英标铸铁闸阀的结构特点与设计计算

路上行者

　　1概述
: i4 ~  N+ ]4 s/ Q' y2 G　　BS5163、BS51501.6MPaDN300～DNl000英标铸铁闸阀，在英国、新加坡、马来西亚和中东一些国家的供水管道和工业管道上被广泛使用，其结构特点见：开式齿轮传动闸阀见图1;闭式齿轮传动闸阀见图2。
# c/ d- O7 B8 h. _3 r% n) N) N　　本文着重阐述了1.6MPaDN300～1000英标铸铁闸阀的阀体壁厚、阀盖壁厚、闸板壁厚、阀杆直径的设计计算和设计验证——型式试验。
　　2设计
　　2.1阀体壁厚的设计计算
5 D( l& q# X# N　　BS5163、BS5150标推中并未给出壳体最小壁厚的数据，设计时，必须对阀体壁厚进行设计计算。
　　设计时，将阀体中腔的截面形状设计为近似椭圆形，见图3，其壁厚S′B1的设计计算，是用椭圆形壁厚的计算公式导出的计算公式：式中K——近似椭圆形截面阀体壁厚系数，其中DN300～DN500，K取1.13，DN600～DNl000，K取1.07;
6 X+ R8 g2 Z+ |+ f9 N) a+ b) C; o　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa;
4 j% g9 d" q; B4 L- R　　a——近似椭圆形截面的长轴(mm);
　　[σL]——铸铁(HT250)许用拉应力，[σL]取35.28MPa;
　　C——腐蚀余量，C取5(mm)。
　　DN300～DN1000阀体最小壁厚的设计计算结果见表1。
　　设计中发现，阀体壁厚的设计，除了考虑阀体强度之外，还应考虑阀体的刚度，即应将阀体体腔的变形(指在1.6MPa介质压力的作用下)控制在0.001DN范围之内，否则，阀体会因受力变形而无法达到密封。
　　解决阀体刚度的方法见图1，在阀体的外部、内腔设计加强筋，且阀体外部的加强筋与阀体的端法兰相连接，来达到增加阀体的刚性，必要时可设计成不等壁厚，即增加阀体近似椭圆形截面中腔部分的壁厚。
　　2.2阀盖壁厚的设计
& b+ U" H. o7 K3 S　　设计时，阀盖壁厚S′B2通常不再进行设计计算，直接取阀体壁厚的0.95作为阀盖的壁厚。DN300～DN1000阀盖最小壁厚数据见表2;阀盖加强筋的设计见图1。
　　2.3闸板壁厚的设计计算
　　BS5163、BS5150标准中，同样未给出闸板最小壁厚的数据，设计时，必须对闸板壁厚S′B3进行设计计算，其计算公式如下：式中d——通径(mm);
　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa;
　　[σW]——铸铁(HT250)许用弯曲应力，[σW]取56.84MPa;
, U4 N7 X2 ^1 \8 I7 Q: f　　C——腐蚀余量，C取3(mm)。
　　DN300～DN1000闸板最小壁厚的设计计算结果见表3。
　　2.4阀杆直径的设计计算
　　BS5163、BS5150标准中，同样未给出阀杆最小直径的数据，设计时，必须对阀杆直径进行设计计算，其计算公式如下：式中K——阀杆设计计算系数，其中DN300～DN500，K取0.70～0.75;DN600～DNl00。K取0.60～0.65;
; a4 Y1 ^% a( {9 ~2 O3 L　　Q——阀杆开启时的轴向力(N);
　　[σL]——铸铁(HT250)许用拉应力，[σL]取35.28MPa;
　　其中Q采用简易计算公式，且因QG(闸板组件的重量)数值小，不予计算。式中QMF——密封面达到必需比压时的作用力(N);
8 x: J1 w6 n- {1 E. D　　QMJ——密封面介质静压作用力(N);
　　d——通径，d=DN(mm);
: h, D! ~( E) l' n; S　　bm——阀体密封面宽度(mm);
　　qmf——必需密封比压(MPa);
9 E  z! A8 X# h  o　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa。
: \4 I* y0 j" u+ }+ F　　DN300～DN1000阀杆最小直径的设计计算数据见表4。
( V8 V' J9 \" B　　3设计验证——型式试验
* g8 f4 L$ t! r, T1 J0 m% Y　　DN300～DN1000英标铸铁闸阀样机，通过了马来西亚国家质量权威机构SiRiM的型式试验，对设计进行了验证，型式试验严格按照英国国家标准BS5163：1986进行。型式试验的试验项目有：外观检验、尺寸检验、材料理化试验、壳体强度试验、密封试验、最大功能扭矩试验、最小强度扭矩试验、清洁度检验、涂层和标志检验。衬氟蝶阀
　　这里着重介绍壳体强度试验、密封试验，最大功能扭矩试验、最小强度扭矩试验。
　　3.1壳体强度试验
　　壳体强度试验，试验介质压力2.4MPa，保持试验压力最短持续时间1h,不得有肉眼可见渗漏。
2 Y' k  f# X% G8 {　　3.2密封试验
　　密封试验，试验介质压力1.76MPa，保持试验压力最短持续时间15min，不得有肉眼可见渗漏，即在阀体的密封面上，15min内不能有任何肉眼可见的渗漏，包括挂在密封面上小水珠。
+ T# {2 z1 l: |" d- t5 }1 M　　需要再次强调的是：设计的阀体必须有足够的强度和刚度，密封试验时，壳体的变形必须控制在0.001DN范围之内，否则将很难通过密封试验。
$ K2 P4 B/ U* b　　3.3最大功能扭矩试验
　　最大功能扭矩试验，是指闸阀在无介质压力和有介质压力的情况下，在开、关的全过程中，任一瞬间其最大的扭矩都不能超过表5规定的扭矩。
　　3.4最小强度扭矩试验
  r- q; G& I7 a) Q8 g6 \　　最小强度扭矩试验，是对PN1.6MPaDN300～DNlO00英标铸铁闸阀设计的验证，其试验步骤：
, d: t  {& W5 s+ s　　3.4.1全开、全关试验
: J/ A- l. J& _$ C! v: R) D　　用最大功能试验扭矩对阀门进行全开、全关操作试验，并做好全开、全关位置的记号，同时记录全开、全关过程中阀杆的转动圈数。
　　3.4.2阀处于全关位置的最小强度扭矩试验
　　阀处于全关位置后，再在阀杆的四方头上，顺着关紧的方向(顺时针方向)，逐渐施加最大功能试验扭矩3倍的扭矩，即最小强度试验扭矩，见表6;以验证阀体、阀盖、闸板、阀杆、阀杆螺母、填料函等主要零件及中法兰螺栓的强度是否达到BS5163：1986标准的要求。
　　3.4.3阀处于全开位置的最小强度扭矩试验
2 s6 r$ V- A8 [' i7 s7 p) j8 }! b　　阀处于全开位置后，再在阀杆的四方头上，顺着开启的方向(逆时针方向)，逐渐施加最大功能试验扭矩3倍的扭矩，即最小强度试验扭矩，见表6;以验证阀体、阀盖、闸板、阀杆、阀杆螺母、填料函等主要零件及中法兰螺栓的强度是否达到BS5163：1986标准的要求。
　　3.4.4密封试验
　　重新用最大功能试验扭矩使阀处于全关位置，再次进行密封试验，试验介质压力1.76MPa,保持试验压力最短持续时间15min
/ G9 v) P2 K4 {2 ~7 k0 M, {　　不得有任何肉眼可见的渗漏，以确认阀是否产生变形;设计是否达到BS5163：1986标准的要求。
2 p& W; k1 G# j! j( d$ b! [, U) _　　3.4.5全开、全关试验
% I2 x' K8 J$ B( T　　再次用最大功能试验扭矩对阀进行全开、全关操作试验，并核对全开、全关的位置是否与3.4.1试验时全开、全关的位置是否相符;再次记录全开、全关过程中阀杆的转动圈数，核对是否与3.4.1试验时阀杆的转动圈数是否相同，以确认阀杆、阀杆螺母的强度、刚度是否满足BS5163：1986标准的要求。
　　3.5零件检验
$ u8 T; C) Z4 _! c" X, ?; ]" a5 w　　拆开零件，检验阀体、阀盖、闸板、阀杆、阀杆螺母、填料函等零件及中法兰的螺柱、螺母是否完好，以确认阀体、阀盖、闸板、阀杆、阀杆螺母、填料函等主要零件及中法兰螺栓的设计是否满足BS5163：1986标准的要求。
$ `. o. E) X0 x: R5 J+ Y8 b　　4结束语
( @" n/ L8 x2 t' s5 F4 j+ Q* d7 g8 q　　经设计验证——型式试验，确认BS5163、BS51501.6MPaDN300～DNl000英标铸铁闸阀的设计满足了BS5163：1986标准的要求，投入了批量生产，并大批量出口马来西亚、新加坡。通过设计，深切感到BS5163标准的型式试验方法——最小强度扭矩试验是十分科学的，应该在阀门行业中推广，这是企业进行阀门新产品设计验证的好办法;深切感到阀门行业应该规范各类阀门的最大功能试验扭矩，即规范各类阀门的启闭力矩，这是时代发展、社会进步对阀门进行人性化设计提出的新要求。
1 G7 K9 z, p) _" A( E! D　　参考文献
! [8 H: Q. I( n2 @% ?, V0 J( |  c) |　　[1]杨源泉，阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992
　　[2]洪勉成，陆培文，高风琴，阀门设计计算手册[M].北京：中国标准出版社，1994
　　[3]BS5163-1986供水系统用闸阀技术条件
　　[4]BS5150-1974一般用途铸铁楔式单闸板式双闸板闸阀
. q& e6 `" Z" V9 b* J　　[5]BS2080-1989阀门结构长度
　　[6]BS4504-1989第3.2部分铸铁法兰技术条件
文章关键词： 闸阀