大口径英标铸铁闸阀结构设计

【资料简介】

大口径英标铸铁闸阀结构设计​ 大口径明杆铸铁闸阀结构设计​ 英标铸铁闸阀结构设计​ 大口径闸阀设计

英标铸铁闸阀，在英国、新加坡、马来西亚和中东一些国家的供水管道和工业管道上被广泛使用，其结构特点见：开式齿轮传动闸阀见图1；闭式齿轮传动闸阀见图2。本文着重阐述了1.6MPaDN300～1000英标铸铁闸阀的阀体壁厚、阀盖壁厚、闸板壁厚、阀杆直径的设计计算和设计验证——型式试验。铸铁闸阀的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体方向相垂直，闸阀只能作全开和全关 , 不能作调节和节流。闸板有两个密封面 , 常用的模式闸板阀的两个密封面形成楔形、楔形角式阀门。Z41T铸铁闸阀按密封面配置可分为楔式闸板式闸阀和平行闸板式闸阀 , 楔式闸板式闸阀又可分为:单闸极式、双闸板式和弹性闸板式；平行闸板式闸阀可分为单闸板式和双闸板式。按阀杆的螺纹位置划分，可分为明杆闸阀和暗杆闸阀两种。铸铁闸阀可广泛用于自来水、污水、建筑、石油、化工、食品、医药、轻纺、电力、船舶、冶金、能源系统等体管线上作为调节和截流装置使用。

　　2 大口径英标铸铁闸阀结构设设计

　　2.1阀体壁厚的设计计算
　　BS5163、BS5150标推中并未给出壳体小壁厚的数据，设计时，必须对阀体壁厚进行设计计算。设计中发现，阀体壁厚的设计，除了考虑阀体强度之外，还应考虑阀体的刚度，即应将阀体体腔的变形(指在1．6MPa介质压力的作用下)控制在0．001DN范围之内，否则，阀体会因受力变形而无法达到密封。 

解决阀体刚度的方法，在阀体的外部、内腔设计加强筋，且阀体外部的加强筋与阀体的端法兰相连接，来达到增加阀体的刚性，必要时可设计成不等壁厚，即增加阀体近似椭圆形截面中腔部分的壁厚。 

设计时，阀盖壁厚S′B2通常不再进行设计计算，直接取阀体壁厚的0．95作为阀盖的壁厚。DN300～DN1000阀盖小壁厚数据。BS5163、BS5150标准中，同样未给出阀杆小直径的数据，设计时，必须对阀杆直径进行设计计算，其计算公式如下： 

式中K——阀杆设计计算系数，其中DN300～DN500，K取0．70～0．75；DN600～DNl00。K取0.60～0．65； 
BS5163、BS5150标推中并未给出壳体小壁厚的数据，设计时，必须对阀体壁厚进行设计计算。 
设计时，将阀体中腔的截面形状设计为近似椭圆形，见图3，其壁厚S′B1的设计计算，是用椭圆形壁厚的计算公式导出的计算公式： 
式中K——近似椭圆形截面阀体壁厚系数，其中DN300～DN500，K取1．13，DN600～DNl000，K取1.07；P——介质压力，设计时，P取1．6MPa； 
a——近似椭圆形截面的长轴(mm)； 
[σL]——铸铁(HT250)许用拉应力，[σL]取35．28MPa；
　　设计时，将阀体中腔的截面形状设计为近似椭圆形，见图3，其壁厚S′B1的设计计算，是用椭圆形壁厚的计算公式导出的计算公式：式中K——近似椭圆形截面阀体壁厚系数，其中DN300～DN500，K取1.13，DN600～DNl000，K取1.07；

　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa；

　　a——近似椭圆形截面的长轴(mm)；

　　[σL]——铸铁(HT250)许用拉应力，[σL]取35.28MPa；

　　C——腐蚀余量，C取5(mm)。

　　DN300～DN1000阀体小壁厚的设计计算结果见表1。

　　设计中发现，阀体壁厚的设计，除了考虑阀体强度之外，还应考虑阀体的刚度，即应将阀体体腔的变形(指在1.6MPa介质压力的作用下)控制在0.001DN范围之内，否则，阀体会因受力变形而无法达到密封。

　　解决阀体刚度的方法见图1，在阀体的外部、内腔设计加强筋，且阀体外部的加强筋与阀体的端法兰相连接，来达到增加阀体的刚性，必要时可设计成不等壁厚，即增加阀体近似椭圆形截面中腔部分的壁厚。
　
　2.2 阀盖壁厚的设计
　　设计时，阀盖壁厚S′B2通常不再进行设计计算，直接取阀体壁厚的0.95作为阀盖的壁厚。DN300～DN1000阀盖小壁厚数据见表2；阀盖加强筋的设计见图1。

　　2.3 闸板壁厚的设计计算
　　BS5163、BS5150标准中，同样未给出闸板小壁厚的数据，设计时，必须对闸板壁厚S′B3进行设计计算，其计算公式如下：式中d——通径(mm)；
　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa；
　　[σW]——铸铁(HT250)许用弯曲应力，[σW]取56.84MPa；
　　C——腐蚀余量，C取3(mm)。
　　DN300～DN1000闸板小壁厚的设计计算结果见表3。

　　2.4阀杆直径的设计计算
　　BS5163、BS5150标准中，同样未给出阀杆小直径的数据，设计时，必须对阀杆直径进行设计计算，其计算公式如下：式中K——阀杆设计计算系数，其中DN300～DN500，K取0.70～0.75；DN600～DNl00。K取0.60～0.65；

　　Q——阀杆开启时的轴向力(N)；

　　[σL]——铸铁(HT250)许用拉应力，[σL]取35.28MPa；

　　其中Q采用简易计算公式，且因QG(闸板组件的重量)数值小，不予计算。式中QMF——密封面达到必需比压时的作用力(N)；

　　QMJ——密封面介质静压作用力(N)；

　　d——通径，d=DN(mm)；

　　bm——阀体密封面宽度(mm)；

　　qmf——必需密封比压(MPa)；

　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa。

　　DN300～DN1000阀杆小直径的设计计算数据见表4。

Z41T铸铁闸阀性能规范：
型号：Z41F-10\16
材质：HT200灰铸铁，球墨铸铁
公称压力:1.0-1.6
强度试验（水）：Mpa 2.4
密封试验（水):Mpa 1.8
适用介质:水 适用温度℃: ≤200℃

大口径的管线阀门要求增多。由于角行程类阀结构简单、尺寸小、重量轻越来越受到重视，传统的的闸阀也逐步会被角行程的蝶阀所代替。公称通径大于DN500的闸阀和球阀均属于大口径的阀门。阀门在关闭时承受的静压力负荷会以几何级数增加。因此轴的强度，轴承的负载，不平衡力和执行机构的推力等都是必须考虑的因素。在选型时候要注意下面的问题：
　  (1)系统压力及压差不可太大，以便能够提供有足够余量的大推力执行机构，并减轻重量。
      (2)因噪声水平与流量成比例，因此噪声水平是必须仔细考虑问题，应尽可能地选择直通流道或增设小孔喷射型结构，减小流体通过节流口的速度和流量来降低噪声水平。
      (3)因受力面积大，不平衡力大，不稳定因素多，因此提高阀整体刚度和抗震性也是一个必须考虑的因素。
      (4)对于大口径铸铁闸阀，因尺寸大、重量大，运输、安装、维护都比较复杂，将阀门装到管线里以及拆卸和更换主要零部件都需使用吊车等设备，因此，提高可靠性，减轻重量也是一个需重点考虑的方面

3 大口径闸阀设计验证——型式试验
　　DN300～DN1000英标铸铁闸阀样机，通过了马来西亚国家质量机构SiRiM的型式试验，对设计进行了验证，型式试验严格按照英国国家标准BS5163：1986进行。型式试验的试验项目有：外观检验、尺寸检验、材料理化试验、壳体强度试验、密封试验、大功能扭矩试验、小强度扭矩试验、清洁度检验、涂层和标志检验。

　　这里着重介绍壳体强度试验、密封试验，大功能扭矩试验、小强度扭矩试验。

　　3.1 壳体强度试验

　　壳体强度试验，试验介质压力2.4MPa，保持试验压力短持续时间1h,不得有肉眼可见渗漏。

　　3.2 密封试验

　　密封试验，试验介质压力1.76MPa，保持试验压力短持续时间15min，不得有肉眼可见渗漏，即在阀体的密封面上，15min内不能有任何肉眼可见的渗漏，包括挂在密封面上小水珠。

　　需要再次强调的是：设计的阀体必须有足够的强度和刚度，密封试验时，壳体的变形必须控制在0.001DN范围之内，否则将很难通过密封试验。

　　3.3 大功能扭矩试验

　　大功能扭矩试验，是指闸阀在无介质压力和有介质压力的情况下，在开、关的全过程中，任一瞬间其大的扭矩都不能超过表5规定的扭矩。

　　3.4 小强度扭矩试验

　　小强度扭矩试验，是对PN1.6MPaDN300～DNlO00英标铸铁闸阀设计的验证，其试验步骤：

　　3.4.1 全开、全关试验

　　用大功能试验扭矩对阀门进行全开、全关操作试验，并做好全开、全关位置的记号，同时记录全开、全关过程中阀杆的转动圈数。

　　3.4.2阀处于全关位置的小强度扭矩试验

　　阀处于全关位置后，再在阀杆的四方头上，顺着关紧的方向(顺时针方向)，逐渐施加大功能试验扭矩3倍的扭矩，即小强度试验扭矩，见表6；以验证阀体、阀盖、闸板、阀杆、阀杆螺母、填料函等主要零件及中法兰螺栓的强度是否达到BS5163：1986标准的要求。

　　3.4.3阀处于全开位置的小强度扭矩试验

　　阀处于全开位置后，再在阀杆的四方头上，顺着开启的方向(逆时针方向)，逐渐施加大功能试验扭矩3倍的扭矩，即小强度试验扭矩，见表6；以验证阀体、阀盖、闸板、阀杆、阀杆螺母、填料函等主要零件及中法兰螺栓的强度是否达到BS5163：1986标准的要求。

　　3.4.4密封试验

　　重新用大功能试验扭矩使阀处于全关位置，再次进行密封试验，试验介质压力1.76MPa,保持试验压力短持续时间15min

　　不得有任何肉眼可见的渗漏，以确认阀是否产生变形；设计是否达到BS5163：1986标准的要求。

　　3.4.5全开、全关试验

　　再次用大功能试验扭矩对阀进行全开、全关操作试验，并核对全开、全关的位置是否与3.4.1试验时全开、全关的位置是否相符；再次记录全开、全关过程中阀杆的转动圈数，核对是否与3.4.1试验时阀杆的转动圈数是否相同，以确认阀杆、阀杆螺母的强度、刚度是否满足BS5163：1986标准的要求。

　　3.5零件检验

　　拆开零件，检验阀体、阀盖、闸板、阀杆、阀杆螺母、填料函等零件及中法兰的螺柱、螺母是否完好，以确认阀体、阀盖、闸板、阀杆、阀杆螺母、填料函等主要零件及中法兰螺栓的设计是否满足BS5163：1986标准的要求。

　　经设计验证——型式试验，确认BS5163、BS51501.6MPaDN300～DNl000英标铸铁闸阀的设计满足了BS5163：1986标准的要求，投入了批量生产，并大批量出口马来西亚、新加坡。通过设计，深切感到BS5163标准的型式试验方法——小强度扭矩试验是十分科学的，应该在阀门行业中推广，这是企业进行阀门新产品设计验证的好办法；深切感到阀门行业应该规范各类阀门的大功能试验扭矩，即规范各类阀门的启闭力矩，这是时代发展、社会进步对阀门进行人性化设计提出的新要求。