上海申弘閥門有限公司
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通用閥門設計計算 |
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通用閥門設計計算 上海申弘閥門有限公司 之前介紹萬溯化學擴建自立式減壓閥，現在介紹通用閥門設計計算閥門是一種壓力管道元件，它是用來改變管路斷面和介質流動方向、控制輸送介質的壓力、流量、溫度的一種裝置。它有以下幾種用途：構設計中代表性的截止閥閥體和閘閥閥體的結構設計。、維修等方面對閥門提出的全部要求。閥門設計必須明確給定的技術數據，即“設計輸入”在此基礎上方可正確完成設計。
（一）基本參數的確定1.公稱壓力PN GB/T1048-2005規定公稱壓力有兩個等級，即DIN系列和ANSI系列。也可按美標公稱壓力系列設計閥門。在GB/T12224-2005《鋼制閥門一般要求》中給出了標準壓力級和特殊壓力級各22種常用材料的壓力-溫度額定值，可作為設計材料的選用。在JB/T3595-2002《電站閥門 一般要求》中給出了不同公稱壓力PN的14種材料的壓力-溫度額定值，同時給出了CL150-CL4500 WC1,WC4,WC6,WC9的壓力-溫度額定值，可供電站閥門設計時材料選用。在美國機械工程師學會標準ASME B/16.34-2004《法蘭，螺紋和焊接連接的閥門》中給出了CL150-CL2500標準壓力級和特殊壓力級321種材料的壓力-溫度額定值，可供設計時選用。知道介質工作壓力，介質的工作溫度和承壓殼體材料，便可根據根據上述標準確定公稱壓力PN。 2.公稱尺寸DN 國標GB/T1047-2005中，規定了閥門的公稱尺寸。 美國工程機械師學會標準ASME B16.34-2004的附錄中給出了公稱管徑NPS的尺寸。 3.工作溫度 閥門零件的工作溫度與許多因素有關。如閥門結構，公稱尺寸大小，閥門周圍環境等，因此很難得出一致的數字。可選用相關資料的數值作為參考。 4.閥門的結構長度 不同國家的閥門結構長度有不用的規定，在這里不一一介紹，可查看實用閥門設計手冊。 5.法蘭連接或其他連接 不同國家，不同標準法蘭連接規定不同，選取時可查閱實用閥門設計手冊。 （二）閥門材料的選取選取原則 （1）滿足使用性要求：根據閥門工作條件，即介質的溫度，壓力，介質的性質（腐蝕性，有無顆粒，是否會被金屬離子污染）及閥門零件在閥門中起的作用，受力情況等進行選材。 （2）良好的工藝性：鑄造，鍛造性，機加工，熱處理，焊接等 （3）良好的經濟性：價值=性能/成本 在保證使用性能的前提下，力求良好的工藝性和經濟性。
一定范圍內通用閥門的主要零件材料已經標準化 JB/T5300-2008《工業用閥門材料 選用導則》 GB/T12224-2005《鋼制閥門 一般要求》 JB/T3595-2002《電站閥門 一般要求》 JB/T7248-2008《閥門用低溫鋼鑄件技術條件》 S.H3064-2003《石油化工鋼制通用閥門選用、檢驗和驗收》 中對某些閥門的零件應選什么材料作了規定。
1.閥體、閥蓋和閘板（閥瓣、碟板、球體）等直接承壓件的材料 （1）灰鑄鐵。適用于PN小于等于1.6MPa，介質工作溫度大于等于-10攝氏度，小于等于200攝氏度的低壓閥門。主要用于水、蒸汽、煤氣及油品等介質。常用的牌號有HT200、HT250、HT300、HT350 GB/T12226-2005《通用閥門 灰鑄鐵技術條件》 ASTM A48/A48M-2003(2008) ASTM A159/A159M-1993 中規定了灰鑄鐵的力學性能及化學成分。 （2）可鍛鑄鐵。適用于PN小于等于2.5MPa，介質工作溫度在-29攝氏度和300攝氏度之間。公稱尺寸小于等于100mm的閥門。主要用于蒸汽、空氣、油品的介質。常用的牌號有KTH300-06、KTH330-08、KTH350-10。 GB/T9440-1998 ASTM A47/A47M-1999(2004) ASTM A220/A220M-1999(2004) 中規定了可鍛鑄鐵的力學性能及化學成分。 （3）球墨鑄鐵。適用于公稱壓力PN小于等于4.0MPa，介質工作溫度在-29攝氏度和350攝氏度之間。主要用于水、蒸油、空氣及油品等介質。常用的牌號有QT400-18、QT400-15、QT450-10、QT500-7。 GB/T12227-2005 ASTM A536/A536M-1999(2004) ASTM A571/A571M-2001(2006) 中規定了球墨鑄鐵的力學性能及化學成分。 （4）碳素鋼。適用于PN小于等于32MPa，介質工作溫度在-29攝氏度和425攝氏度之間。主要用于水、蒸汽、空氣、氫氣、氨、氮、及石油產品等介質。常用的牌號有WCA、WCB、WCC、A105 鑄鋼：GB/T12229-2005 ASTM A216/A216M-2008 鍛鋼：GB/T12228-2006 ASTM A105/A105M-2005 中規定了碳素鋼的力學性能及化學成分。 （5)不銹鋼。常用的有奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼。常用的溫度范圍是-196攝氏度到+650攝氏度。具體什么牌號的不銹鋼zui高使用溫度，可查看GB/T12224-2005和ASME B16.34-2004中的壓力-溫度額定值表。 不銹鋼鑄件：GB/T12230-2005《通用閥門 不銹鋼鑄件技術條件》 ASTM A351/A351M-2006《承壓件用奧氏體鋼鑄件規范》 中規定了不銹鋼的力學性能、化學成分及熱處理規范。 不銹鋼鍛件：GB/T1220-2007 ASTM A182/A182M-2008中規定了其力學性能、化學成分、熱處理規范及焊補要求。 （6）高溫閥門用鋼。 碳素鋼和低合金鋼鑄件：JB/T9625-1999 JB/T5263-2005 ASTM A217/A217M-2004 中規定了力學性能、化學成分及熱處理規范 高溫殼體材料用鍛件：GB/T1221-1992 GB/T3077-1999 ASTM A182/A182M-2008 中規定了力學性能、化學成分及熱處理規范。 （7）低溫閥門用鋼。一般低溫系是指-19攝氏度到-269攝氏度。 閥門用低溫鋼鑄件：JB/T7248-2000 ASTM A352/A352M-2006中規定了鑄件牌號使用溫度、化學成分、力學性能及熱處理規范。 閥門用低溫鋼鍛件：ASTM A350/A350M-2007中規定了鍛件化學成 分、力學性能等。
2.密封面材料。 密封面材料的選取應根據不同的工作條件選擇。主要失效形式有：磨粒磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、沖蝕、擦傷。 （1）軟質材料。包括各種橡膠、尼龍、氟塑料等。具體的名稱、代號、牌號、適用溫度、適用介質等查相關資料。 （2）硬質材料。主要是指各種金屬，如銅合金、不銹鋼、硬質合金、碳化鎢等。具體的名稱、代號、牌號、適用溫度、適用介質等查相關資料。 同時密封面的配對也有要求，可查相關資料。 3.閥桿或閥座材料。 通常選取的是棒料或鍛件。GB/T699-1999 ASTM A182/A182M-2008中規定了相應的鋼種、化學成分、力學性能等。 4.焊接材料。 不同材料閥體所選用的焊接材料已經有規定。設計者可以查閱資料參考。 5.緊固件材料。 選擇原則：（1）按產品標準規定。（2）根據用戶提出的要求確定。（3）根據工況條件選擇：如工作壓力、溫度、環境狀況等。（4）參照有關的管道法蘭的緊固件材料及對緊固件的要求確定。 相關標準：GB 150-1998 ASTM A193/A193M-2008 ASTM A194/A194M-2008 ASTM A320/A320M-2008 6.墊片材料。 非金屬墊片：柔性石墨、聚四氟乙烯、無石棉墊片、橡膠墊片、等。其種類和性能指標可查閱相關資料。 半金屬墊片：金屬齒型/波齒復合墊片、金屬包覆墊片、纏繞式墊片等。其種類和性能指標可查閱相關資料。 金屬墊片：金屬齒形墊片、八角墊、橢圓墊、R型墊片、金屬透鏡墊等。其種類和性能指標可查閱相關資料。 7.填料。 填料的要求：降低填料對閥桿的摩擦力、防止填料對閥桿和填料函 的腐蝕、適應介質工況的需要。 常用填料品種：盤根型（高溫高壓閥門專業盤根、石墨填充PTFE纖維盤根、高溫高壓經濟型泵閥盤根、*耐磨損盤根、耐磨損盤根通用型合成纖維盤根、純PTFE盤根、潔凈型特種盤根），成形填料（尼龍、橡膠、聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、柔性石墨環、閥桿密封組合環），泥狀填料（白色、黑色泥狀填料） 8.閥桿螺母材料。 PN小于等于1.6MPa ZCuZn38Mn2Pb2 PN介于2.5和6.4MPa之間 ZCuAl10Fe3 高壓閥門可采用：ZCuZn2l6Fe3Ni2 2Cr13 1Cr18Ni9Cr17Ni2
（三）閥門密封的保證 保證閥門密封性的因素很多，所有這些因素不可能計算出，通常設計人員是根據產品的用途確定啟閉件的結構和密封尺寸，當計算啟閉力時，必須確定單位面積的壓力，即比壓。一般此值只能根據實驗來確定。設計時做到：qmf < q < [q] qmf:保證密封所需比壓。 q：實際工作比壓。 [q]：密封面材料的許用比壓。 qmf可查相關數據或者計算出來。 q的計算公式：q=FMZ/π(d+bm)bm d：閥座密封面內徑mm bm：閥座密封面寬度mm FMZ：出口端閥座密封面上的總作用力N [q]：密封面材料許用比壓可查相關表數據。 （四）主要通用零件的設計計算 1.閥體壁厚的確定 一：圓筒形及腰鼓形閥體、球形殼體 （1）薄壁脆性材料閥體： 對于灰鑄鐵及球墨鑄鐵制造的閘閥首先按GB/T12232-2005《通用閥門 法蘭連接鐵制閘閥》標準查出zui小壁厚 對于用灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵制的螺紋連接和法蘭連接的截止閥、節流閥、柱塞閥和升降式止回閥首先按GB/T12233-2004《通用閥門 鐵制截止閥與升降式止回閥》標準查出標準中給出的zui小壁厚 然后用*強度理論脆性材料壁厚計算式進行驗算。其計算式如下：tB=p.DN/(2[σL]-p)+C DN:閥體中腔zui大內徑 p:設計壓力，即公稱壓力PN tB：考慮附加裕量后閥體的壁厚 C:考慮鑄造偏差、工藝性和介質腐蝕等因素而附加的裕量（mm） （2）薄壁塑性材料閥體： 對于國標鋼制閥門按GB/T12224-2005《鋼制閥門 一般要求》 中給出的公式計算 ，然后查表確定zui小壁厚。 美標鋼制閥門按ASMEB16.34-2004《法蘭、螺紋和焊接端連接的閥門》中給出的公式計算，然后查表確定zui小壁厚。 其余的也是按相應標準給出的公式和表確定zui小壁厚。 再用第四強度理論壁厚計算式校驗。其計算式如下： tB=p.DN/(2.3[σL]-p)+C （3）厚壁閥體： 對于國標鋼制高壓閥門的閥體壁厚按GB/T12224-2005《鋼制閥門 一般要求》中給出的公式計算 美標鋼制CL4500以下的高壓閥門閥體按ASMEB16.34-2004《法蘭、螺紋和焊接端連接的閥門》中給出的公式計算 再按第四強度理論計算式校驗。其計算式如下： tB=DN.(K0-1)/2+C K0：閥體外徑與內徑之比計算式為K0=√[σ]/([σ]-p√3) 對于厚壁球形閥體按第四強度理論計算式校驗。其計算式如下：tB=2pr/（400[σ]-p)+C r：球形體內半徑。 注：當閥體外徑與內徑之比小于1.2時按薄壁容器計算。 當閥體外徑與內徑之比大于1.2時按厚壁容器計算。 二：非圓筒形閥體。 其校驗應根據該閥體形狀，取相應截面計算應力來驗算其壁厚。 2.閥體中法蘭連接的計算 在閥門承受工作壓力和工作溫度時，按作用力求得的螺栓和法蘭的安全系數應不低于規定值。 中法蘭連接的計算首先應滿足標準要求，然后按力學要求的計算式去驗算。 （1）標準要求的計算式。 1）國標鋼制閥門。 螺紋應符合GB/T193-2003的規定，螺紋的公差與配合應付給GB/T197-2003的規定。 2）美標鋼制閥門。 應滿足ASME.B16-2009《法蘭、螺紋和焊接連接的閥門》標準要求。 螺栓連接或螺紋連接在直接承受管道負荷或非直接承受管道負荷時，應滿足相應的公式要求。 （2）強度理論的計算式。 按強度理論要求，中法蘭連接的計算分為三部分：1.確定為保證連接的密封性、壓緊墊片所需的力。2.確定螺栓的尺寸和數量。3.確定法蘭尺寸。其計算方法可查閱相關資料。 3.閥蓋厚度的計算。 不同形式不同形狀，其計算式不同。其計算方法可查閱相關資料。 4.支架的計算。 應分別校驗不同斷面處的合成應力。其計算方法可查閱相關資料。 5.填料裝置的計算。 填料裝置包括：填料、填料壓蓋、填料壓套、填料壓板、活結螺栓、銷軸零件。計算時，先確定填料箱孔的主要尺寸參數。然后分別校驗不同零件的強度。其計算方法可查閱相關資料。 6.閥桿的計算。 首先閥桿必須滿足強度條件，然后對于細長桿的閥桿，還應校驗其直線形狀平衡的穩定性。其計算方法可查閱相關資料。 7.閥桿螺母的計算。 需要計算校驗閥桿螺母螺紋表面的擠壓應力、螺紋根部的剪切應力、螺紋根部彎曲應力。其計算方法可查閱相關資料。 8.滾動軸承的選擇。 為了減小操作力矩，一般在閥桿軸向力超過40000N的情況下，在閥桿螺母上裝有單向推力球軸承。分別計算基本額定動靜載荷是否滿足要求。其計算方法可查閱相關資料。 9.手輪直徑的確定。 主要根據閥桿或閥桿螺母上的zui大轉矩和可施加于手輪上的圓周力來選定。其計算方法可查閱相關資料。 10.彈簧的計算。 在安全閥、減壓閥、調節閥和固定球球閥都通常選用相應的彈簧。其計算方法可查閱相關資料。
（五）閥門零件的計算 1.截止閥和節流閥零件的計算。 1）密封面的設計與計算。4.2閥體的結構設計 閥座密封面內徑，對于國標閥門應按GB/T12224-2005的附錄A中選取或按GB/T12235-2007標準選取。對于美標閥門按ASME B16.34-2004中的附錄A選取。對于沒有標準的鑄鐵截止閥或節流閥，可取與公稱尺寸相同的尺寸。 閥座密封面的寬度與工程壓力、公稱尺寸和密封面材料有關，對于平面密封，可根據公稱尺寸參考相關數據查表選取。然后驗算其密封比壓。 閥瓣密封面的寬度，要根據閥門的結構確定，對閥瓣有導向的截止閥，閥瓣密封面的寬度取和閥座密封面寬度相同的尺寸。對閥瓣無導向的截止閥，閥瓣密封面寬度通常要比閥座密封面寬度大2-6mm 2)閥桿的強度驗算。 分三步：求得閥桿zui大軸向力，求得閥桿zui大的轉矩，計算不同截面的應力。其計算方法可查閱相關資料。 3）閥瓣厚度的計算。 閥瓣厚度的計算通常為計算器彎曲應力，其計算方法可查閱相關資。 4）節流閥閥瓣的設計。 大多是不是計算的，而是用近似的方法確定，其計算方法可查閱相關資。 2.閘閥零件的計算。 1）閘閥的結構設計符合相關的標準。如結構長度，法蘭尺寸，zui小壁厚，閘板zui小磨損行程，zui小閥桿直徑，閥體通道內徑等。 2）閥座密封的設計與計算。 閥座密封面內徑，對于堆焊的密封面，由于堆焊工藝的要求，一般比閥座內徑大4-5mm；對于非堆焊的密封面，一般取與閥座的內徑相同。 閥座密封面的寬度一取公稱尺寸的1/20到1/50，并且隨著公稱尺寸的增大，密封面寬度與公稱尺寸之比減小，一般取閥座密封面的寬度不小于5mm。 計算密封面上的總作用力和比壓。其計算方法可查閱相關資料。 3）閥桿的設計與計算。 計算出閘板作用于閥桿的軸向力，然后估算閥桿直徑，然后查閥門設計手冊，選取相應閥桿直徑，使得閥桿螺紋退刀槽直徑大于或等于相應標準中給出的閥桿zui小直徑。再進行閥桿強度的驗算。包括計算其軸向力，總轉矩，應力。其計算方法可查閱相關資料。 4）閘板的設計與計算。 首先對閘板密封面寬度和內徑進行選取。然后按閥門結構要素取得相應的尺寸如：T型槽、導軌槽等。選取可查閱相關資料。再驗算閘板的強度和剛度。其計算方法可查閱相關資料。 3.球閥零件的計算。 1）球閥通道截面直徑的選擇和球體直徑的確定。 球閥通道截面直徑的選擇符合相應標準的規定。如：GB/T19627-2005 GB/T20173-2006 API6D-2008/ISO14313:2007 球體半徑的確定應首先根據球體通道直徑和介質工作壓力來確定球體外圓半徑。再確定球閥密封時，所需的密封面寬度，然后再修改球體半徑，保證密封和強度要求。 2）浮動球球閥的設計計算。 包括：閥座密封面力的計算、閥座預緊力的確定、閥桿與球體連接部分的設計與計算、浮動球球閥總摩擦力矩的計算、閥桿頭部校驗。其計算方法可查閱相關資料。 3）固定球球閥的設計與計算。 包括：固定球球閥閥座密封比壓的計算、體腔內介質壓力超過1.33p時，閥座自動泄壓的計算、固定球球閥轉矩的計算、固定球球閥滑動軸承的承載能力、固定球球閥閥桿與球體連接部分強度計算、固定球球閥閥桿強度驗算。其計算方法可查閱相關資料。 4.蝶閥零件的計算。 包括：蝶閥閥座zui小通道直徑的確定、閥體zui小壁厚的確定、碟板中心處厚度的計算、蝶閥轉矩的計算、閥桿強度驗算、蝶板強度驗算、金屬密封蝶閥回轉軸心位置的確定。其計算方法可查閱相關資料。 5.旋塞閥零件的計算。 包括：旋塞通道的確定、旋塞的機構確定、旋塞的受力計算、旋塞的zui大力矩的計算、旋塞桿強度的校核。其計算方法可查閱相關資料。 6.其余的還有隔膜閥、調節閥、止回閥、減壓閥、安全閥、蒸汽疏水閥、低溫閥等的零件的計算。大致思路為：確定結構要素尺寸，密封面的計算，強度的校核等。其計算方法可查閱相關資料。 7.閥門驅動裝置的設計要則。 包括：輸出力或力矩的選定、運動速度的合理性、能源的正確選擇、應考慮配備的附屬機構。
（六）閥門的零部件 1.扳手、手柄和手輪。 扳手、手柄、手輪的尺寸和技術要求按JB/T93-2008中的規定。 2.螺母、螺栓和螺塞。 螺母、螺栓和螺塞的尺寸和技術要求按JB/T1700-2008中的規定。 3.軸承壓蓋。 軸承壓蓋的尺寸和技術要求按JB/T1702-2008中的規定。 4.填料和填料墊。 填料和填料墊的尺寸和技術要求按JB/T1712-2008中的規定。 5.墊片和止動墊圈。 墊片和止動墊圈的尺寸和技術要求按JB/T1718-2008中的規定。 6.襯套。 襯套的尺寸和技術要求按JB/T1703-2008中的規定。 7.閥瓣蓋和對開圓環。 閥瓣蓋和對開圓環的尺寸和技術要求按JB/T1726-2008中的規定。 8.頂心。 頂心的尺寸和技術要求按JB/T1741-2008中的規定。 9.氨閥閥瓣。 氨閥閥瓣的尺寸和技術要求按JB/T1749-2008中的規定。 10.接頭組件。 接頭組件的尺寸和技術要求按JB/T1754-2008中的規定。 11.卡套、卡套螺母。 卡套、卡套螺母的尺寸和技術要求按JB/T1757-2008中的規定。 12.高壓螺紋法蘭。 高壓螺紋法蘭的尺寸和技術要求按JB/T2769-2008中的規定。 13.高壓盲板。 高壓盲板的尺寸和技術要求按JB/T2772-2008中的規定。 14.隔環。 隔環的尺寸和技術要求按JB/T5208-2008中的規定。 15.閘閥閥座。 閘閥閥座的尺寸和技術要求按JB/T5211-2008中的規定。
(七)閥門結構要素，精度要求 閥桿頭部尺寸、上密封座尺寸、錐形密封面尺寸、閥體銅密封面尺寸、閘板和閥瓣銅密封面尺寸、楔式閘閥閥體閘板導軌和導軌槽尺寸、楔式閘閥閥體密封面間距和楔角尺寸、楔式閘板密封面尺寸、氨閥閥體密封面尺寸、承插焊連接和配管端部尺寸、外螺紋連接端部尺寸、卡套連接端部尺寸、板體尺寸、閘板或閥瓣T型槽尺寸、填料函尺寸、閥桿端部尺寸、閥瓣與閥桿的連接槽尺寸等。都有相關規定，具體查閱相關資料。各種閥的精度要求，公差配合也要查閱相關資料，一般未注公差尺寸的公差等級按GB/T1804-2000中規定的m級精度。與本文相關的產品有化工隔膜閥構造原理 |
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