闸阀基础知识与设计计算

闸阀基础知识与设计计算第一页，共六十六页，2022年，8月28日目录第一部分：闸阀基础知识，参数、典型结构及工作原理1.1阀门的定义1.2流体力学基本概念与术语1.3闸阀结构特点1.4闸阀类型1.5闸阀用途第二部分：闸阀设计计算2.1零件设计：2.1.1阀座设计

闸阀基础知识及设计计算第二页，共六十六页，2022年，8月28日2.1.2闸板设计2.1.3阀体设计2.1.4阀盖设计2.1.5阀杆设计2.1.6装配设计2.2闸阀设计计算：2.2.1闸板厚度计算2.2.2阀体壁厚计算2.2.3密封比压计算2.2.4阀杆操作力计算第三页，共六十六页，2022年，8月28日1.阀门基础知、典型结构及工作原理1.1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（见GB/T21465-20082.1）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流体力学基本概念与术语1.2.1.流动——物质在外力（如重力、离心力、压差等）作用下，发生宏观运动。1.2.2.流体——能够流动的物质液体、气体第四页，共六十六页，2022年，8月28日液体可以发生形变，其形状取决于所盛装的容器的形状，在理想状态下，液体不可压缩。气体可以改变大小，在密闭的容器中气体总是充满容器空间，气体可以压缩。1.2.3.理想流体与实际流体：流动时没有粘滞性的流体为理想流体，流动时有粘滞性的流体为实际流体。很显然，理想流体并不存在，只是为了研究某些问题的方便而提出的假设。1.2.4.流体力学——研究流体平衡状态规律的科学为流体静力学，研究流体运动力学规律及其应用的科学为流体动力学，综合称流体力学。1.2.5.粘度——流体在流动时，在其分子间产生内摩擦的性质，称为流体的粘性。流体的粘性与温度有关，对于液体，温度升高粘度减小，气体温度升高粘度增加。粘性的大小用粘度表示，粘度又分为运动粘度与动力粘度。运动粘度υ单位是m2/S，简称斯。动力粘度η单位是N•s/m2。或Pa.s（帕.秒）第五页，共六十六页，2022年，8月28日1.2.6.密度与比容单位容积物质的质量称为密度，单位为“千克/米3。常用符号ρ表示。单位质量的物质所占有的容积称为比容，用符号表示单位为“米3/千克(m3/kg)”。常用符号v表示。显然，ρ=1/v比重：γ=ρg。国际单位为：N/m3或kN/m3。η=ρυ第六页，共六十六页，2022年，8月28日1.2.7.流动状态：层流和紊流层流：各层之间不相混杂的分层流动叫做层流。湍流：流动具有混杂、紊乱的特征时叫做湍流。层流湍流（紊流）实际流速第七页，共六十六页，2022年，8月28日1.2.8.雷诺数英国物理学家雷诺曾作过试验并得到判断流型的计算式，称为雷诺公式：Re=Vd/υ，式中，V为流速，m/s，d为管子直径，m.,υ为运动粘度，单位m2/s。因此，雷诺数Re是个无量纲常数，当Re＜2320时为层流，Re＞2320为紊流，所以，Re2320称之为临界雷诺数。第八页，共六十六页，2022年，8月28日1.2.9.水锤水锤——当管道中介质流速因某种外界原因发生急剧变化时，将引起液体内部压力产生迅速交替升降，这种交替升降的压力作用在管壁、阀门或其它管路元件上好像锤击一样，故称为水击（或水锤）。第九页，共六十六页，2022年，8月28日1.2.10.汽蚀

汽蚀——由液体中逸出的氧气等活性气体，借助气泡凝结时放出的热量，会对金属起化学腐蚀作用。这种气泡的形成发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程，称为汽蚀现象。在泵或阀门压力低处水开始发生汽化时，随着流体流动到高压区域，气泡溃散，产生巨大冲击，破坏金属材料。气穴、空化。第十页，共六十六页，2022年，8月28日1.2.11.压力

压力——液体单位面积上所受的垂直作用压力称为压力。通常用P表示。常用单位有巴、帕斯卡、兆帕、大气压等。换算关系：1bar=1.02kgf/cm2=100000Pa=0.1MPa。绝对压力、相对压力和真空度以绝对零压力作为基准所表示的压力，称为绝对压力。以当地大气压力为基准所表示的压力，称为相对压力。相对压力也称表压力。相对压力为负数时，工程上称为真空度。真空度的大小以此负数的绝对值表示。绝对压力、相对压力与真空度的相互关系如下所示：第十一页，共六十六页，2022年，8月28日第十二页，共六十六页，2022年，8月28日1.2.12.流阻系数和压力损失由于流体存在粘性，流体流动中与管道壁面以及流体自身的摩擦所造成的阻力称为沿程阻力，沿程阻力所造成的流体能量损失称为沿程损失。沿程阻力系数常用λ表示。局部损失当流动边界发生急剧变化时，比如在流动方向发生改变的弯管处、管径改变的变径处、产生额外阻力的阀门等局部阻力存在而产生的能量损失，称为局部损失。产生局部损失的原因是：流动断面发生变化时，断面流速分布发生急剧变化，并产生大量的旋涡。由于流体的粘性作用，旋涡中的部分能量转变为热能使流体升温，从而消耗机械能。第十三页，共六十六页，2022年，8月28日管道进口、管道的突缩、突扩部分、阀门、弯头等管件部分均会发生局部阻力。局部损失与管长无关，只与局部管件有关局部阻力系数常用ξ表示。局部阻力的分类：流向改变第十四页，共六十六页，2022年，8月28日流体改变方向

第十五页，共六十六页，2022年，8月28日突然扩大或突然缩小第十六页，共六十六页，2022年，8月28日1.2.13.流量系数Cv、Kv流量系数Cv，指温度为60°F的水在规定的开启位置下压力损失为1磅时流经阀门的流量，单位是g/min（每分钟美制加仑）。流量系数Kv，指温度为5℃~40℃的水流过在规定的开启位置下压力损失为1巴的阀门时的流量，单位是m3/h（每小时立方米）。Cv=28Kv/24第十七页，共六十六页，2022年，8月28日1.2.14.噪声噪声是发生体做无规则振动时发出的声音。通常是指那些难听的，令人厌烦的声音。引起人们烦躁，甚至危害人体健康的声音。噪音的波形是杂乱无章的。从环境保护的角度看，凡是影响人们正常学习，工作和休息的声音，人们在某些场合“不需要的声音”，都统称为噪声。如机器的轰鸣声，各种交通工具的马达声、鸣笛声，人的嘈杂声及各种突发的声响等，均称为噪声。一般，阀门噪声在距离阀体1米处测试不超过85分贝。第十八页，共六十六页，2022年，8月28日1.3闸阀结构特点1.3.1阀门的参数参数：代表阀门特征的一些数据或符号，称为阀门的参数。如，口径（规格），压力（公称压力），温度，介质，流量，材料，驱动方式等等。阀门口径：一般用DN（mm）或NPS（in英寸”）表示，如DN50、DN100、DN600、8”、12”等。口径是代表阀门名义尺寸的重要参数。公称压力（或压力级）：一般用PN或磅级（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。公称压力或压力级是代表阀门在规定温度下承受介质工作压力高低的重要参数。所有阀门都不应该在公称压力（或压力级）规定的温度压力下使用。第十九页，共六十六页，2022年，8月28日公称压力与压力等级的对照关系公称压力PN与压力等级的对照关系表CLASS

150

300

600900

1500200025004500PN162025405064100150160250320420750第二十页，共六十六页，2022年，8月28日1.3.2阀门零件：

阀门零件：组成阀门外部壳体的零件一般有阀体和阀盖；内部零件（简称内件）一般有关闭件（闸板或阀瓣）、阀座及阀杆；密封件填料、垫片；操作件手轮等。动件——操作阀门有移动或转动的关闭件，如闸板，阀瓣。静件——操作阀门时没有动作的关闭件，如阀座。密封面——动、静关闭件相互接触，形成接触密封的表面。密封副——形成密封的两个或几个密封件接触面。闸阀典型结构见下图第二十一页，共六十六页，2022年，8月28日第二十二页，共六十六页，2022年，8月28日参考图例：图2球阀

图3蝶阀

第二十三页，共六十六页，2022年，8月28日1.4闸阀类型1.4.1按闸板形状分：楔式闸阀及平板闸阀图4楔式闸阀

图5平板闸阀

第二十四页，共六十六页，2022年，8月28日1.4.2按闸阀开启时闸板的动作方式分：明杆及暗杆闸阀图6暗杆闸阀第二十五页，共六十六页，2022年，8月28日1.4.3按闸板数量分类：单闸板及双闸板图7平行式双闸板

图8楔式双闸板

第二十六页，共六十六页，2022年，8月28日1.4.4按闸板关紧时是否发生变形分：弹性闸阀和刚性闸阀（死闸板）图9钢性闸阀（DN50以下）

图1、图8均为弹性闸阀

第二十七页，共六十六页，2022年，8月28日1.5闸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。（视情况结合具体闸阀介绍）第二十八页，共六十六页，2022年，8月28日2.闸阀设计计算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、胀圈阀座、螺纹阀座、焊接阀座。形状如下图图10本体堆焊阀座

图11螺纹阀座

第二十九页，共六十六页，2022年，8月28日图12焊接阀座胀圈阀座见图9

第三十页，共六十六页，2022年，8月28日图13螺纹阀座零件图例

第三十一页，共六十六页，2022年，8月28日螺纹阀座一般适用于PN10.0MPa以下，DN250以下。阀座的受力分析。阀座焊缝应校核。（参见附图,阀座2图例，阀座小于阀体通道；阀座焊缝直径太小。二者都会造成阀座脱落失效）第三十二页，共六十六页，2022年，8月28日图14焊接阀座零件图阀座密封面最小宽度：PN10.0MPa以下阀门，bmin≮4.5mmPN16.0MPa以上阀门，bmin≮7.0mm第三十三页，共六十六页，2022年，8月28日阀座圈厚度计算do=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5S=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100)式中，do——阀座圈外径mmd——通道内径径mmPmax——常温最大工作压力，kgf/cm2。s——许用应力，kgf/cm2。NPS——英制阀门规格。CLASS——压力等级数值。对于8”——300Lb阀门d=203mmPmax=50kgf/cm2NPS=8则，S=3.246kgf/cm2do=224mm第三十四页，共六十六页，2022年，8月28日阀座圈高度计算：H=int（a*dO）+Δ式中，H——阀座圈高度，mma——系数150~300Lb，a=0.075600~900Lb，a=0.131500Lb，a=0.182000~2500Lb，a=0.23500Lb，a=0.25Δ——常数，mmΔ=0~8mm上例中，a=0.075do=224mm取，Δ=5则，H=22mm第三十五页，共六十六页，2022年，8月28日2.1.2闸板设计图15中低压闸板零件图例

第三十六页，共六十六页，2022年，8月28日图16高压闸板图例

第三十七页，共六十六页，2022年，8月28日闸板设计原则

闸板楔角一般为3°~5°。3°适于低压力级，阀体中部为椭圆结构。两个设计原则：一是，密封面中径相等原则：即闸板与阀座的密封面直径相等。二是，闸板密封面设计要保证1/2~2/3宽度与阀座密封面相吻合。即，0.5832BM原则。BM为闸板密封面宽度。第三十八页，共六十六页，2022年，8月28日闸板密封面宽度一般取BM=bM+（4~8）mm即可。比压计算bM已经满足要求，BM取值太大造成浪费。太大，造成浪费。但应满足标准要求的最小磨损余量。第三十九页，共六十六页，2022年，8月28日闸板的加工：

第四十页，共六十六页，2022年，8月28日2.1.3阀体设计图18中低压阀体设计图例

第四十一页，共六十六页，2022年，8月28日设计要点：阀体中腔内径确定结构长度最小壁厚,圆整到整数或尾数0.5即，T=int(t+t)/2+1/2阀座开档尺寸中法兰阀体中心高第四十二页，共六十六页，2022年，8月28日中腔内径确定第四十三页，共六十六页，2022年，8月28日阀体阀座孔的加工

阀体阀座孔的加工阀座密封面的加工第四十四页，共六十六页，2022年，8月28日2.1.4阀盖设计图19阀盖设计图例第四十五页，共六十六页，2022年，8月28日阀盖设计要点连体支架或分体支架：DN200(NPS8”)以下，采用连体支架，DN250(NPS10”)以上，采用分体支架。阀盖壁厚等于阀体壁厚阀盖内腔高度应与阀体中心高结合分配，以满足阀门开启高度。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。第四十六页，共六十六页，2022年，8月28日2.1.5阀杆设计图20阀杆设计图例

第四十七页，共六十六页，2022年，8月28日阀杆设计要点阀杆强度以梯形螺纹根部最弱，拉断试验应在此除断裂。即不允许阀杆断在壳体内。梯形螺纹旋向应满足顺时针关闭阀门，逆时针开启阀门的规定及常规习惯。满足开启高度需要。应与阀体、阀盖、闸板、驱动螺母等相关零件计算，合理设计长度，包括梯形螺纹有效长度。第四十八页，共六十六页，2022年，8月28日阀杆头部尺寸确定ds——阀杆直径SA——头部挂闸板厚度，2/3dsSB——头部挂闸板槽宽度，55/64dsSC——倒密封台阶高度，1/3dsE——倒密封台阶外园直径，1.26dsD——大头直径，1.6dsX=int(X)第四十九页，共六十六页，2022年，8月28日2.1.6装配设计图21装配顺序图例

第五十页，共六十六页，2022年，8月28日装配尺寸链校核图22装配尺寸链校核第五十一页，共六十六页，2022年，8月28日2.2闸阀设计计算：2.2.1闸板厚度计算按单闸板计算其最小厚度Hmin=SQRT｛(πβ11P*a2+β15P*d2/4)/[σ]｝式中，Hmin——单闸板最小厚度，mmβ11——系数β15——系数P——阀门工作压力，kgf/cm2a——闸板弹性槽根部半径，mmd——阀座密封面内径，mm[σ]——材料许用应力，kgf/cm2闸板厚度H=2Hmin第五十二页，共六十六页，2022年，8月28日上例中，β11=0.427，β15=0.352P=50kgf/cm2a=67.5mmd=209mmt=1.5mm[σ]=980kgf/cm2则，计算结果，Hmin=23.5mmH=47第五十三页，共六十六页，2022年，8月28日2.2.2阀体壁厚计算

t=1.5*pd*0.9/([σ]-1.2P)式中,t——阀体计算壁厚,mmd——阀体计算内径，mm[σ]——材料许用应力，kgf/cm2P——阀门工作压力，kgf/cm2T=t+Ma+CF+SR式中,SR——特殊要求增加壁厚，mm第五十四页，共六十六页，2022年，8月28日上例中，d=203mm[σ]=980kgf/cm2P=50kgf/cm2Ma=2.5mmCF=0mmSR=0则，T=17.3mm。图纸取17.5mm。第五十五页，共六十六页，2022年，8月28日2.2.3阀座密封比压计算设计原则：qmf<q<[q]q=qmf+（1+1/（1-μtgφ）)*(dm+bm)p/4/bm式中，q——阀座计算比压，MPaqmf——密封必须比压，MPa（见《阀门设计手册》P427）μ——摩擦系数（0.3~0.5，用于水，取下限，用于蒸汽取上限）φ——闸板半角dm——阀座密封面内径，mmbm——阀座密封面有效宽度，mmp——工作压力，MPa第五十六页，共六十六页，2022年，8月28日上例中，dm=205bm=5.5φ=5°μ=0.35则，q=71.8MPaqmf=8.0MPa[q]=80MPa（见《阀门设计手册》P428，焊STELLITE，HRc>40）q<[q]，合格第五十七页，共六十六页，2022年，8月28日2.2.4阀杆操作力计算阀杆操作力F=Fg+Fe+FsFg=πdshpu/10Fe=πds2P/400Fs=πd2Pμ/400式中，Fg——填料摩擦力，kgfFe——阀杆活塞效应力，kgfFs——密封面摩擦力，kgfds—阀杆直径，mmh——填料函深度，mmpu——阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积，kgf/cm2P——阀门工作压力，kgf/cm2μ——