闸阀基础知识与设计计算.ppt

1、闸阀基础知识及设计计算,魏玉斌,2010年3月,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,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,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

2、产品的总体（ 见GB/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、粉末及两相或三湘流动物质,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

3、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.定常流动、连续性方程及伯努利方程,定常流动：流体流经空间各点的流速不随时间变化。又称稳定流动。 流线：流体质点在流场中不同位置的流动方向线，如下面左图。 流线切线代表流速方向，流线的疏密代表流速大小。 定常流动流线不相交。 流管：由一组流线组成的管状区域，如下面右图。流管内的流线不穿过管壁，流管内外的流体不相互混淆。,连续性方程：理想流体在同一流管中稳定流动时，流速与截

4、面的关系如下。 流体于时间t内，由S1截面流动到S2截面，,则：,伯努利方程 理想流体在同一流管中稳定流动时，流体压强、流 速和高度所具有的压强能、动能及位置势能是恒定的。即，伯努利方程是流体力学中的能量转换与守恒定律。,=常数,应用伯努利方程，人们制成了文丘里流量计及水流抽气等应用。,特例：v1=0,v2=0时，静力学定理。h1=h2时，直管流动。,1.2.6.粘度、密度与比容,由于实际流体是有粘性的，必须考虑其造成的损失，故引入了粘度。在进行计算时常用到流体密度和比容等概念 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

5、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。 运动粘度单位是m2/S，简称斯。动力粘度单位是Ns/m2。或Pa.s（帕.秒） 单位体（容）积物质的质量称为密度，单位为“kg/m3。常用符号表示。 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，=1/v 比重：=g。国际单位为：N/m3或kN/m3。 =,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,1.2.8.雷诺数,英国物理学家雷诺曾作过试验并得到判断

6、流型的计算式，称为雷诺公式： Re=Vd/，式中，V为流速，m/s，d为管子直径，m, 为运动粘度，单位m2/s。因此，雷诺数Re是个无量纲常数。试验表明，当Re2320时为层流，Re2320为紊流，所以，Re2320称之为临界雷诺数。,流动状态示意图,在一定条件下的流体定常流动，绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进,接着它们互相干扰,互相吸引,而且干扰越来越大,形成非线性的所谓涡街。著名的美籍匈牙利力学家T.von卡门最先对出现在圆柱绕流尾流区的两组这种规则排列的线涡作了深入分析,人们就把这种流动现象称为卡门

7、涡街。,卡门涡街,典型的例子，流体流过圆柱体，会在其后部分离形成一对涡旋，称为猫眼,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）。 这种压强的交替升降，会达到正常管道压力的十倍甚至更高的数值，导致管道系统发生强烈的振动、严重变形甚至爆裂。 如何防止水锤或减小其影响？ 合理选择参数，并尽可能延长阀门调节时间，以避免产生直接水击。 在管壁材料强度允许的条件下，应当选用直径较大，管壁较薄的水管。 安装伸缩器、减震器。,1.2.10.汽蚀,汽蚀由液体中逸出的氧

8、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产生气泡，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。 汽蚀又称气穴、空化。 如何防止和减小汽蚀危害？ 避免流道突变。 不要使阀门前后产生过大压差，必要时可以多级调节压力。,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=105Pa=1.02kgf/cm2=0.1MPa。 1MPa=106Pa=10bar=10.2kgf/cm2

9、 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：,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。沿程阻力系数常用表示。沿程压力损失 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

10、，称为局部损失。局部阻力系数常用表示。局部压力损失,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。 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 局部阻力的分类： 流向改变,流体改变方向,突然扩大或突然缩小,压力和压头损失计算式,流体通过阀门时，对于紊流流态的液体阀门的压力损失p（M Pa）为: P= V2/2 相应的压头损失为： h= V2/2g 式中 p 阀门的压力损失，单位为Pa。 阀门的流阻系数； 流体密度，单

11、位为kg/m3。 V 流体在管道内的平均流速，单位为m/s； g重力加速度，N/S2,各种阀门的阻力系数,阀门的流阻系数取决于阀门的尺寸、结构以及内部流道形状等。 不同阀门全开时的平均流阻系数范围如下。 全径球阀： =0.020.1 闸阀：=0.10.3 蝶阀：=0.21.5（蝶板厚度越大，越大） 旋塞阀（矩形通道，全流道面积）：=0.30.5 旋启式止回阀： =0.351.0 直通式隔膜阀：=0.60.9 堰式隔膜阀：=2.03.5 铸造截止阀：=4.010.0 锻造造截止阀：=5.013.0,1.2.13.流量系数Av、Kv 、Cv,在IEC534-1标准中规定流量系数Av为： Av=Q(

12、 / P)1/2 Q=A(2P/ ) = Av(P/ ) Av=A(2/ ) 1/2 为了便于工程计算和应用定义了流量系数Kv和Cv。 流量系数Kv，是指温度为540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）。 流量系数Cv，指温度为60F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）。 通过单位换算，Av与Kv和Cv之间的关系分别为： Kv = 106Av/ 28 Cv = 106Av/ 24 因此，Cv=28 Kv /24=1.17 Kv,闸阀流量系数,截止阀流量系数,闸阀与截止阀流量系数比较,各类阀门的

13、流阻系数应当实测获得。测试的基础条件是建立流量试验台架，保持阀门内的稳定流量，测得进出口压力降，从而获得介质流过阀门时的压降和阻力系数。,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。,噪声限定曲线,1.3闸阀结构特点,1.3.1阀门的参数

14、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

15、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。,公称压力与压力等级的对照关系,1.3.2阀门零件：,1.3.2.1壳体承压件，将介质包围在内的零件。如阀体、阀盖等。闸板、阀杆也称为承压件。如阀门关闭时闸板受压。阀杆处在介质内外，有时在顶端产生外漏。 1.3.2.2内件浸渍在介质内的零件。如阀座、闸板（阀瓣、蝶板、球体）阀杆、密封圈等等。 1.3.2.3关闭件截断介质流动等零件，属于内件。如，阀座、闸板（阀瓣、蝶板、球体）等。 1.3.2.4密封面关闭阀门时，相互接触其封堵介质作用的平面或曲面。 1.3.2.5密封副形成密封面的一对零件。 1

16、.3.2.6动件开关阀门时，产生运动实现密封的零件。如闸板（阀瓣、蝶板、球体）等。 1.3.2.7静件开关阀门时，静止不动，与运动部件接触形成密封的零件。如，阀座。,1.3.2.8动密封关闭件形成的密封。又称主密封、内部密封或上下游密封。 1.3.2.9静密封形成密封的零件之间不发生相对运动。如，阀体阀盖之间的密封。又叫对外密封。 1.3.2.10副密封阀杆与阀盖之间形成的密封。又称上密封或倒密封。一般存在与闸阀、截止阀或节流阀结构。 1.3.2.11密封种类按照不同结构、不同原理对密封进行类别划分。 按结构分类，如，软密封（非金属密封副，如填料密封和垫片密封）、硬密封（金属密封）或多层次复合

17、密封。 按密封原理分类有强制密封、自动密封或半自动密封等。 闸阀典型结构见下图，其壳体、内件、动件、静件及密封形式如图。,闸阀典型结构图,参考图例：,图2球阀,图3 蝶阀,1.3.3密封泄漏关系,内漏阀门关闭件之间产生的泄漏，又称密封面泄漏或密封漏。一般是泄漏到下游管道内部。也有泄漏在外部，如安全阀及真空破坏阀等。 外漏介质泄漏到阀门壳体包围以外的空间里。有填料泄漏、垫片泄漏及壳体表面泄漏等。,阀杆填料密封和上密封,密封的作用:减缓介质对填料侵蚀。不意味着可以带压更换填料,1.3.4垫片密封,1.3.5密封原理,强制密封、半自动密封,强制密封型式,双向强制密封闸板,自动密封闸板,密封机理：,塑

18、性密封非金属垫片，在密封力作用下发生塑性变形。一般不能重复使用。 弹性密封金属密封环，在密封力作用下发生弹性变形，密封环可以重复使用。,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,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,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,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,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

19、装置。 （视情况结合具体闸阀介绍）,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,图12 焊接阀座,胀圈阀座见图9,图13螺纹阀座零件图例,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）,图14 焊接阀座零件图 阀座密封面最小宽度：PN10.0MPa以下阀门，bmin4.5mm PN16.0MPa以上阀门，bmin7.0mm,阀座圈厚度计算,d

20、o=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5 S=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100) 式中， do阀座圈外径mm d通道内径径mm Pmax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=203mm Pmax=50 kgf/cm2 NPS=8 则， S=3.246 kgf/cm2 do =224mm,阀座圈高度计算：,H=int（a*dO）+ 式中， H阀座圈高度，mm a系数 150300Lb，a= 0.075 600900Lb，a=0.13 1500Lb，a=0.18 20

21、002500Lb，a=0.2 3500Lb，a=0.25 常数，mm =08mm,上例中， a= 0.075 do =224mm 取，=5 则， H=22mm,2.1.2闸板设计,图15 中低压闸板零件图例,图16 高压闸板图例,闸板设计原则,闸板楔角一般为35。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1/22/3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。,闸板密封面宽度一般取BM=bM+（48）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

22、。但应满足标准要求的最小磨损余量。,闸板的加工：,2.1.3阀体设计,图18 中低压阀体设计图例,设计要点：,阀体中腔内径确定 结构长度 最小壁厚 阀座开档尺寸 中法兰 阀体中心高,中腔内径确定,阀体阀座孔的加工,阀体阀座孔的加工,阀座密封面的加工,2.1.4阀盖设计,图19 阀盖设计图例,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

23、作用。不得借助上密封带压更换填料。,2.1.5阀杆设计,图20 阀杆设计图例,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。,2.1.6装配设计,图21 装配顺序图例,装配尺寸链校核,图22 装配尺寸链校核,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(11P*a2+15P*d2/4)/ 式中， Hmin单闸板最小厚度，mm 11系数 15

24、系数 P阀门工作压力，kgf/cm2 a闸板弹性槽根部半径，mm d阀座密封面内径，mm 材料许用应力，kgf/cm2 闸板厚度 H=2Hmin,上例中， 11=0.427， 15=0.352 P=20 kgf/cm2 a=67.5 mm d=209 mm t=1.5 mm =980 kgf/cm2 则，计算结果，Hmin=23.5 mm H=47,2.2.2阀体壁厚计算,t=1.5*d*0.9/(-1.2P) 式中, t阀体计算壁厚, mm d阀体计算内径，mm 材料许用应力，kgf/cm2 P阀门工作压力，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 则，T=17.3 mm。图纸取17.5mm。,2.2.3阀座密封比压计算,设计原则： qmfqq q= qmf+（1+1/（1-tg）)*(dm+bm)p/4/bm 式中， q 阀座计算比压，MPa qmf密封必须比压，MPa（见阀门设计手册P427） 摩擦系数（0.30.5，用于水，取下限，用于蒸汽取上限） 闸板半角 dm阀座密封面内径，mm bm阀座密封面有效宽度