大口徑英標(biāo)鑄鐵閘閥結(jié)構(gòu)設(shè)計? 大口徑明桿鑄鐵閘閥結(jié)構(gòu)設(shè)計? 英標(biāo)鑄鐵閘閥結(jié)構(gòu)設(shè)計? 大口徑閘閥設(shè)計

英標(biāo)鑄鐵閘閥，在英國、新加坡、馬來西亞和中東一些國家的供水管道和工業(yè)管道上被廣泛使用，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見：開式齒輪傳動閘閥見圖1；閉式齒輪傳動閘閥見圖2。本文著重闡述了1.6MPaDN300～1000英標(biāo)鑄鐵閘閥的閥體壁厚、閥蓋壁厚、閘板壁厚、閥桿直徑的設(shè)計計算和設(shè)計驗(yàn)證——型式試驗(yàn)。鑄鐵閘閥的啟閉件是閘板，閘板的運(yùn)動方向與流體方向相垂直，閘閥只能作全開和全關(guān) , 不能作調(diào)節(jié)和節(jié)流。閘板有兩個密封面 , 常用的模式閘板閥的兩個密封面形成楔形、楔形角式閥門。Z41T鑄鐵閘閥按密封面配置可分為楔式閘板式閘閥和平行閘板式閘閥 , 楔式閘板式閘閥又可分為:單閘極式、雙閘板式和彈性閘板式；平行閘板式閘閥可分為單閘板式和雙閘板式。按閥桿的螺紋位置劃分，可分為明桿閘閥和暗桿閘閥兩種。鑄鐵閘閥可廣泛用于自來水、污水、建筑、石油、化工、食品、醫(yī)藥、輕紡、電力、船舶、冶金、能源系統(tǒng)等體管線上作為調(diào)節(jié)和截流裝置使用。

　　2 大口徑英標(biāo)鑄鐵閘閥結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計

　　2.1閥體壁厚的設(shè)計計算
　　BS5163、BS5150標(biāo)推中并未給出殼體小壁厚的數(shù)據(jù)，設(shè)計時，必須對閥體壁厚進(jìn)行設(shè)計計算。設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，閥體壁厚的設(shè)計，除了考慮閥體強(qiáng)度之外，還應(yīng)考慮閥體的剛度，即應(yīng)將閥體體腔的變形(指在1．6MPa介質(zhì)壓力的作用下)控制在0．001DN范圍之內(nèi)，否則，閥體會因受力變形而無法達(dá)到密封。 

解決閥體剛度的方法，在閥體的外部、內(nèi)腔設(shè)計加強(qiáng)筋，且閥體外部的加強(qiáng)筋與閥體的端法蘭相連接，來達(dá)到增加閥體的剛性，必要時可設(shè)計成不等壁厚，即增加閥體近似橢圓形截面中腔部分的壁厚。 

設(shè)計時，閥蓋壁厚S′B2通常不再進(jìn)行設(shè)計計算，直接取閥體壁厚的0．95作為閥蓋的壁厚。DN300～DN1000閥蓋小壁厚數(shù)據(jù)。BS5163、BS5150標(biāo)準(zhǔn)中，同樣未給出閥桿小直徑的數(shù)據(jù)，設(shè)計時，必須對閥桿直徑進(jìn)行設(shè)計計算，其計算公式如下： 

式中K——閥桿設(shè)計計算系數(shù)，其中DN300～DN500，K取0．70～0．75；DN600～DNl00。K取0.60～0．65； 
BS5163、BS5150標(biāo)推中并未給出殼體小壁厚的數(shù)據(jù)，設(shè)計時，必須對閥體壁厚進(jìn)行設(shè)計計算。 
設(shè)計時，將閥體中腔的截面形狀設(shè)計為近似橢圓形，見圖3，其壁厚S′B1的設(shè)計計算，是用橢圓形壁厚的計算公式導(dǎo)出的計算公式： 
式中K——近似橢圓形截面閥體壁厚系數(shù)，其中DN300～DN500，K取1．13，DN600～DNl000，K取1.07；P——介質(zhì)壓力，設(shè)計時，P取1．6MPa； 
a——近似橢圓形截面的長軸(mm)； 
[σL]——鑄鐵(HT250)許用拉應(yīng)力，[σL]取35．28MPa；
　　設(shè)計時，將閥體中腔的截面形狀設(shè)計為近似橢圓形，見圖3，其壁厚S′B1的設(shè)計計算，是用橢圓形壁厚的計算公式導(dǎo)出的計算公式：式中K——近似橢圓形截面閥體壁厚系數(shù)，其中DN300～DN500，K取1.13，DN600～DNl000，K取1.07；

　　P——介質(zhì)壓力，設(shè)計時，P取1.6MPa；

　　a——近似橢圓形截面的長軸(mm)；

　　[σL]——鑄鐵(HT250)許用拉應(yīng)力，[σL]取35.28MPa；

　　C——腐蝕余量，C取5(mm)。

　　DN300～DN1000閥體小壁厚的設(shè)計計算結(jié)果見表1。

　　設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，閥體壁厚的設(shè)計，除了考慮閥體強(qiáng)度之外，還應(yīng)考慮閥體的剛度，即應(yīng)將閥體體腔的變形(指在1.6MPa介質(zhì)壓力的作用下)控制在0.001DN范圍之內(nèi)，否則，閥體會因受力變形而無法達(dá)到密封。

　　解決閥體剛度的方法見圖1，在閥體的外部、內(nèi)腔設(shè)計加強(qiáng)筋，且閥體外部的加強(qiáng)筋與閥體的端法蘭相連接，來達(dá)到增加閥體的剛性，必要時可設(shè)計成不等壁厚，即增加閥體近似橢圓形截面中腔部分的壁厚。
　
　2.2 閥蓋壁厚的設(shè)計
　　設(shè)計時，閥蓋壁厚S′B2通常不再進(jìn)行設(shè)計計算，直接取閥體壁厚的0.95作為閥蓋的壁厚。DN300～DN1000閥蓋小壁厚數(shù)據(jù)見表2；閥蓋加強(qiáng)筋的設(shè)計見圖1。

　　2.3 閘板壁厚的設(shè)計計算
　　BS5163、BS5150標(biāo)準(zhǔn)中，同樣未給出閘板小壁厚的數(shù)據(jù)，設(shè)計時，必須對閘板壁厚S′B3進(jìn)行設(shè)計計算，其計算公式如下：式中d——通徑(mm)；
　　P——介質(zhì)壓力，設(shè)計時，P取1.6MPa；
　　[σW]——鑄鐵(HT250)許用彎曲應(yīng)力，[σW]取56.84MPa；
　　C——腐蝕余量，C取3(mm)。
　　DN300～DN1000閘板小壁厚的設(shè)計計算結(jié)果見表3。

　　2.4閥桿直徑的設(shè)計計算
　　BS5163、BS5150標(biāo)準(zhǔn)中，同樣未給出閥桿小直徑的數(shù)據(jù)，設(shè)計時，必須對閥桿直徑進(jìn)行設(shè)計計算，其計算公式如下：式中K——閥桿設(shè)計計算系數(shù)，其中DN300～DN500，K取0.70～0.75；DN600～DNl00。K取0.60～0.65；

　　Q——閥桿開啟時的軸向力(N)；

　　[σL]——鑄鐵(HT250)許用拉應(yīng)力，[σL]取35.28MPa；

　　其中Q采用簡易計算公式，且因QG(閘板組件的重量)數(shù)值小，不予計算。式中QMF——密封面達(dá)到必需比壓時的作用力(N)；

　　QMJ——密封面介質(zhì)靜壓作用力(N)；

　　d——通徑，d=DN(mm)；

　　bm——閥體密封面寬度(mm)；

　　qmf——必需密封比壓(MPa)；

　　P——介質(zhì)壓力，設(shè)計時，P取1.6MPa。

　　DN300～DN1000閥桿小直徑的設(shè)計計算數(shù)據(jù)見表4。

Z41T鑄鐵閘閥性能規(guī)范：
型號：Z41F-10\16
材質(zhì)：HT200灰鑄鐵，球墨鑄鐵
公稱壓力:1.0-1.6
強(qiáng)度試驗(yàn)（水）：Mpa 2.4
密封試驗(yàn)（水):Mpa 1.8
適用介質(zhì):水 適用溫度℃: ≤200℃

大口徑的管線閥門要求增多。由于角行程類閥結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕越來越受到重視，傳統(tǒng)的的閘閥也逐步會被角行程的蝶閥所代替。公稱通徑大于DN500的閘閥和球閥均屬于大口徑的閥門。閥門在關(guān)閉時承受的靜壓力負(fù)荷會以幾何級數(shù)增加。因此軸的強(qiáng)度，軸承的負(fù)載，不平衡力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力等都是必須考慮的因素。在選型時候要注意下面的問題：
　  (1)系統(tǒng)壓力及壓差不可太大，以便能夠提供有足夠余量的大推力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并減輕重量。
      (2)因噪聲水平與流量成比例，因此噪聲水平是必須仔細(xì)考慮問題，應(yīng)盡可能地選擇直通流道或增設(shè)小孔噴射型結(jié)構(gòu)，減小流體通過節(jié)流口的速度和流量來降低噪聲水平。
      (3)因受力面積大，不平衡力大，不穩(wěn)定因素多，因此提高閥整體剛度和抗震性也是一個必須考慮的因素。
      (4)對于大口徑鑄鐵閘閥，因尺寸大、重量大，運(yùn)輸、安裝、維護(hù)都比較復(fù)雜，將閥門裝到管線里以及拆卸和更換主要零部件都需使用吊車等設(shè)備，因此，提高可靠性，減輕重量也是一個需重點(diǎn)考慮的方面

3 大口徑閘閥設(shè)計驗(yàn)證——型式試驗(yàn)
　　DN300～DN1000英標(biāo)鑄鐵閘閥樣機(jī)，通過了馬來西亞國家質(zhì)量機(jī)構(gòu)SiRiM的型式試驗(yàn)，對設(shè)計進(jìn)行了驗(yàn)證，型式試驗(yàn)嚴(yán)格按照英國國家標(biāo)準(zhǔn)BS5163：1986進(jìn)行。型式試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目有：外觀檢驗(yàn)、尺寸檢驗(yàn)、材料理化試驗(yàn)、殼體強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、大功能扭矩試驗(yàn)、小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)、清潔度檢驗(yàn)、涂層和標(biāo)志檢驗(yàn)。

　　這里著重介紹殼體強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)，大功能扭矩試驗(yàn)、小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)。

　　3.1 殼體強(qiáng)度試驗(yàn)

　　殼體強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)壓力2.4MPa，保持試驗(yàn)壓力短持續(xù)時間1h,不得有肉眼可見滲漏。

　　3.2 密封試驗(yàn)

　　密封試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)壓力1.76MPa，保持試驗(yàn)壓力短持續(xù)時間15min，不得有肉眼可見滲漏，即在閥體的密封面上，15min內(nèi)不能有任何肉眼可見的滲漏，包括掛在密封面上小水珠。

　　需要再次強(qiáng)調(diào)的是：設(shè)計的閥體必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，密封試驗(yàn)時，殼體的變形必須控制在0.001DN范圍之內(nèi)，否則將很難通過密封試驗(yàn)。

　　3.3 大功能扭矩試驗(yàn)

　　大功能扭矩試驗(yàn)，是指閘閥在無介質(zhì)壓力和有介質(zhì)壓力的情況下，在開、關(guān)的全過程中，任一瞬間其大的扭矩都不能超過表5規(guī)定的扭矩。

　　3.4 小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)

　　小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)，是對PN1.6MPaDN300～DNlO00英標(biāo)鑄鐵閘閥設(shè)計的驗(yàn)證，其試驗(yàn)步驟：

　　3.4.1 全開、全關(guān)試驗(yàn)

　　用大功能試驗(yàn)扭矩對閥門進(jìn)行全開、全關(guān)操作試驗(yàn)，并做好全開、全關(guān)位置的記號，同時記錄全開、全關(guān)過程中閥桿的轉(zhuǎn)動圈數(shù)。

　　3.4.2閥處于全關(guān)位置的小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)

　　閥處于全關(guān)位置后，再在閥桿的四方頭上，順著關(guān)緊的方向(順時針方向)，逐漸施加大功能試驗(yàn)扭矩3倍的扭矩，即小強(qiáng)度試驗(yàn)扭矩，見表6；以驗(yàn)證閥體、閥蓋、閘板、閥桿、閥桿螺母、填料函等主要零件及中法蘭螺栓的強(qiáng)度是否達(dá)到BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　3.4.3閥處于全開位置的小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)

　　閥處于全開位置后，再在閥桿的四方頭上，順著開啟的方向(逆時針方向)，逐漸施加大功能試驗(yàn)扭矩3倍的扭矩，即小強(qiáng)度試驗(yàn)扭矩，見表6；以驗(yàn)證閥體、閥蓋、閘板、閥桿、閥桿螺母、填料函等主要零件及中法蘭螺栓的強(qiáng)度是否達(dá)到BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　3.4.4密封試驗(yàn)

　　重新用大功能試驗(yàn)扭矩使閥處于全關(guān)位置，再次進(jìn)行密封試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)壓力1.76MPa,保持試驗(yàn)壓力短持續(xù)時間15min

　　不得有任何肉眼可見的滲漏，以確認(rèn)閥是否產(chǎn)生變形；設(shè)計是否達(dá)到BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　3.4.5全開、全關(guān)試驗(yàn)

　　再次用大功能試驗(yàn)扭矩對閥進(jìn)行全開、全關(guān)操作試驗(yàn)，并核對全開、全關(guān)的位置是否與3.4.1試驗(yàn)時全開、全關(guān)的位置是否相符；再次記錄全開、全關(guān)過程中閥桿的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，核對是否與3.4.1試驗(yàn)時閥桿的轉(zhuǎn)動圈數(shù)是否相同，以確認(rèn)閥桿、閥桿螺母的強(qiáng)度、剛度是否滿足BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　3.5零件檢驗(yàn)

　　拆開零件，檢驗(yàn)閥體、閥蓋、閘板、閥桿、閥桿螺母、填料函等零件及中法蘭的螺柱、螺母是否完好，以確認(rèn)閥體、閥蓋、閘板、閥桿、閥桿螺母、填料函等主要零件及中法蘭螺栓的設(shè)計是否滿足BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　經(jīng)設(shè)計驗(yàn)證——型式試驗(yàn)，確認(rèn)BS5163、BS51501.6MPaDN300～DNl000英標(biāo)鑄鐵閘閥的設(shè)計滿足了BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求，投入了批量生產(chǎn)，并大批量出口馬來西亞、新加坡。通過設(shè)計，深切感到BS5163標(biāo)準(zhǔn)的型式試驗(yàn)方法——小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)是十分科學(xué)的，應(yīng)該在閥門行業(yè)中推廣，這是企業(yè)進(jìn)行閥門新產(chǎn)品設(shè)計驗(yàn)證的好辦法；深切感到閥門行業(yè)應(yīng)該規(guī)范各類閥門的大功能試驗(yàn)扭矩，即規(guī)范各類閥門的啟閉力矩，這是時代發(fā)展、社會進(jìn)步對閥門進(jìn)行人性化設(shè)計提出的新要求。