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2011年8月 欢 迎请自觉遵守和维护课堂秩序目录 1 截止阀基础知识、典型结构及工作原理 1.1 阀门的定义 1.2 截止阀结构特点 1.3 截止阀类型 1.4 截止阀用途 2 截止阀设计计算 2.1 零件设计：2.1.1 阀座密封面设计 截止基础知识及设计计算2.1.22.1.2阀瓣设计阀瓣设计2.1.32.1.3阀体设计阀体设计2.1.42.1.4阀盖设计阀盖设计2.1.52.1.5阀杆设计阀杆设计2.1.62.1.6装配设计装配设计2.22.2截止阀设计计算：截止阀设计计算：2.2.12.2.1阀瓣厚度计算阀瓣厚度计算2.2.22
2、.2.2阀体壁厚计算阀体壁厚计算2.2.32.2.3阀座密封比压计算阀座密封比压计算2.2.42.2.4阀杆操作力计算阀杆操作力计算2.2.52.2.5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1.11.1阀门的定义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（用来控制管道内介质的，具有可动的机械产品的总体（见见GB/T21465-2008 2.1GB/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。阀门是在流体系统中，用来控制流体的方
3、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。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截止阀结构特点 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，阀瓣、阀杆为内件。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，阀瓣、阀杆为内件。典型的螺栓连接阀盖截止阀结构如下图。典型的螺栓连接阀盖截止阀结构如下图。截止阀典型结构图图1 J41H150Lb-3”法兰连接手动截止阀1.3截止阀类型1.3.1按流道形状分：直通型、直流型和角式流道图2直通
4、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型截止阀、针形截止型截止阀、针形截止阀、三通截止阀等阀、三通截止阀等图5 双阀瓣截止阀 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启闭装置。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启闭装置。如某工厂制造各种阀
5、门比例：如某工厂制造各种阀门比例：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设计计算2.1零件设计2.1.1阀座设计按阀座类型有：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 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。阀座的受力分析。阀座圈厚度计算dO=d*SQRT(Pmax/(1
6、00s)+1)+5S=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100)式中，式中，dO阀座圈外径阀座圈外径mmd通道内径径通道内径径mmPmax常温最大工作压力常温最大工作压力,kgf/cm2。s许用应力许用应力,MPa。NPS英制阀门规格。英制阀门规格。CLASS压力等级数值。压力等级数值。对于对于3”150Lb阀门阀门d=76mmPmax=20 kgf/cm2。NPS=3则，则，S=1.994 kgf/cm2dO=88mm阀座圈高度计算：阀座圈高度计算：H=int（a*dO）+式中，式中，H阀座圈高度，阀座圈高度，mma系数系数150300Lb，a=0.105600900Lb，a=0.
7、131500Lb，a=0.1820002500Lb，a=0.23500Lb，a=0.25常数，常数，mm。值根据值根据a值反向选取，值反向选取，即即a越大越大值越小值越小=08mm上例中，a=0.105dO=88mm取，=8则，H=18mmint整数函数M=int(M)取整数M=int(M+0.51)四舍五入取整数M=int(M+0.91)向上圆整取整数M=2int(M/2)取偶数整数M=2int(M/2+0.51)四舍五入取偶数整数M=2int(M/2+0.91)向上圆整取偶数整数M=5int(M/5)取末尾数为5的整倍数M=10int(M/10)取末尾数为0的整数阀座样图尺寸确定dDhHd
8、waw2.1.2阀瓣设计图13 阀瓣零件图例 阀瓣设计原则 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。常见锥角组合如下表：角度。常见锥角组合如下表：角度越小越容易密封，但是，越容易楔死。反之亦然。越小越容易密封，但是，越容易楔死。反之亦然。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面。得阀瓣密封面完全覆盖阀座密封面。阀瓣尺寸确定d2d1d4H1H4H3H2H5d3阀瓣尺寸阀瓣压盖尺寸确定D FLFLF1LF22.1.3 阀杆设计ds2L2L1LhLLL3L4SS1
9、9x192.1.3阀体设计图14 阀体设计图例 设计要点：阀体中腔内径确定阀体中腔内径确定结构长度结构长度最小壁厚最小壁厚阀座组装尺寸阀座组装尺寸中法兰中法兰阀体中心高阀体中心高 中腔内径确定中腔内径确定阀瓣最大外径+（815）mm阀体尺寸确定fCLddDD TDD ZhXXD 2HTC+D 0XXXL1XnLKH1H0XD GXnZLZK Z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阀盖壁厚等于阀体壁厚阀盖壁厚等于阀体壁厚上密封设计：本体堆焊，适用于通用阀门；
10、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。上密封的作用。不得借助上密封带压更换填料。阀盖尺寸LG3M S+0.5sdg1LsD WD ZX hLbdhLGD G 2LG2LG1C+nZLZLH2LH1K ZD G 1L1L0 xxBAX XX上密封座图16 上密封座填料压套尺寸图17填料压套填料压板尺寸图18 填料压板活接螺栓尺寸图19 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
11、尺寸链校核HHo2.2截止阀设计计算：2.2.1阀瓣强度计算阀瓣强度计算=1+2 ，合格，合格1=6*PF*a2/h2，2=0.75*Pa2/h2PF=F/(b2)式中，式中，阀瓣应力，阀瓣应力，MPa 1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 2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 6系数系数 PF 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，MPaP阀门工作压力，阀门工作压力，MPaF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）a阀座支撑面半径，阀座支撑面半径，mmb垫块半径，垫块半径，mm材料许用
12、应力，材料许用应力，MPa上例中，上例中，6=0.36，P=2.0MPaF=16049.6Na=38 mmb=10 mm=104MPa计算结果，计算结果，1=34.76MPa,2=4.475MPa=39.24MPa OK阀瓣受力分析2.2.2阀体壁厚计算t=1.5*d*0.9/(-1.2P)式中式中,t阀体计算壁厚阀体计算壁厚,mmd阀体计算内径，阀体计算内径，mm材料许用应力，材料许用应力，MPaP阀门工作压力，阀门工作压力，MPaT=t+Ma+CF+SR式中式中,Ma铸造偏差，铸造偏差，mmCF腐蚀余量，腐蚀余量，mmSR特殊要求增加壁厚，特殊要求增加壁厚，mm上例中，上例中，d=130
13、mm=98MPaP=2.0MPaMa=2.5mmCF=3 mmSR=0则，则，T=7.3 mm。图纸取。图纸取10.5mm，OK。2.2.3阀座密封比压计算设计原则：设计原则：qmfqqq=Qmz/(（d+bm）bm，MPaQmz=Qmf+Qmj，NQmf=（Dmn+bm）bm*sina*(1+fm/tga)*qmf，NQmj=/4（Dmn+bm）2P，Nqmf=（3.5+P）/SQRT（bm）式中，式中，Qmz阀座密封面总作用力，阀座密封面总作用力，NQmf阀座密封必须作用力，阀座密封必须作用力，NQmj阀座密封面介质静作用力，阀座密封面介质静作用力，Nq 阀座计算比压，阀座计算比压，MPa
14、qmf密封必须比压，密封必须比压，MPa（见（见阀门设计手册阀门设计手册P427）a阀瓣半锥角。阀瓣半锥角。dm阀座密封面内径，阀座密封面内径，mmbm阀座密封面有效宽度，阀座密封面有效宽度，mmp工作压力，工作压力，MPa上例中，上例中，dm=76bm=3a=30P=2.0 MPa则，则，q=19.93 MPaqmf=10.04 MPaq=45 MPa（见（见阀门设计手册阀门设计手册P428，焊马氏体不锈钢，焊马氏体不锈钢，HRc3540）qmfqq，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
15、计算及强度校核阀杆操作力阀杆操作力F=Fg+Fs1+Fc-Fs2Fg=ds*h*puFs1=d*d*P1/4Fc=（d02-d2）K（P1-P2）/4Fs2=（d02-ds2）P2/4式中，式中，Fg填料摩擦力，填料摩擦力，NFs1阀前压力产生的作用力阀前压力产生的作用力,NFc密封面所需必须密封力密封面所需必须密封力，NFs2 阀后压力产生的作用力，阀后压力产生的作用力，Nds阀杆直径，阀杆直径，mmd-阀座密封面内径，阀座密封面内径，mmdO阀座密封面外径，阀座密封面外径，mmh填料函深度，填料函深度，mmK 面压系数面压系数pu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
16、擦系数的积，MPaP1阀前压力，阀前压力，MPaP2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1.61.61.81.82.22.52.73.13.1PTFE0.40.40.40.40.50.650.70.80.8在上例中，在上例中，ds=26mmh=45mmd=76 mmdO=79mmK=1.5pu=1.6MPaP1=20MPaP2=0 则，则，F=16050NFg=5881
17、NFs1=9073NFc=1096NFs2=0阀杆强度校核y=F/A A=Dt2/4 式中，y关闭时阀杆应力，MPaF 阀杆最大操作力，NA 阀杆有效断面积,mm2Dt 梯形螺纹小径，mm上例中，Dt=20.5y=48.6MPay=360 MPa y y ,OK阀杆操作扭矩阀杆操作扭矩阀杆操作扭矩T=F*/1000式中，式中，T阀杆操作扭矩，阀杆操作扭矩，N-m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P556)上例中，上例中，=3.3T=53Nm操作手轮需要的力：操作手轮需要的力：Fs=T/DsDs手轮直径，手轮直径，m.上例中，上例中，Ds=0.28m则，则，
18、Fs=53/0.28=189.3N=19kgf阀杆受力分析P 1F CF g2.2.6 活接螺栓及填料压板强制计算练习题一、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。设计数据：阀体流道直径，设计数据：阀体流道直径，51、102mm阀体最小壁厚阀体最小壁厚8.7、11.1mm阀杆直径阀杆直径20、30mm结构长度结构长度203、292mm试确定：阀座、阀瓣、阀体、阀盖、阀杆主要设计尺寸试确定：阀座、阀瓣、阀体、阀盖、阀杆主要设计尺寸二、绘制二、绘制2”150Lb截止阀阀座、阀瓣、阀体、阀盖零件图。截止阀阀座、阀瓣、阀体、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型式强制密封型式谢谢大家
