英标铸铁闸阀设计计算

1 英标铸铁闸阀设计计算概述

　　之前介绍SY42AX煤矿水管路减压阀应用案例，现在介绍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。英标铸铁闸阀由过滤网、阀休、阀盖、铸铁、排水喷嘴、发射管、发射台和滤网托组成。它美观、简单、形状象铸铁，其特点如下:
(1)没有杠杆和铰链。

(2)铸铁是的活动零件。
(8)能排出凝结水和空气，能防止蒸汽泄PO
(4)通用性好，几乎适合所有用途。
(5)坚固，*，使用寿命长。
(6)工作效率高且容易维护。
(7)坚固的铸铁不会因水击或结冻而破损。
工作原理如。
(1)开始运行时，铸铁静比在发射台上，使凝结水喷嘴放出空气和冷水.
(2)当蒸汽进入英标铸铁闸阀时，铸铁上升关闭排水孔。
(3)当凝结水进入时，铸铁内蒸汽冷凝和从其顶上的小孔逸出，浮力逐渐减小而下沉，离开凝结水喷嘴，凝结水通过排水孔排出。当蒸汽进入英标铸铁闸阀时，铸铁又上升到 (b)所示的位置。
如果d值过小，不能满足排量要求，可加大铸铁的D值和重量W，以增大d达到排量要求。
铸铁也可用来控制差动阀的开闭以增大排量而不增大阀的体积。



　　2 英标铸铁闸阀设计计算设计

　　2.1阀体壁厚的设计计算
　　上海申弘阀门有限公司主营阀门有：蒸汽减压阀,减压阀(气体减压阀,可调式减压阀BS5163、BS5150标推中并未给出壳体小壁厚的数据，设计时，必须对阀体壁厚进行设计计算。铸铁型英标铸铁闸阀，吸取了钟形浮子式英标铸铁闸阀和偏座型自由浮球式英标铸铁闸阀的优点，在初期性能和耐久性两方面都显示了以下优越性:
1.当蒸汽进人铸铁阀内，即可直接关闭油孔，待凝结水流过便直接开阀，在机械动作原理上无蒸汽泄漏。

2.凝结水喷嘴被水密封，密封性能非常好，不会泄漏蒸汽。
其它浮桶式英标铸铁闸阀因为阀瓣(阀片、球体)在英标铸铁闸阀上部，阀与阀座之间密封性差，同时，磨损也会促使阀的寿命缩短。
3，凝结水喷嘴的正面在铸铁的上半球上，因为经常更换新的接触部位，所以磨损小，一般经使用还能保持其初期的密封性能。
4.凝结水喷嘴使用了特殊材料，几乎不磨损。
5. 铸铁上无杠杆、铰链，其球体稳定地浮在水上(图 2-47)。因此，不同于倒吊桶式英标铸铁闸阀动作时是通过杠杆把不规则的振动传递到铰链或阀瓣，使其关键部位变坏。
6. 英标铸铁闸阀的稳定性 ,凝结水分散流向四面八方，防止了水击现象等故障，可靠地将凝结水或蒸汽导入铸铁内的发射管。发射台对铸铁的动作保持适宜的角度，铸铁上浮时，保证球体的密封为单点密封(与凝结水喷嘴)和双点导向(盖内);由于凝结水喷嘴为多孔式结构能使铸铁缓和接触喷嘴。
7.由于英标铸铁闸阀用途广泛，可以减少使用其他种类的英标铸铁闸阀和库存量。
8.关键部位的零件只有凝结水喷嘴和铸铁两种，因此，经使用后的零件容易更换。
铸铁蒸汽英标铸铁闸阀也是一种优良产品。英标铸铁闸阀的采用，可以提高用汽设备的热效率，把蒸汽耗量控制在小限度，并且有利于维修管理，从而可提高整个供气装置的经济效益。铸铁系列的规格。

　　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；

　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa；

　　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英标铸铁闸阀设计计算 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；
　　C——腐蚀余量，C取3(mm)。
　　DN300～DN1000闸板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)；

　　[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)；

　　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)；

　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa。

　　DN300～DN1000阀杆小直径的设计计算数据见表4。

　　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、大功能扭矩试验、小强度扭矩试验、清洁度检验、涂层和标志检验。

　　这里着重介绍壳体强度试验、密封试验，大功能扭矩试验、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 大功能扭矩试验

　　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，任一瞬间其大的扭矩都不能超过表5规定的扭矩。

　　3.4 小强度扭矩试验

　　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

　　用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)，逐渐施加大功能试验扭矩3倍的扭矩，即小强度试验扭矩，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)，逐渐施加大功能试验扭矩3倍的扭矩，即小强度试验扭矩，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

　　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。



　　英标铸铁闸阀设计计算经设计验证——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——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。与本文相关的论文：自力式煤气调压阀组​