铸铁闸阀的设计知识

秦本珠

　　[摘要]阐述了1.6MPaDN300～DN1000英标铸铁闸阀的结构特点、设计计算、设计验证——型式试验。
　　[关键词]英标铸铁闸阀设计设计验证
　　1 概述
& B3 w& Q/ X: O7 W9 r2 c- c　　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。
, ]/ ]$ p. F# i" [; H8 d　　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。
8 T+ P6 _. ^3 I, Y+ q　　2 设计
　　2.1阀体壁厚的设计计算
% X( W4 [7 j. R　　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。
9 Y4 E! r; |9 f2 D5 Z8 J　　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；
, o0 X: w% y9 `0 v. F　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa；
- I; ]" ]# j% m; H　　a——近似椭圆形截面的长轴(mm)；
8 T8 c2 `/ l, s9 A4 {2 K( e　　[σL]——铸铁(HT250)许用拉应力，[σL]取35.28MPa；
$ {1 B$ g% W" Q( Z) X　　C——腐蚀余量，C取5(mm)。
) h0 m; Y5 u' j% v6 W! C# M　　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。
# \% N% P: q/ b8 w6 }　　2.2 阀盖壁厚的设计
, [  H- S  c8 K2 U+ k. r　　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)；
2 M: [- p) h( \& m6 a　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa；
0 F  ?) v' t2 k　　[σW]——铸铁(HT250)许用弯曲应力，[σW]取56.84MPa；
　　C——腐蚀余量，C取3(mm)。
+ f1 p* l! M- e8 _* r: U+ l　　DN300～DN1000闸板最小壁厚的设计计算结果见表3。
- Y, [$ T5 X* t　　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)；
% ]/ w* m- w! k. ?# x　　[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 s9 r! l3 k) b& V　　QMJ——密封面介质静压作用力(N)；
2 w( n4 X$ e: d# U* E　　d——通径，d=DN(mm)；
　　bm——阀体密封面宽度(mm)；
1 @9 }$ f8 Q( G　　qmf——必需密封比压(MPa)；
. E# l! D4 D# R/ g9 z+ J" g& l　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa。
, i: |) D; G/ I　　DN300～DN1000阀杆最小直径的设计计算数据见表4。
. H! j) G( _2 F2 Q9 H+ s1 D0 _% t　　3 设计验证——型式试验
　　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
4 a# \7 e9 e; g0 o　　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。
) S  j/ i" y' G& E: U4 V　　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。
3 r- ]( E+ @0 w' c$ D　　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。
　　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
3 ?+ W2 ?7 v0 N/ j* i　　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。
% }- U7 ?; m+ e% `/ B/ l# ^　　3.4 最小强度扭矩试验
　　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：
　　3.4.1 全开、全关试验
: u9 t5 g+ ?# m$ q% u  _: W2 U# z　　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。
2 h; \7 F3 L1 r2 v# _　　3.4.2阀处于全关位置的最小强度扭矩试验
1 f9 t6 T7 ~/ m* \2 n0 v- m　　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
　　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
8 z9 ~% B' e4 s0 f2 Y. C  a$ F0 o　　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
* ~  }1 Z1 j# D8 k' ]　　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。
  W+ A1 o. V% U' M* B　　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。
　　3.5零件检验
3 |6 t) [) {% o' ?8 k1 m　　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。
5 R+ r3 v' v& v& }( u　　4结束语
$ H+ y0 o8 `$ C0 w　　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
. ]% y9 p6 E8 E0 _. D　　科学的，应该在阀门行业中推广，这是企业进行阀门新产品
, v3 s+ M6 ~) f1 D& D　　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
4 h" u! r+ K( O2 N7 i$ Z, Q　　大功能试验扭矩，即规范各类阀门的启闭力矩，这是时代发
7 [* ~, x& Q7 y% }) K　　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
　　[1]杨源泉，阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992
5 f" p- t$ i. S# N* ]4 ?) O9 ]　　[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
! z( y/ v; p, x) ]9 C! T; U　　[3]BS5163-1986供水系统用闸阀技术条件
) a9 Q9 e& g5 I* W9 h　　[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
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