2022年闸阀基础知识及设计计算 .pdf

1 闸阀基础知识及设计计算永嘉科技中心胡老师2009-11-27日电话通知：2009.12.23日（周三 周四）为阀门培训班讲课。内容有：闸阀基础知识闸阀设计计算时间： 11.5 天，上下午各3 小时，共69 课时。上午 8： 3011： 30，下午 14 ：0017：00 课时计划第一部分：闸阀基础知识，参数、型号类别、典型结构及工作原理。第二部分：闸阀设计计算。重点：闸阀类别、原理及计算难点：承压件及阀杆计算目录第一部分：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 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/T21465-2008 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、气体名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 28 页 - - - - - - - - - 2 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。1.2.5.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）1.2.6.密度与比容单位容积物质的质量称为密度，单位为“千克/ 米3。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。 =1.2.7.流动状态：层流和紊流层流：各层之间不相混杂的分层流动叫做层流。湍流：流动具有混杂、紊乱的特征时叫做湍流。1.2.8.雷诺数英国物理学家雷诺曾作过试验并得到判断流型的计算式，称为雷诺公式：Re=Vd/ ，式中，V 为流速， m/s，d 为管子直径， m., 为运动粘度，单位m2/s。因此，雷诺数Re 是个无量纲常数，当Re 2320 时为层流，Re 2320 为紊流，所以，Re2320称之为临界雷诺数。1.2.9.水锤当管道中介质流速因某种外界原因发生急剧变化时，将引起液体内部压力产生迅速交替升降，这种交替升降的压力作用在管壁、阀门或其它管路元件上好像锤击一样，故称为水击（或水锤） 。1.2.10.汽蚀由液体中逸出的氧气等活性气体，借助气泡凝结时放出的热量，会对金属起化学腐蚀作用。这种气泡的形成发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程，称为汽蚀现象。气穴、空化。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 28 页 - - - - - - - - - 3 1.2.11.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=1.02kgf/cm2=100000Pa=0.1MPa。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：1.2.12.流阻系数和压力损失由于流体存在粘性，流体流动中与管道壁面以及流体自身的摩擦所造成的阻力称为沿程阻力，沿程阻力所造成的流体能量损失称为沿程损失。沿程阻力系数常用表示。局部损失当流动边界发生急剧变化时，比如在流动方向发生改变的弯管处、管径改变的变径处、产生额外阻力的阀门等局部阻力存在而产生的能量损失，称为局部损失。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系数常用表示。局部阻力的分类：流向改变流速改变方向大气压力真空度表压力（相对压力）绝对真空绝对压力绝对压力、相对压力与真空度间的相互关系绝对压力名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 28 页 - - - - - - - - - 4 1.2.13.流量系数 Cv 流量系数Cv，指温度为60F 的水在规定的开启位置下压力损失为1 磅时流经阀门的流量，单位是 g/min （每分钟美制加仑） 。流量系数Kv， 指温度为 540的水流过在规定的开启位置下压力损失为1 巴的阀门时的流量，单位是 m3/h（每小时立方米） 。Cv=28 Kv /24 1.2.14.噪声噪声是发生体做无规则振动时发出的声音。通常是指那些难听的，令人厌烦的声音。引起人们烦躁，甚至危害人体健康的声音。噪音的波形是杂乱无章的。从环境保护的角度看，凡是影响人们正常学习，工作和休息的声音凡是人们在某些场合 “ 不需要的声音” ，都统称为噪声。如机器的轰鸣声，各种交通工具的马达声、鸣笛声，人的嘈杂声及各种突发的声响等，均称为噪声。一般，阀门噪声在距离阀体1 米处测试不超过85 分贝。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 （Mpa ）或磅级 （CLASS psig/in2）表示。 如 PN1.6、PN2.0、PN2.5、PN4.0、PN5.0、 PN6.4、PN10.0、PN16.0、PN25.0、PN32.0、PN42.0， 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。1.3.2阀门零件：组成阀门外部壳体的零件一般有阀体和阀盖；内部零件（简称内件）一般有关闭件（闸板或阀瓣） 、阀座及阀杆；密封件填料、垫片；操作件手轮等。动件操作阀门有移动或转动的关闭件，如闸板，阀瓣。静件操作阀门时没有动作的关闭件，如阀座。密封面动、静关闭件相互接触，形成接触密封的表面。密封副形成密封的两个或几个密封件接触面。闸阀典型结构见下图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 28 页 - - - - - - - - - 5 参考图例：图 2 球阀图 3 蝶阀名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 28 页 - - - - - - - - - 6 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 暗杆闸阀名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 28 页 - - - - - - - - - 7 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 钢性闸阀图 1、图 8均为弹性闸阀1.5 闸阀的作用切断和导通介质。按产值比重，闸阀应用最广。大约占1/2 之多。如电厂主蒸汽、主给水系统等。2. 闸阀设计计算以 300Lb-14 ”为例2.1 零件设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 28 页 - - - - - - - - - 8 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 螺纹阀座图 12 焊接阀座胀圈阀座见图9 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 28 页 - - - - - - - - - 9 图 13 螺纹阀座零件图例一般适用于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）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 28 页 - - - - - - - - - 10 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 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 28 页 - - - - - - - - - 11 阀座圈厚度计算：do=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5 S=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100) 式中，do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/cm2do =224mm 阀座圈高度计算：H=int （a*dO）+式中，H阀座圈高度，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 =08mm 上例中，a= 0.075 do =224mm 取， =5 则，H=22mm 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 28 页 - - - - - - - - - 12 2.1.2闸板设计图 15 中低压闸板零件图例名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 28 页 - - - - - - - - - 13 图 16 高压闸板图例闸板楔角一般为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1/22/3宽度与阀座密封面相吻合。即，0.5832T 原则。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。但应满足标准要求的最小磨损余量。闸板的加工：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 28 页 - - - - - - - - - 14 aa图 17 闸板斜抬2.1.3阀体设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 28 页 - - - - - - - - - 15 图 18 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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 28 页 - - - - - - - - - 16 验证D、Do、DwD=Do/Dw（二者较大值） +1525mm （国内铸造水平）D=Do/Dw（二者较大值） +610mm （国外先进铸造水平）闸板最大实体尺寸 ,Do或Dw 二者取较大值.阀体中腔内径阀体外径 =D+2t阀体壁厚（计算或引用标准值）DoDwD名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 28 页 - - - - - - - - - 17 aaaa阀体阀座孔的加工阀座密封面加工2.1.4阀盖设计图 19 阀盖设计图例名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 28 页 - - - - - - - - - 18 设计要点连体支架或分体支架：DN200以下，采用连体支架，DN250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。2.1.5阀杆设计图 20 阀杆设计图例设计要点：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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 28 页 - - - - - - - - - 19 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。2.1.6装配设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 28 页 - - - - - - - - - 20 图 21 装配顺序图例名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 28 页 - - - - - - - - - 21 装配尺寸链校核HoH, HHt okHo H6-h3=719.5-489.5=230Hh2-h1=358.5-137.5=221HtD+d)/2=(235+203)/2=219HH6H5H4H3H2H1Hh0h1h2h3H图 22 装配尺寸链校核名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 28 页 - - - - - - - - - 22 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=SQR ( 11Pa2+15Pd2/4)/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，mm d阀座密封面内径，mm 材料许用应力，kgf/cm2闸板厚度H=2Hmin，mm 上例中，11=0.427 ，15=0.352 P=50 kgf/cm2a=67.5 mm d=209 mm t=1.5 mm Ma=3 mm CF=3 mm =980 kgf/cm2则，计算结果，Hmin=23.5 H=47 mm 2.2.2阀体壁厚计算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/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 上例中，d=203 mm =980 kgf/cm2 P=50 kgf/cm2Ma=2.5mm CF=0 mm 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 28 页 - - - - - - - - - 23 SR=0 则， T=17.3 mm 2.2.3密封比压计算设计原则：qmf 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）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=8.0 MPa q=80 MPa （见阀门设计手册P428，焊 STELLITE，HRc40 ）qq ，合格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 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/cm2P阀门工作压力，kgf/cm2摩擦系数阀杆操作扭矩T=F*/1000 式中，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 28 页 - - - - - - - - - 24 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= dt2/4 dt 梯形螺纹根部直径，mm 在上例中，ds=36mm h=63 mmdt=29 mm =4.42 mm pu=16 kgf/cm2P=50 kgf/cm2则，F=9110.7kgfFg=1140.0kgf Fe=508.9kgf Fs=746.1kgf=13.8 kgf/cm2T=40.3kgf-m D=1000*40.3 /2/45=447mm( 两人操作，用力45kgf)图纸设计为450mm 附：不好的阀座设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 28 页 - - - - - - - - - 25 阀座内径小于通道直径名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 28 页 - - - - - - - - - 26 焊缝直径太小名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 28 页 - - - - - - - - - 27 闸板受力分析单闸板弹性闸板阀杆受力分析名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 28 页 - - - - - - - - - 28 FsP*AFeFg管内实际流体流动情况名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 28 页，共 28 页 - - - - - - - - -