1、截止阀基础知识及设计计算截止阀基础知识及设计计算 魏玉斌魏玉斌2011年年8月月 欢 迎请自觉遵守和维护课堂秩序请自觉遵守和维护课堂秩序目录目录 1 1 截止阀基础知识、典型结构及工作原理截止阀基础知识、典型结构及工作原理 1.1 1.1 阀门的定义阀门的定义 1.2 1.2 截止阀结构特点截止阀结构特点 1.3 1.3 截止截止阀类型阀类型 1.4 1.4 截止截止阀用途阀用途 2 2 截止阀设计计算截止阀设计计算 2.1 2.1 零件设计：零件设计：2.1.1 2.1.1 阀座密封面设计阀座密封面设计 截止基础知识及设计计算截止基础知识及设计计算v2.1.22.1.2阀瓣设计阀瓣设计v2.
2、1.32.1.3阀体设计阀体设计v2.1.42.1.4阀盖设计阀盖设计v2.1.52.1.5阀杆设计阀杆设计v2.1.62.1.6装配设计装配设计v2.22.2截止阀设计计算：截止阀设计计算：v2.2.12.2.1阀瓣厚度计算阀瓣厚度计算v2.2.22.2.2阀体壁厚计算阀体壁厚计算v2.2.32.2.3阀座密封比压计算阀座密封比压计算v2.2.42.2.4阀杆操作力计算阀杆操作力计算v2.2.52.2.5活接螺栓及填料压板强度计算活接螺栓及填料压板强度计算v附录：密封原理附录：密封原理1.截止阀基础知、典型结构及工作原理截止阀基础知、典型结构及工作原理v1.11.1阀门的定义阀门的定义v用来
3、控制管道内介质的，具有可动的机械产用来控制管道内介质的，具有可动的机械产品的总体（品的总体（见见GB/T21465-2008 2.1GB/T21465-2008 2.1）v阀门是在流体系统中，用来控制流体的方向、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。压力、流量的装置。v阀门是使配管和设备内的介质（液体、气体、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。粉末）流动或停止、并能控制其流量的装置。1.2截止阀结构特点 一般来说，截止阀由阀体、阀瓣、阀盖、一般来说，截止阀由阀体、阀瓣、阀盖、阀杆等组成。如下图，阀体、阀盖为承压件，阀杆等组成。如下
4、图，阀体、阀盖为承压件，阀瓣、阀杆为内件。典型的螺栓连接阀盖截止阀瓣、阀杆为内件。典型的螺栓连接阀盖截止阀结构如下图。阀结构如下图。截止阀典型结构图截止阀典型结构图图图1 J41H150Lb-3”法兰连接手动截止阀法兰连接手动截止阀1.3截止阀类型v1.3.1按流道形状分：直通型、直流型和角式流道图2直通式截止阀J41H16C-150图3 直流式截止阀（Y型截止阀）J65Y160P-100 图4 角式截止阀 J44H25-801.3.2 1.3.2 其它分类方式：双阀瓣截止阀、其它分类方式：双阀瓣截止阀、Z Z型截型截止阀、针形截止阀、三通截止阀等止阀、针形截止阀、三通截止阀等图5 双阀瓣截止
5、阀 J41H25-200 图6 Z型截止阀J62YP54100V-50 图7 针型阀 图8 三通阀 1.4截止阀用途v广泛适用于石油化工、天然气、电厂的水、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蒸汽、油品等管路上作为接通或截断介质的启闭装置。启闭装置。v如某工厂制造各种阀门比例：如某工厂制造各种阀门比例：v闸阀闸阀39%，蝶阀，蝶阀24%，截止阀，截止阀16%、调节阀、调节阀8%、止回阀、止回阀7%、球阀、球阀3%、其它阀门、其它阀门3%。2.2.截止阀设计计算截止阀设计计算 下面以下面以150Lb-3”150Lb-3”截止阀为例进行设计计算截止阀为例进行
6、设计计算v2.1零件设计v2.1.1阀座设计v按阀座类型有：本体堆焊阀座、焊接阀座、螺纹阀座。形状如下图图9 本体堆焊阀座 图10 焊接阀座 图11 螺纹阀座图12 焊接阀座零件图例 v美标阀门一般采用螺纹阀阀座或焊接阀座，国标阀门大多采用本体堆焊密封面。v阀座的受力分析。阀座圈厚度计算vdO=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5vS=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100)v式中，式中，vdO阀座圈外径阀座圈外径mmvd通道内径径通道内径径mmvPmax常温最大工作压力常温最大工作压力,kgf/cm2。vs许用应力许用应力,MPa。vNPS英制阀门规格。英制阀门规格。v
7、CLASS压力等级数值。压力等级数值。v对于对于3”150Lb阀门阀门vd=76mmvPmax=20 kgf/cm2。vNPS=3v则，则，vS=1.994 kgf/cm2vdO=88mm阀座圈高度计算：阀座圈高度计算：vH=int（a*dO）+v式中，式中，vH阀座圈高度，阀座圈高度，mmva系数系数v150300Lb，a=0.105v600900Lb，a=0.13v1500Lb，a=0.18v20002500Lb，a=0.2v3500Lb，a=0.25v常数，常数，mm。值根据值根据a值反向选取，即值反向选取，即a越大越大值越小值越小v=08mm上例中，上例中，a=0.105dO=88mm
8、取，取，=8则，则，H=18mmvint整数函数vM=int(M)取整数vM=int(M+0.51)四舍五入取整数vM=int(M+0.91)向上圆整取整数vM=2int(M/2)取偶数整数vM=2int(M/2+0.51)四舍五入取偶数整数vM=2int(M/2+0.91)向上圆整取偶数整数vM=5int(M/5)取末尾数为5的整倍数vM=10int(M/10)取末尾数为0的整数阀座样图尺寸确定dDhHdwaw2.1.2阀瓣设计图13 阀瓣零件图例 阀瓣设计原则v 阀瓣密封面角度一般比阀座小阀瓣密封面角度一般比阀座小0 01515。常见锥。常见锥角组合如下表：角度越小越容易密封，但是，越容角
9、组合如下表：角度越小越容易密封，但是，越容易楔死。反之亦然。易楔死。反之亦然。v原则上阀瓣密封面中径等于阀座的密封面中径，并原则上阀瓣密封面中径等于阀座的密封面中径，并保持足够宽度，使得阀瓣密封面完全覆盖阀座密封保持足够宽度，使得阀瓣密封面完全覆盖阀座密封面。面。阀瓣尺寸确定d2d1d4H1H4H3H2H5d3阀瓣尺寸阀瓣压盖尺寸确定DFLFLF1LF22.1.3 阀杆设计ds2L2L1LhLLL3L4S S19x192.1.3阀体设计图14 阀体设计图例 设计要点：v阀体中腔内径确定阀体中腔内径确定v结构长度结构长度v最小壁厚最小壁厚v阀座组装尺寸阀座组装尺寸v中法兰中法兰v阀体中心高阀体中
10、心高 中腔内径确定中腔内径确定阀瓣最大外径阀瓣最大外径+（815）mm阀体尺寸确定fCLddDDTDDZhXXD2HTC+D0XXXL1XnLKH1H0XDGXnZLZKZ阀体尺寸结构长度（见 ASME B16.10-2009 表1）阀体通道直径、最小壁厚及阀杆直径（见BS1873 附录A 表3）2.1.4阀盖设计图15 阀盖设计图例阀盖设计要点v阀盖壁厚等于阀体壁厚阀盖壁厚等于阀体壁厚v上密封设计：本体堆焊，适用于通用阀门；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、电站阀门上密封座设计，适用于石化阀门、电站阀门及其他重要阀门。及其他重要阀门。v上密封的作用。不得借助
11、上密封带压更换填上密封的作用。不得借助上密封带压更换填料。料。阀盖尺寸LG3MS+0.5sdg1LsDWDZXhLbdhLGDG2LG2LG1C+nZLZLH2LH1KZDG1L1L0 xxBAXXX上密封座图图16 上密封座上密封座填料压套尺寸图图17填料压套填料压套填料压板尺寸图图18 填料压板填料压板活接螺栓尺寸图图19 活结螺栓活结螺栓dh=10h=14Lh1=30Lh=602.1.6装配设计图20 装配顺序图例 装配尺寸链校核图21 装配尺寸链校核HHo2.2截止阀设计计算：v2.2.1阀瓣强度计算阀瓣强度计算v=1+2 ，合格，合格v1=6*PF*a2/h2，v2=0.75*Pa2
12、/h2vPF=F/(b2)v式中，式中，v阀瓣应力，阀瓣应力，MPa v1阀杆作用力在垫块产生的应力，阀杆作用力在垫块产生的应力，MPa v2介质压力在阀瓣上产生的应力，介质压力在阀瓣上产生的应力，MPa v6系数系数 vPF 阀杆作用力在垫块是上的压力，阀杆作用力在垫块是上的压力，MPavP阀门工作压力，阀门工作压力，MPavF阀杆总作用力，阀杆总作用力，N。（见阀杆操作力计算）。（见阀杆操作力计算）va阀座支撑面半径，阀座支撑面半径，mmvb垫块半径，垫块半径，mmv材料许用应力，材料许用应力，MPav上例中，上例中，v6=0.36，vP=2.0MPavF=16049.6Nva=38 mm
13、vb=10 mmv=104MPav计算结果，计算结果，1=34.76MPa,2=4.475MPav=39.24MPa OK阀瓣受力分析2.2.2阀体壁厚计算vt=1.5*d*0.9/(-1.2P)v式中式中,vt阀体计算壁厚阀体计算壁厚,mmvd阀体计算内径，阀体计算内径，mmv材料许用应力，材料许用应力，MPavP阀门工作压力，阀门工作压力，MPavT=t+Ma+CF+SRv式中式中,vMa铸造偏差，铸造偏差，mmvCF腐蚀余量，腐蚀余量，mmvSR特殊要求增加壁厚，特殊要求增加壁厚，mmv上例中，上例中，vd=130 mmv=98MPavP=2.0MPavMa=2.5mmvCF=3 mmv
14、SR=0v则，则，T=7.3 mm。图纸取。图纸取10.5mm，OK。2.2.3阀座密封比压计算v设计原则：设计原则：vqmfqqvq=Qmz/(（d+bm）bm，MPavQmz=Qmf+Qmj，NvQmf=（Dmn+bm）bm*sina*(1+fm/tga)*qmf，NvQmj=/4（Dmn+bm）2P，Nvqmf=（3.5+P）/SQRT（bm）v式中，式中，vQmz阀座密封面总作用力，阀座密封面总作用力，NvQmf阀座密封必须作用力，阀座密封必须作用力，NvQmj阀座密封面介质静作用力，阀座密封面介质静作用力，Nvq 阀座计算比压，阀座计算比压，MPavqmf密封必须比压，密封必须比压，
15、MPa（见（见阀门设计手册阀门设计手册P427）va阀瓣半锥角。阀瓣半锥角。vdm阀座密封面内径，阀座密封面内径，mmvbm阀座密封面有效宽度，阀座密封面有效宽度，mmvp工作压力，工作压力，MPav上例中，上例中，vdm=76vbm=3va=30vP=2.0 MPav则，则，vq=19.93 MPavqmf=10.04 MPavq=45 MPa（见（见阀门设计手册阀门设计手册P428，焊，焊马氏体不锈钢，马氏体不锈钢，HRc3540）vqmfqq，合格，合格许用比压（见（见阀门设计手册阀门设计手册P426427）密封面许用比压（见（见阀门设计手册阀门设计手册P428）2.2.4阀杆操作力计算
16、及强度校核v阀杆操作力阀杆操作力vF=Fg+Fs1+Fc-Fs2vFg=ds*h*puvFs1=d*d*P1/4vFc=（d02-d2）K（P1-P2）/4vFs2=（d02-ds2）P2/4v式中，式中，vFg填料摩擦力，填料摩擦力，NvFs1阀前压力产生的作用力阀前压力产生的作用力,NvFc密封面所需必须密封力密封面所需必须密封力，NvFs2 阀后压力产生的作用力，阀后压力产生的作用力，Nvds阀杆直径，阀杆直径，mmvd-阀座密封面内径，阀座密封面内径，mmvdO阀座密封面外径，阀座密封面外径，mmvh填料函深度，填料函深度，mmvK 面压系数面压系数vpu阀杆单位面积压力与填料摩擦系数
17、的积，阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积，MPavP1阀前压力，阀前压力，MPavP2阀后压力，阀后压力，MPa填料系数（填料系数（阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积）阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积）Pu MPa15030060090015002000250035004500石墨石棉0.80.80.80.81.01.31.41.61.6柔性石墨1.61.61.81.82.22.52.73.13.1PTFE0.40.40.40.40.50.650.70.80.8v在上例中，在上例中，vds=26mmvh=45mmvd=76 mmvdO=79mmvK=1.5vpu=1.6MPavP1=20MP
18、avP2=0 v则，则，vF=16050NvFg=5881NvFs1=9073NvFc=1096NvFs2=0阀杆强度校核阀杆强度校核y=F/A A=Dt2/4 式中，式中，y关闭时阀杆应力，关闭时阀杆应力，MPaF 阀杆最大操作力，阀杆最大操作力，NA 阀杆有效断面积阀杆有效断面积,mm2Dt 梯形螺纹小径，梯形螺纹小径，mm上例中，上例中，Dt=20.5y=48.6MPay=360 MPa y y ,OK阀杆操作扭矩v阀杆操作扭矩阀杆操作扭矩vT=F*/1000v式中，式中，vT阀杆操作扭矩，阀杆操作扭矩，N-mv阀杆梯形螺纹系数，阀杆梯形螺纹系数，mm（见（见阀门设计手册阀门设计手册P5
19、56)v上例中，上例中，v=3.3vT=53Nmv操作手轮需要的力：操作手轮需要的力：vFs=T/DsvDs手轮直径，手轮直径，m.v上例中，上例中，Ds=0.28mv则，则，Fs=53/0.28=189.3N=19kgf阀杆受力分析P1FCFg2.2.6 活接螺栓及填料压板强制计算活接螺栓及填料压板强制计算练习题v一、参照设计。根据一、参照设计。根据3”150Lb例子，设计例子，设计2”150Lb和和4”150Lb截止阀。截止阀。v设计数据：阀体流道直径，设计数据：阀体流道直径，51、102mmv阀体最小壁厚阀体最小壁厚8.7、11.1mmv阀杆直径阀杆直径20、30mmv结构长度结构长度203、292mmv试确定：阀座、阀瓣、阀体、阀盖、阀杆主试确定：阀座、阀瓣、阀体、阀盖、阀杆主要设计尺寸要设计尺寸v二、绘制二、绘制2”150Lb截止阀阀座、阀瓣、阀截止阀阀座、阀瓣、阀体、阀盖零件图。体、阀盖零件图。小结阀体阀盖阀杆开始阀瓣阀座装配设计流程图阀 盖 阀杆阀杆螺母手轮结束活结螺栓填料压套 上密封座 填料压板阀杆螺母 附录：密封原理附录：密封原理强制密封、半自动密封强制密封、半自动密封强制密封型式强制密封型式谢谢大家谢谢大家
