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1、閘閥基礎知識及設計計算,魏玉斌,目錄 第一部分：閘閥基礎知識，參數、典型結構及工作原理 1.1閥門的定義 1.2流體力學基本概念與術語 1.3閘閥結構特點 1.4閘閥類型 1.5閘閥用途 第二部分：閘閥設計計算 2.1零件設計： 2.1.1閥座設計,閘閥基礎知識及設計計算,2.1.2閘板設計 2.1.3閥體設計 2.1.4閥蓋設計 2.1.5閥桿設計 2.1.6裝配設計 2.2閘閥設計計算： 2.2.1閘板厚度計算 2.2.2閥體壁厚計算 2.2.3密封比壓計算 2.2.4閥桿操作力計算,1.閥門基礎知、典型結構及工作原理,1.1閥門的定義 用來控制管道內介質的，具有可動的機械產品的總體（ 見
2、GB/T21465-2008 2.1） 閥門是在流體系統(tǒng)中，用來控制流體的方向、壓力、流量的裝置。 閥門是使配管和設備內的介質（液體、氣體、粉末）流動或停止、并能控制其流量的裝置。 1.2流體力學基本概念與術語 1.2.1.流動物質在外力（如重力、離心力、壓差等）作用下，發(fā)生宏觀運動。 1.2.2.流體能夠流動的物質 液體、氣體,液體可以發(fā)生形變，其形狀取決于所盛裝的容器的形狀，在理想狀態(tài)下，液體不可壓縮。氣體可以改變大小，在密閉的容器中氣體總是充滿容器空間，氣體可以壓縮。 1.2.3.理想流體與實際流體：流動時沒有粘滯性的流體為理想流體，流動時有粘滯性的流體為實際流體。很顯然，理想流體并不
3、存在，只是為了研究某些問題的方便而提出的假設。 1.2.4. 流體力學研究流體平衡狀態(tài)規(guī)律的科學為流體靜力學，研究流體運動力學規(guī)律及其應用的科學為流體動力學，綜合稱流體力學。 1.2.5. 粘度流體在流動時，在其分子間產生內摩擦的性質，稱為流體的粘性。流體的粘性與溫度有關，對于液體，溫度升高粘度減小，氣體溫度升高粘度增加。粘性的大小用粘度表示，粘度又分為運動粘度與動力粘度。 運動粘度單位是m2/S，簡稱斯。動力粘度單位是Ns/m2?；騊a.s（帕.秒）,1.2.6.密度與比容,單位容積物質的質量稱為密度，單位為“千克/米3。常用符號表示。 單位質量的物質所占有的容積稱為比容，用符號表示單位為“
4、米3/千克(m3/kg)”。 常用符號v表示。 顯然，=1/v 比重：=g。國際單位為：N/m3或kN/m3。 =,1.2.7.流動狀態(tài)：層流和紊流,層流：各層之間不相混雜的分層流動叫做層流。 湍流：流動具有混雜、紊亂的特征時叫做湍流。,層流,湍流（紊流）,實際流速,1.2.8.雷諾數,英國物理學家雷諾曾作過試驗并得到判斷流型的計算式，稱為雷諾公式： Re=Vd/，式中，V為流速，m/s，d為管子直徑，m., 為運動粘度，單位m2/s。因此，雷諾數Re是個無量綱常數，當Re2320時為層流，Re2320為紊流，所以，Re2320稱之為臨界雷諾數。,1.2.9.水錘,水錘當管道中介質流速因某種外
5、界原因發(fā)生急劇變化時，將引起液體內部壓力產生迅速交替升降，這種交替升降的壓力作用在管壁、閥門或其它管路元件上好像錘擊一樣，故稱為水擊（或水錘）。,1.2.10.汽蝕,汽蝕由液體中逸出的氧氣等活性氣體，借助氣泡凝結時放出的熱量，會對金屬起化學腐蝕作用。這種氣泡的形成發(fā)展和破裂以致材料受到破壞的全部過程，稱為汽蝕現象。在泵或閥門壓力低處水開始發(fā)生汽化時，隨著流體流動到高壓區(qū)域，氣泡潰散，產生巨大沖擊，破壞金屬材料。 氣穴、空化。,1.2.11.壓力,壓力液體單位面積上所受的垂直作用壓力稱為壓力。通常用P表示。常用單位有巴、帕斯卡、兆帕、大氣壓等。換算關系：1bar=1.02kgf/cm2=100
6、000Pa=0.1MPa。 絕對壓力、相對壓力和真空度 以絕對零壓力作為基準所表示的壓力，稱為絕對壓力。 以當地大氣壓力為基準所表示的壓力，稱為相對壓力。相對壓力也稱表壓力。 相對壓力為負數時，工程上稱為真空度。真空度的大小以此負數的絕對值表示。 絕對壓力、相對壓力與真空度的相互關系 如下所示：,1.2.12.流阻系數和壓力損失,由于流體存在粘性，流體流動中與管道壁面以及流體自身的摩擦所造成的阻力稱為沿程阻力，沿程阻力所造成的流體能量損失稱為沿程損失。沿程阻力系數常用表示。 局部損失 當流動邊界發(fā)生急劇變化時，比如在流動方向發(fā)生改變的彎管處、管徑改變的變徑處、產生額外阻力的閥門等局部阻力存在
7、而產生的能量損失，稱為局部損失。 產生局部損失的原因是：流動斷面發(fā)生變化時，斷面流速分布發(fā)生急劇變化，并產生大量的旋渦。由于流體的粘性作用，旋渦中的部分能量轉變?yōu)闊崮苁沽黧w升溫，從而消耗機械能。,管道進口、管道的突縮、突擴部分、閥門、彎頭等管件部分均會發(fā)生局部阻力。 局部損失與管長無關，只與局部管件有關 局部阻力系數常用表示。 局部阻力的分類： 流向改變,流體改變方向,突然擴大或突然縮小,1.2.13.流量系數Cv、Kv,流量系數Cv，指溫度為60F的水在規(guī)定的開啟位置下壓力損失為1磅時流經閥門的流量，單位是g/min（每分鐘美制加侖）。 流量系數Kv，指溫度為540的水流過在規(guī)定的開啟位置
8、下壓力損失為1巴的閥門時的流量，單位是m3/h（每小時立方米）。 Cv=28 Kv /24,1.2.14.噪聲,噪聲是發(fā)生體做無規(guī)則振動時發(fā)出的聲音。通常是指那些難聽的，令人厭煩的聲音。引起人們煩躁，甚至危害人體健康的聲音。噪音的波形是雜亂無章的。 從環(huán)境保護的角度看，凡是影響人們正常學習，工作和休息的聲音，人們在某些場合“不需要的聲音”，都統(tǒng)稱為噪聲。如機器的轟鳴聲，各種交通工具的馬達聲、鳴笛聲，人的嘈雜聲及各種突發(fā)的聲響等，均稱為噪聲。 一般，閥門噪聲在距離閥體1米處測試不超過85分貝。,1.3閘閥結構特點,1.3.1閥門的參數 參數：代表閥門特征的一些數據或符號，稱為閥門的參數。如，口徑
9、（規(guī)格），壓力（公稱壓力），溫度，介質，流量，材料，驅動方式等等。 閥門口徑：一般用DN（mm）或NPS（in英寸”）表示，如DN50、DN100、DN600、8”、12”等。口徑是代表閥門名義尺寸的重要參數。 公稱壓力（或壓力級）：一般用PN或磅級（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。公稱壓力或壓力級是代表閥門在規(guī)定溫度下承受介質工作壓力高低的重要參數。所有閥門都不應該在公
10、稱壓力（或壓力級）規(guī)定的溫度壓力下使用。,公稱壓力與壓力等級的對照關系,1.3.2閥門零件：,閥門零件：組成閥門外部殼體的零件一般有閥體和閥蓋；內部零件（簡稱內件）一般有關閉件（閘板或閥瓣）、閥座及閥桿；密封件填料、墊片；操作件手輪等。 動件操作閥門有移動或轉動的關閉件，如閘板，閥瓣。 靜件操作閥門時沒有動作的關閉件，如閥座。 密封面動、靜關閉件相互接觸，形成接觸密封的表面。 密封副形成密封的兩個或幾個密封件接觸面。 閘閥典型結構見下圖,,參考圖例：,,,圖2球閥,圖3 蝶閥,1.4閘閥類型,1.4.1按閘板形狀分：楔式閘閥及平板閘閥,,,圖4楔式閘閥,圖5 平板閘閥,1.4.2按閘閥開啟時閘
11、板的動作方式分：明桿及暗桿閘閥,,圖6 暗桿閘閥,1.4.3按閘板數量分類：單閘板及雙閘板,,,圖7 平行式雙閘板,圖8 楔式雙閘板,1.4.4按閘板關緊時是否發(fā)生變形分：彈性閘閥和剛性閘閥（死閘板）,,圖9 鋼性閘閥 （DN50以下）,圖1、圖8均為彈性閘閥,1.5閘閥用途,廣泛適用于石油化工、天然氣、電廠的水、蒸汽、油品等管路上作為接通或截斷介質的啟閉裝置。 （視情況結合具體閘閥介紹）,2. 閘閥設計計算,2.1零件設計 2.1.1閥座設計 按閥座類型有：本體堆焊閥座、脹圈閥座、螺紋閥座、焊接閥座。形狀如下圖,,,圖10 本體堆焊閥座,圖11 螺紋閥座,,圖12 焊接閥座,脹圈閥座見圖9,
12、,圖13螺紋閥座零件圖例,螺紋閥座一般適用于PN10.0MPa以下，DN250以下。 閥座的受力分析。 閥座焊縫應校核。（參見附圖,閥座2圖例，閥座小于閥體通道；閥座焊縫直徑太小。二者都會造成閥座脫落失效）,,圖14 焊接閥座零件圖 閥座密封面最小寬度：PN10.0MPa以下閥門，bmin4.5mm PN16.0MPa以上閥門，bmin7.0mm,閥座圈厚度計算,do=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5 S=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100) 式中， do閥座圈外徑mm d通道內徑徑mm Pmax常溫最大工作壓力，kgf/cm2。 s許用應力，kgf/c
13、m2。 NPS英制閥門規(guī)格。 CLASS壓力等級數值。 對于8”300Lb閥門 d=203mm Pmax=50 kgf/cm2 NPS=8 則， S=3.246 kgf/cm2 do =224mm,閥座圈高度計算：,H=int（a*dO）+ 式中， H閥座圈高度，mm a系數 150300Lb，a= 0.075 600900Lb，a=0.13 1500Lb，a=0.18 20002500Lb，a=0.2 3500Lb，a=0.25 常數，mm =08mm,上例中， a= 0.075 do =224mm 取，=5 則， H=22mm,2.1.2閘板設計,,圖15 中低壓閘板零件圖例,,圖16 高
14、壓閘板圖例,閘板設計原則,閘板楔角一般為35。3適于低壓力級，閥體中部為橢圓結構。 兩個設計原則： 一是，密封面中徑相等原則：即閘板與閥座的密封面直徑相等。 二是，閘板密封面設計要保證1/22/3寬度與閥座密封面相吻合。即，0.5832BM原則。BM為閘板密封面寬度。,閘板密封面寬度一般取BM=bM+（48）mm即可。比壓計算bM已經滿足要求，BM取值太大造成浪費。太大，造成浪費。但應滿足標準要求的最小磨損余量。,,閘板的加工：,2.1.3閥體設計,,圖18 中低壓閥體設計圖例,設計要點：,閥體中腔內徑確定 結構長度 最小壁厚,圓整到整數或尾數0.5 即，T=int(t+t)/2+1/2
15、閥座開檔尺寸 中法蘭 閥體中心高,中腔內徑確定,閥體閥座孔的加工,,,閥體閥座孔的加工,閥座密封面的加工,2.1.4閥蓋設計,,圖19 閥蓋設計圖例,閥蓋設計要點,連體支架或分體支架：DN200(NPS8”)以下，采用連體支架，DN250(NPS10”)以上，采用分體支架。 閥蓋壁厚等于閥體壁厚 閥蓋內腔高度應與閥體中心高結合分配，以滿足閥門開啟高度。 上密封設計：本體堆焊，適用于通用閥門；上密封座設計，適用于石化閥門、電站閥門及其他重要閥門。 上密封的作用。不得借助上密封帶壓更換填料。,2.1.5閥桿設計,,圖20 閥桿設計圖例,閥桿設計要點,閥桿強度以梯形螺紋根部最弱，拉斷試驗應在此除斷裂
16、。即不允許閥桿斷在殼體內。 梯形螺紋旋向應滿足順時針關閉閥門，逆時針開啟閥門的規(guī)定及常規(guī)習慣。 滿足開啟高度需要。應與閥體、閥蓋、閘板、驅動螺母等相關零件計算，合理設計長度，包括梯形螺紋有效長度。,閥桿頭部尺寸確定,ds閥桿直徑 SA頭部掛閘板厚度，2/3 ds SB頭部掛閘板槽寬度，55/64 ds SC倒密封臺階高度，1/3 ds E倒密封臺階外園直徑，1.26 ds D大頭直徑，1.6 ds X=int(X),2.1.6裝配設計,,圖21 裝配順序圖例,裝配尺寸鏈校核,,圖22 裝配尺寸鏈校核,2.2閘閥設計計算：,2.2.1閘板厚度計算 按單閘板計算其最小厚度 Hmin=SQRT(11
17、P*a2+15P*d2/4)/ 式中， Hmin單閘板最小厚度，mm 11系數 15 系數 P閥門工作壓力，kgf/cm2 a閘板彈性槽根部半徑，mm d閥座密封面內徑，mm 材料許用應力，kgf/cm2 閘板厚度 H=2Hmin,上例中， 11=0.427， 15=0.352 P=50 kgf/cm2 a=67.5 mm d=209 mm t=1.5 mm =980 kgf/cm2 則，計算結果，Hmin=23.5 mm H=47,2.2.2閥體壁厚計算,t=1.5*pd*0.9/(-1.2P) 式中, t閥體計算壁厚, mm d閥體計算內徑，mm 材料許用應力，kgf/cm2 P閥門工作
18、壓力，kgf/cm2 T= 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/cm2 Ma=2.5mm CF=0 mm SR=0 則，T=17.3 mm。圖紙取17.5mm。,2.2.3閥座密封比壓計算,設計原則： qmf
19、力，MPa,上例中， dm=205 bm=5.5 =5 =0.35 則， q=71.8 MPa qmf=8.0 MPa q=80 MPa（見閥門設計手冊P428，焊STELLITE，HRc40） q
20、汽取上限）,閥桿操作扭矩,閥桿操作扭矩 T=F*/1000 式中， T閥桿操作扭矩，kgf-m 閥桿梯形螺紋系數，mm（見閥門設計手冊P446) 閥桿應力校核 =F/A 式中， 閥桿應力 A梯形螺紋根部面積，mm2 kgf/cm2 A=dt2/4 dt梯形螺紋根部直徑，mm,在上例中， ds=36mm h=63 mm dt=29 mm =4.42 mm pu=16 kgf/cm2 P=50 kgf/cm2,則， F=9110.7kgf Fg=1140.0kgf Fe=508.9kgf Fs=7461.kgf =13.8 kgf/cm2 T=40.3kgf-m D=1000*40.3/2/45=447mm(兩人操作，用力45kgf) 圖紙設計為450mm,附圖：,不好的閥座設計,,閥座內徑小于通道直徑,,焊縫直徑太小,閘板受力分析,,剛性單閘板,,彈性閘板,閥桿受力分析,,
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