,NFc——密封面所需必须密封力，NFs2——阀后压