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1、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
2、/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，
3、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Ns/m2。或Pa.s（帕.秒）单位体（容）积物质的
4、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
5、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
6、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
7、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.
8、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
9、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
10、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
11、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，bmin4.5mm PN16.0MPa以上阀门，bmin7.0mm,36,阀座圈厚
12、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=50 kgf/cm2NPS=8则，S=3.246 kgf/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150300Lb，a=0.075600900Lb，a=0.131500Lb，a=0.1820002500Lb，a=0.235
13、00Lb，a=0.25常数，mm=08mm,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。,42,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。但应满足
14、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
15、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.
16、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=50 kgf/cm2a=67.5 mmd=209 mmt=1.5 mm=980 kgf/cm2则，计算结果，Hmin=23.5 mmH=47,70,2.
17、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=203 mm=980 kgf/cm2P=50 kgf/cm2Ma=2.5mmCF=0 mmSR=0则，T=17.3 mm。图纸取17.5mm。,72,2.2.3阀座密封比压计算,设计原则：qmfqqq=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.
18、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，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=71.8 MPaqmf=8.0 MPaq=80 MPa（见阀门设计手册P428，焊STELLITE，HRc40）qq，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/cm2
19、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）,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，mm2kgf/cm2A=dt2/4dt梯形螺纹根部直径，mm,77,在上例中，ds=36mmh=63 mmdt=29 mm=4.42 mmpu=16 kgf/cm2P=50 kgf/cm2,78,则，F=9110.7kgfFg=1140.0kgfFe=508.9kgfFs=746.1kgf=13.8 kgf/cm2T=40.3kgf-mD=1000*40.3/2/45=447mm(两人操作，用力45kgf)图纸设计为450mm,79,闸板受力分析,刚性单闸板,弹性闸板,80,阀杆受力分析,81,阀体阀座孔的加工,阀体阀座孔的加工,阀座密封面的加工,82,闸板的加工：,83,附图：,不好的阀座设计,阀座内径小于通道直径,84,焊缝直径太小,85,练习题,一、参照设计。根据8”300Lb例子，设计6”300Lb闸阀。设计数据：阀体流道直径，150mm阀体最小壁厚16mm阀杆直径32mm结构长度403mm试确定：阀座、闸板阀体、阀盖、阀杆主要设计尺寸二、绘制8”300Lb闸阀阀座、闸板、阀体、阀盖零件图。,86,
