閘閥基礎(chǔ)知識與設(shè)計(jì)計(jì)算.ppt

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1、閘閥基礎(chǔ)知識及設(shè)計(jì)計(jì)算,魏玉斌,目錄 第一部分：閘閥基礎(chǔ)知識，參數(shù)、典型結(jié)構(gòu)及工作原理 1.1閥門的定義 1.2流體力學(xué)基本概念與術(shù)語 1.3閘閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1.4閘閥類型 1.5閘閥用途 第二部分：閘閥設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1零件設(shè)計(jì)： 2.1.1閥座設(shè)計(jì),閘閥基礎(chǔ)知識及設(shè)計(jì)計(jì)算,2.1.2閘板設(shè)計(jì) 2.1.3閥體設(shè)計(jì) 2.1.4閥蓋設(shè)計(jì) 2.1.5閥桿設(shè)計(jì) 2.1.6裝配設(shè)計(jì) 2.2閘閥設(shè)計(jì)計(jì)算： 2.2.1閘板厚度計(jì)算 2.2.2閥體壁厚計(jì)算 2.2.3密封比壓計(jì)算 2.2.4閥桿操作力計(jì)算,1.閥門基礎(chǔ)知、典型結(jié)構(gòu)及工作原理,1.1閥門的定義 用來控制管道內(nèi)介質(zhì)的，具有可動(dòng)的機(jī)械產(chǎn)品的總體（ 見

2、GB/T21465-2008 2.1） 閥門是在流體系統(tǒng)中，用來控制流體的方向、壓力、流量的裝置。 閥門是使配管和設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)（液體、氣體、粉末）流動(dòng)或停止、并能控制其流量的裝置。 1.2流體力學(xué)基本概念與術(shù)語 1.2.1.流動(dòng)物質(zhì)在外力（如重力、離心力、壓差等）作用下，發(fā)生宏觀運(yùn)動(dòng)。 1.2.2.流體能夠流動(dòng)的物質(zhì) 液體、氣體,液體可以發(fā)生形變，其形狀取決于所盛裝的容器的形狀，在理想狀態(tài)下，液體不可壓縮。氣體可以改變大小，在密閉的容器中氣體總是充滿容器空間，氣體可以壓縮。 1.2.3.理想流體與實(shí)際流體：流動(dòng)時(shí)沒有粘滯性的流體為理想流體，流動(dòng)時(shí)有粘滯性的流體為實(shí)際流體。很顯然，理想流體并不

3、存在，只是為了研究某些問題的方便而提出的假設(shè)。 1.2.4. 流體力學(xué)研究流體平衡狀態(tài)規(guī)律的科學(xué)為流體靜力學(xué)，研究流體運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)為流體動(dòng)力學(xué)，綜合稱流體力學(xué)。 1.2.5. 粘度流體在流動(dòng)時(shí)，在其分子間產(chǎn)生內(nèi)摩擦的性質(zhì)，稱為流體的粘性。流體的粘性與溫度有關(guān)，對于液體，溫度升高粘度減小，氣體溫度升高粘度增加。粘性的大小用粘度表示，粘度又分為運(yùn)動(dòng)粘度與動(dòng)力粘度。 運(yùn)動(dòng)粘度單位是m2/S，簡稱斯。動(dòng)力粘度單位是Ns/m2?；騊a.s（帕.秒）,1.2.6.密度與比容,單位容積物質(zhì)的質(zhì)量稱為密度，單位為“千克/米3。常用符號表示。 單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積稱為比容，用符號表示單位為“

4、米3/千克(m3/kg)”。 常用符號v表示。 顯然，=1/v 比重：=g。國際單位為：N/m3或kN/m3。 =,1.2.7.流動(dòng)狀態(tài)：層流和紊流,層流：各層之間不相混雜的分層流動(dòng)叫做層流。 湍流：流動(dòng)具有混雜、紊亂的特征時(shí)叫做湍流。,層流,湍流（紊流）,實(shí)際流速,1.2.8.雷諾數(shù),英國物理學(xué)家雷諾曾作過試驗(yàn)并得到判斷流型的計(jì)算式，稱為雷諾公式： Re=Vd/，式中，V為流速，m/s，d為管子直徑，m., 為運(yùn)動(dòng)粘度，單位m2/s。因此，雷諾數(shù)Re是個(gè)無量綱常數(shù)，當(dāng)Re2320時(shí)為層流，Re2320為紊流，所以，Re2320稱之為臨界雷諾數(shù)。,1.2.9.水錘,水錘當(dāng)管道中介質(zhì)流速因某種外

5、界原因發(fā)生急劇變化時(shí)，將引起液體內(nèi)部壓力產(chǎn)生迅速交替升降，這種交替升降的壓力作用在管壁、閥門或其它管路元件上好像錘擊一樣，故稱為水擊（或水錘）。,1.2.10.汽蝕,汽蝕由液體中逸出的氧氣等活性氣體，借助氣泡凝結(jié)時(shí)放出的熱量，會對金屬起化學(xué)腐蝕作用。這種氣泡的形成發(fā)展和破裂以致材料受到破壞的全部過程，稱為汽蝕現(xiàn)象。在泵或閥門壓力低處水開始發(fā)生汽化時(shí)，隨著流體流動(dòng)到高壓區(qū)域，氣泡潰散，產(chǎn)生巨大沖擊，破壞金屬材料。 氣穴、空化。,1.2.11.壓力,壓力液體單位面積上所受的垂直作用壓力稱為壓力。通常用P表示。常用單位有巴、帕斯卡、兆帕、大氣壓等。換算關(guān)系：1bar=1.02kgf/cm2=100

6、000Pa=0.1MPa。 絕對壓力、相對壓力和真空度 以絕對零壓力作為基準(zhǔn)所表示的壓力，稱為絕對壓力。 以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫榛鶞?zhǔn)所表示的壓力，稱為相對壓力。相對壓力也稱表壓力。 相對壓力為負(fù)數(shù)時(shí)，工程上稱為真空度。真空度的大小以此負(fù)數(shù)的絕對值表示。 絕對壓力、相對壓力與真空度的相互關(guān)系 如下所示：,1.2.12.流阻系數(shù)和壓力損失,由于流體存在粘性，流體流動(dòng)中與管道壁面以及流體自身的摩擦所造成的阻力稱為沿程阻力，沿程阻力所造成的流體能量損失稱為沿程損失。沿程阻力系數(shù)常用表示。 局部損失 當(dāng)流動(dòng)邊界發(fā)生急劇變化時(shí)，比如在流動(dòng)方向發(fā)生改變的彎管處、管徑改變的變徑處、產(chǎn)生額外阻力的閥門等局部阻力存在

7、而產(chǎn)生的能量損失，稱為局部損失。 產(chǎn)生局部損失的原因是：流動(dòng)斷面發(fā)生變化時(shí)，斷面流速分布發(fā)生急劇變化，并產(chǎn)生大量的旋渦。由于流體的粘性作用，旋渦中的部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁沽黧w升溫，從而消耗機(jī)械能。,管道進(jìn)口、管道的突縮、突擴(kuò)部分、閥門、彎頭等管件部分均會發(fā)生局部阻力。 局部損失與管長無關(guān)，只與局部管件有關(guān) 局部阻力系數(shù)常用表示。 局部阻力的分類： 流向改變,流體改變方向,突然擴(kuò)大或突然縮小,1.2.13.流量系數(shù)Cv、Kv,流量系數(shù)Cv，指溫度為60F的水在規(guī)定的開啟位置下壓力損失為1磅時(shí)流經(jīng)閥門的流量，單位是g/min（每分鐘美制加侖）。 流量系數(shù)Kv，指溫度為540的水流過在規(guī)定的開啟位置

8、下壓力損失為1巴的閥門時(shí)的流量，單位是m3/h（每小時(shí)立方米）。 Cv=28 Kv /24,1.2.14.噪聲,噪聲是發(fā)生體做無規(guī)則振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音。通常是指那些難聽的，令人厭煩的聲音。引起人們煩躁，甚至危害人體健康的聲音。噪音的波形是雜亂無章的。 從環(huán)境保護(hù)的角度看，凡是影響人們正常學(xué)習(xí)，工作和休息的聲音，人們在某些場合“不需要的聲音”，都統(tǒng)稱為噪聲。如機(jī)器的轟鳴聲，各種交通工具的馬達(dá)聲、鳴笛聲，人的嘈雜聲及各種突發(fā)的聲響等，均稱為噪聲。 一般，閥門噪聲在距離閥體1米處測試不超過85分貝。,1.3閘閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn),1.3.1閥門的參數(shù) 參數(shù)：代表閥門特征的一些數(shù)據(jù)或符號，稱為閥門的參數(shù)。如，口徑

9、（規(guī)格），壓力（公稱壓力），溫度，介質(zhì)，流量，材料，驅(qū)動(dòng)方式等等。 閥門口徑：一般用DN（mm）或NPS（in英寸”）表示，如DN50、DN100、DN600、8”、12”等?？趶绞谴黹y門名義尺寸的重要參數(shù)。 公稱壓力（或壓力級）：一般用PN或磅級（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。公稱壓力或壓力級是代表閥門在規(guī)定溫度下承受介質(zhì)工作壓力高低的重要參數(shù)。所有閥門都不應(yīng)該在公

10、稱壓力（或壓力級）規(guī)定的溫度壓力下使用。,公稱壓力與壓力等級的對照關(guān)系,1.3.2閥門零件：,閥門零件：組成閥門外部殼體的零件一般有閥體和閥蓋；內(nèi)部零件（簡稱內(nèi)件）一般有關(guān)閉件（閘板或閥瓣）、閥座及閥桿；密封件填料、墊片；操作件手輪等。 動(dòng)件操作閥門有移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)閉件，如閘板，閥瓣。 靜件操作閥門時(shí)沒有動(dòng)作的關(guān)閉件，如閥座。 密封面動(dòng)、靜關(guān)閉件相互接觸，形成接觸密封的表面。 密封副形成密封的兩個(gè)或幾個(gè)密封件接觸面。 閘閥典型結(jié)構(gòu)見下圖,,參考圖例：,,,圖2球閥,圖3 蝶閥,1.4閘閥類型,1.4.1按閘板形狀分：楔式閘閥及平板閘閥,,,圖4楔式閘閥,圖5 平板閘閥,1.4.2按閘閥開啟時(shí)閘

11、板的動(dòng)作方式分：明桿及暗桿閘閥,,圖6 暗桿閘閥,1.4.3按閘板數(shù)量分類：單閘板及雙閘板,,,圖7 平行式雙閘板,圖8 楔式雙閘板,1.4.4按閘板關(guān)緊時(shí)是否發(fā)生變形分：彈性閘閥和剛性閘閥（死閘板）,,圖9 鋼性閘閥 （DN50以下）,圖1、圖8均為彈性閘閥,1.5閘閥用途,廣泛適用于石油化工、天然氣、電廠的水、蒸汽、油品等管路上作為接通或截?cái)嘟橘|(zhì)的啟閉裝置。 （視情況結(jié)合具體閘閥介紹）,2. 閘閥設(shè)計(jì)計(jì)算,2.1零件設(shè)計(jì) 2.1.1閥座設(shè)計(jì) 按閥座類型有：本體堆焊閥座、脹圈閥座、螺紋閥座、焊接閥座。形狀如下圖,,,圖10 本體堆焊閥座,圖11 螺紋閥座,,圖12 焊接閥座,脹圈閥座見圖9,

12、,圖13螺紋閥座零件圖例,螺紋閥座一般適用于PN10.0MPa以下，DN250以下。 閥座的受力分析。 閥座焊縫應(yīng)校核。（參見附圖,閥座2圖例，閥座小于閥體通道；閥座焊縫直徑太小。二者都會造成閥座脫落失效）,,圖14 焊接閥座零件圖 閥座密封面最小寬度：PN10.0MPa以下閥門，bmin4.5mm PN16.0MPa以上閥門，bmin7.0mm,閥座圈厚度計(jì)算,do=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5 S=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100) 式中， do閥座圈外徑mm d通道內(nèi)徑徑mm Pmax常溫最大工作壓力，kgf/cm2。 s許用應(yīng)力，kgf/c

13、m2。 NPS英制閥門規(guī)格。 CLASS壓力等級數(shù)值。 對于8”300Lb閥門 d=203mm Pmax=50 kgf/cm2 NPS=8 則， S=3.246 kgf/cm2 do =224mm,閥座圈高度計(jì)算：,H=int（a*dO）+ 式中， H閥座圈高度，mm a系數(shù) 150300Lb，a= 0.075 600900Lb，a=0.13 1500Lb，a=0.18 20002500Lb，a=0.2 3500Lb，a=0.25 常數(shù)，mm =08mm,上例中， a= 0.075 do =224mm 取，=5 則， H=22mm,2.1.2閘板設(shè)計(jì),,圖15 中低壓閘板零件圖例,,圖16 高

14、壓閘板圖例,閘板設(shè)計(jì)原則,閘板楔角一般為35。3適于低壓力級，閥體中部為橢圓結(jié)構(gòu)。 兩個(gè)設(shè)計(jì)原則： 一是，密封面中徑相等原則：即閘板與閥座的密封面直徑相等。 二是，閘板密封面設(shè)計(jì)要保證1/22/3寬度與閥座密封面相吻合。即，0.5832BM原則。BM為閘板密封面寬度。,閘板密封面寬度一般取BM=bM+（48）mm即可。比壓計(jì)算bM已經(jīng)滿足要求，BM取值太大造成浪費(fèi)。太大，造成浪費(fèi)。但應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的最小磨損余量。,,閘板的加工：,2.1.3閥體設(shè)計(jì),,圖18 中低壓閥體設(shè)計(jì)圖例,設(shè)計(jì)要點(diǎn)：,閥體中腔內(nèi)徑確定 結(jié)構(gòu)長度 最小壁厚,圓整到整數(shù)或尾數(shù)0.5 即，T=int(t+t)/2+1/2

15、閥座開檔尺寸 中法蘭 閥體中心高,中腔內(nèi)徑確定,閥體閥座孔的加工,,,閥體閥座孔的加工,閥座密封面的加工,2.1.4閥蓋設(shè)計(jì),,圖19 閥蓋設(shè)計(jì)圖例,閥蓋設(shè)計(jì)要點(diǎn),連體支架或分體支架：DN200(NPS8”)以下，采用連體支架，DN250(NPS10”)以上，采用分體支架。 閥蓋壁厚等于閥體壁厚 閥蓋內(nèi)腔高度應(yīng)與閥體中心高結(jié)合分配，以滿足閥門開啟高度。 上密封設(shè)計(jì)：本體堆焊，適用于通用閥門；上密封座設(shè)計(jì)，適用于石化閥門、電站閥門及其他重要閥門。 上密封的作用。不得借助上密封帶壓更換填料。,2.1.5閥桿設(shè)計(jì),,圖20 閥桿設(shè)計(jì)圖例,閥桿設(shè)計(jì)要點(diǎn),閥桿強(qiáng)度以梯形螺紋根部最弱，拉斷試驗(yàn)應(yīng)在此除斷裂

16、。即不允許閥桿斷在殼體內(nèi)。 梯形螺紋旋向應(yīng)滿足順時(shí)針關(guān)閉閥門，逆時(shí)針開啟閥門的規(guī)定及常規(guī)習(xí)慣。 滿足開啟高度需要。應(yīng)與閥體、閥蓋、閘板、驅(qū)動(dòng)螺母等相關(guān)零件計(jì)算，合理設(shè)計(jì)長度，包括梯形螺紋有效長度。,閥桿頭部尺寸確定,ds閥桿直徑 SA頭部掛閘板厚度，2/3 ds SB頭部掛閘板槽寬度，55/64 ds SC倒密封臺階高度，1/3 ds E倒密封臺階外園直徑，1.26 ds D大頭直徑，1.6 ds X=int(X),2.1.6裝配設(shè)計(jì),,圖21 裝配順序圖例,裝配尺寸鏈校核,,圖22 裝配尺寸鏈校核,2.2閘閥設(shè)計(jì)計(jì)算：,2.2.1閘板厚度計(jì)算 按單閘板計(jì)算其最小厚度 Hmin=SQRT(11

17、P*a2+15P*d2/4)/ 式中， Hmin單閘板最小厚度，mm 11系數(shù) 15 系數(shù) P閥門工作壓力，kgf/cm2 a閘板彈性槽根部半徑，mm d閥座密封面內(nèi)徑，mm 材料許用應(yīng)力，kgf/cm2 閘板厚度 H=2Hmin,上例中， 11=0.427， 15=0.352 P=50 kgf/cm2 a=67.5 mm d=209 mm t=1.5 mm =980 kgf/cm2 則，計(jì)算結(jié)果，Hmin=23.5 mm H=47,2.2.2閥體壁厚計(jì)算,t=1.5*pd*0.9/(-1.2P) 式中, t閥體計(jì)算壁厚, mm d閥體計(jì)算內(nèi)徑，mm 材料許用應(yīng)力，kgf/cm2 P閥門工作

18、壓力，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 則，T=17.3 mm。圖紙取17.5mm。,2.2.3閥座密封比壓計(jì)算,設(shè)計(jì)原則： qmf

19、力，MPa,上例中， dm=205 bm=5.5 =5 =0.35 則， q=71.8 MPa qmf=8.0 MPa q=80 MPa（見閥門設(shè)計(jì)手冊P428，焊STELLITE，HRc40） q

20、汽取上限）,閥桿操作扭矩,閥桿操作扭矩 T=F*/1000 式中， T閥桿操作扭矩，kgf-m 閥桿梯形螺紋系數(shù)，mm（見閥門設(shè)計(jì)手冊P446) 閥桿應(yīng)力校核 =F/A 式中， 閥桿應(yīng)力 A梯形螺紋根部面積，mm2 kgf/cm2 A=dt2/4 dt梯形螺紋根部直徑，mm,在上例中， ds=36mm h=63 mm dt=29 mm =4.42 mm pu=16 kgf/cm2 P=50 kgf/cm2,則， F=9110.7kgf Fg=1140.0kgf Fe=508.9kgf Fs=7461.kgf =13.8 kgf/cm2 T=40.3kgf-m D=1000*40.3/2/45=447mm(兩人操作，用力45kgf) 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為450mm,附圖：,不好的閥座設(shè)計(jì),,閥座內(nèi)徑小于通道直徑,,焊縫直徑太小,閘板受力分析,,剛性單閘板,,彈性閘板,閥桿受力分析,,