英标铸铁闸阀的结构特点与设计计算

路上行者

　　1概述
! w3 p" B* u1 ?5 p- V% o　　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。
　　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
8 P/ J" \2 o2 M0 w, P　　2.1阀体壁厚的设计计算
$ j% b8 G/ I+ n6 l　　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。
" B+ G( f7 q+ a) K* H6 Q3 V# ?　　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;
, Y. X( d, j* P: _! [- y* L　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa;
& O& o  d1 {' E  |　　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;
4 b) s: L% g/ e$ H/ C  P. I2 @7 s: ]+ v0 I　　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。
+ x  Q' B' h( L8 \　　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。
; p6 ?7 H2 m: Z) ?) d. @6 c　　2.2阀盖壁厚的设计
　　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
3 I; A/ t" S+ p6 K6 ?  f4 w/ F　　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;
% [# R2 _0 W$ ?% \! k　　[σW]——铸铁(HT250)许用弯曲应力，[σW]取56.84MPa;
　　C——腐蚀余量，C取3(mm)。
" J% G, z/ |; m% N+ Q" }　　DN300～DN1000闸板最小壁厚的设计计算结果见表3。
6 ~4 `( O0 T3 R( ^  p- ~　　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;
　　Q——阀杆开启时的轴向力(N);
3 b, }7 [7 S% q: K4 R+ L7 v　　[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);
0 P" F/ y) L3 p5 Z/ t) \: p4 J　　QMJ——密封面介质静压作用力(N);
　　d——通径，d=DN(mm);
　　bm——阀体密封面宽度(mm);
　　qmf——必需密封比压(MPa);
( c" v. t% G: J  v　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa。
9 C# O6 s/ n' s　　DN300～DN1000阀杆最小直径的设计计算数据见表4。
　　3设计验证——型式试验
/ _9 X8 [- q" ]2 w( }　　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
1 O& o" d9 M9 c& G3 }　　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
6 v( H7 l+ L6 c　　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。
　　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。
" J2 k+ C0 H1 `! ]3 Y　　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。
　　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。
, h5 c5 y% b1 V8 u1 k, G　　3.4最小强度扭矩试验
% g$ E6 G* r1 ]0 f% V" G　　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：
  v  f2 G; z( B8 a4 j　　3.4.1全开、全关试验
4 R# s$ P2 o; G/ s3 ?　　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。
5 c0 q0 w: v! c6 K: R; v/ N　　3.4.2阀处于全关位置的最小强度扭矩试验
2 e6 U% \9 s$ Y/ A1 ~5 c* |　　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。
. [( }/ i, q5 N/ _　　3.4.3阀处于全开位置的最小强度扭矩试验
　　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
' G& b6 p! C: _0 z, V　　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
　　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。
　　3.4.5全开、全关试验
　　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。
$ K7 s/ D7 ^# |4 E) d- m- I" C　　3.5零件检验
　　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。
　　4结束语
" F7 a% }+ f' X　　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。
　　参考文献
! G2 u6 ~/ |7 D4 P　　[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
. E+ C5 z' j3 l$ T! ~　　[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
　　[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
: Z" E: J0 j& Q2 D文章关键词： 闸阀