閘閥基礎(chǔ)知識與設(shè)計計算.ppt

1、閘閥基礎(chǔ)知識及設(shè)計計算,魏玉斌,2010年3月,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 1.4閘閥類型 1.5閘閥用途 第二部分：閘閥設(shè)計計算 2.1零件設(shè)計： 2.1.1閥座設(shè)計,閘閥基礎(chǔ)知識及設(shè)計計算,2.1.2閘板設(shè)計 2.1.3閥體設(shè)計 2.1.4閥蓋設(shè)計 2.1.5閥桿設(shè)計 2.1.6裝配設(shè)計 2.2閘閥設(shè)計計算： 2.2.1閘板厚度計算 2.2.2閥體壁厚計算 2.2.3密封比壓計算 2.2.4閥桿操作力計算,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，具有可動的機械

2、產(chǎn)品的總體（ 見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.流動物質(zhì)在外力（如重力、離心力、壓差等）作用下，發(fā)生宏觀運動。 1.2.2.流體能夠流動的物質(zhì) 液體、氣體、粉末及兩相或三湘流動物質(zhì),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.理想流體與實際流體：流動時沒有粘滯性的流體為理想流體，流動時有粘滯

3、性的流體為實際流體。很顯然，理想流體并不存在，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)，研究流體運動力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)為流體動力學(xué)，綜合稱流體力學(xué)。,1.2.5.定常流動、連續(xù)性方程及伯努利方程,定常流動：流體流經(jīng)空間各點的流速不隨時間變化。又稱穩(wěn)定流動。 流線：流體質(zhì)點在流場中不同位置的流動方向線，如下面左圖。 流線切線代表流速方向，流線的疏密代表流速大小。 定常流動流線不相交。 流管：由一組流線組成的管狀區(qū)域，如下面右圖。流管內(nèi)的流線不穿過管壁，流管內(nèi)外的流體不相互混淆。,連續(xù)性方程：理想流體在同一流管中穩(wěn)定流動時，流速與截

4、面的關(guān)系如下。 流體于時間t內(nèi)，由S1截面流動到S2截面，,則：,伯努利方程 理想流體在同一流管中穩(wěn)定流動時，流體壓強、流 速和高度所具有的壓強能、動能及位置勢能是恒定的。即，伯努利方程是流體力學(xué)中的能量轉(zhuǎn)換與守恒定律。,=常數(shù),應(yīng)用伯努利方程，人們制成了文丘里流量計及水流抽氣等應(yīng)用。,特例：v1=0,v2=0時，靜力學(xué)定理。h1=h2時，直管流動。,1.2.6.粘度、密度與比容,由于實際流體是有粘性的，必須考慮其造成的損失，故引入了粘度。在進(jìn)行計算時常用到流體密度和比容等概念 粘度流體在流動時，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

5、溫度升高粘度增加。粘性的大小用粘度表示，粘度又分為運動粘度與動力粘度。 運動粘度單位是m2/S，簡稱斯。動力粘度單位是Ns/m2?；騊a.s（帕.秒） 單位體（容）積物質(zhì)的質(zhì)量稱為密度，單位為“kg/m3。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“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.流動狀態(tài)：層流和紊流,層流：各層之間不相混雜的分層流動叫做層流。 湍流：流動具有混雜、紊亂的特征時叫做湍流。,層流,湍流（紊流）,實際流速,1.2.8.雷諾數(shù),英國物理學(xué)家雷諾曾作過試驗并得到判斷

6、流型的計算式，稱為雷諾公式： Re=Vd/，式中，V為流速，m/s，d為管子直徑，m, 為運動粘度，單位m2/s。因此，雷諾數(shù)Re是個無量綱常數(shù)。試驗表明，當(dāng)Re2320時為層流，Re2320為紊流，所以，Re2320稱之為臨界雷諾數(shù)。,流動狀態(tài)示意圖,在一定條件下的流體定常流動，繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、并排列成有規(guī)則的雙列線渦。開始時，這兩列線渦分別保持自身的運動前進(jìn),接著它們互相干擾,互相吸引,而且干擾越來越大,形成非線性的所謂渦街。著名的美籍匈牙利力學(xué)家T.von卡門最先對出現(xiàn)在圓柱繞流尾流區(qū)的兩組這種規(guī)則排列的線渦作了深入分析,人們就把這種流動現(xiàn)象稱為卡門

7、渦街。,卡門渦街,典型的例子，流體流過圓柱體，會在其后部分離形成一對渦旋，稱為貓眼,1.2.9.水錘,水錘當(dāng)管道中介質(zhì)流速因某種外界原因發(fā)生急劇變化時，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）。 這種壓強的交替升降，會達(dá)到正常管道壓力的十倍甚至更高的數(shù)值，導(dǎo)致管道系統(tǒng)發(fā)生強烈的振動、嚴(yán)重變形甚至爆裂。 如何防止水錘或減小其影響？ 合理選擇參數(shù)，并盡可能延長閥門調(diào)節(jié)時間，以避免產(chǎn)生直接水擊。 在管壁材料強度允許的條件下，應(yīng)當(dāng)選用直徑較大，管壁較薄的水管。 安裝伸縮器、減震器。,1.2.10.汽蝕,汽蝕由液體中逸出的氧

8、氣等活性氣體，借助氣泡凝結(jié)時放出的熱量，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)生汽化產(chǎn)生氣泡，隨著流體流動到高壓區(qū)域，氣泡潰散，產(chǎn)生巨大沖擊，破壞金屬材料。 汽蝕又稱氣穴、空化。 如何防止和減小汽蝕危害？ 避免流道突變。 不要使閥門前后產(chǎn)生過大壓差，必要時可以多級調(diào)節(jié)壓力。,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=105Pa=1.02kgf/cm2=0.1MPa。 1MPa=106Pa=10bar=10.2kgf/cm2

9、 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，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。沿程壓力損失 局部損失 當(dāng)流動邊界發(fā)生急劇變化時，比如在流動方向發(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而產(chǎn)生的能量損失

10、，稱為局部損失。局部阻力系數(shù)常用表示。局部壓力損失,產(chǎn)生局部損失的原因是：流動斷面發(fā)生變化時，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) 局部阻力的分類： 流向改變,流體改變方向,突然擴(kuò)大或突然縮小,壓力和壓頭損失計算式,流體通過閥門時，對于紊流流態(tài)的液體閥門的壓力損失p（M Pa）為: P= V2/2 相應(yīng)的壓頭損失為： h= V2/2g 式中 p 閥門的壓力損失，單位為Pa。 閥門的流阻系數(shù)； 流體密度，單

11、位為kg/m3。 V 流體在管道內(nèi)的平均流速，單位為m/s； g重力加速度，N/S2,各種閥門的阻力系數(shù),閥門的流阻系數(shù)取決于閥門的尺寸、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部流道形狀等。 不同閥門全開時的平均流阻系數(shù)范圍如下。 全徑球閥： =0.020.1 閘閥：=0.10.3 蝶閥：=0.21.5（蝶板厚度越大，越大） 旋塞閥（矩形通道，全流道面積）：=0.30.5 旋啟式止回閥： =0.351.0 直通式隔膜閥：=0.60.9 堰式隔膜閥：=2.03.5 鑄造截止閥：=4.010.0 鍛造造截止閥：=5.013.0,1.2.13.流量系數(shù)Av、Kv 、Cv,在IEC534-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定流量系數(shù)Av為： Av=Q(

12、 / P)1/2 Q=A(2P/ ) = Av(P/ ) Av=A(2/ ) 1/2 為了便于工程計算和應(yīng)用定義了流量系數(shù)Kv和Cv。 流量系數(shù)Kv，是指溫度為540的水流過在規(guī)定的開啟位置下壓力損失為1巴的閥門時的流量，單位是m3/h（每小時立方米）。 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磅時流經(jīng)閥門的流量，單位是g/min（每分鐘美制加侖）。 通過單位換算，Av與Kv和Cv之間的關(guān)系分別為： Kv = 106Av/ 28 Cv = 106Av/ 24 因此，Cv=28 Kv /24=1.17 Kv,閘閥流量系數(shù),截止閥流量系數(shù),閘閥與截止閥流量系數(shù)比較,各類閥門的

13、流阻系數(shù)應(yīng)當(dāng)實測獲得。測試的基礎(chǔ)條件是建立流量試驗臺架，保持閥門內(nèi)的穩(wěn)定流量，測得進(jìn)出口壓力降，從而獲得介質(zhì)流過閥門時的壓降和阻力系數(shù)。,1.2.14.噪聲,噪聲是發(fā)生體做無規(guī)則振動時發(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。,噪聲限定曲線,1.3閘閥結(jié)構(gòu)特點,1.3.1閥門的參數(shù)

14、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（規(guī)格），壓力（公稱壓力），溫度，介質(zhì)，流量，材料，驅(qū)動方式等等。 閥門口徑：一般用DN（mm）或NPS（in英寸”）表示，如DN50、DN100、DN600、8”、12”等。口徑是代表閥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)

15、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：,1.3.2.1殼體承壓件，將介質(zhì)包圍在內(nèi)的零件。如閥體、閥蓋等。閘板、閥桿也稱為承壓件。如閥門關(guān)閉時閘板受壓。閥桿處在介質(zhì)內(nèi)外，有時在頂端產(chǎn)生外漏。 1.3.2.2內(nèi)件浸漬在介質(zhì)內(nèi)的零件。如閥座、閘板（閥瓣、蝶板、球體）閥桿、密封圈等等。 1.3.2.3關(guān)閉件截斷介質(zhì)流動等零件，屬于內(nèi)件。如，閥座、閘板（閥瓣、蝶板、球體）等。 1.3.2.4密封面關(guān)閉閥門時，相互接觸其封堵介質(zhì)作用的平面或曲面。 1.3.2.5密封副形成密封面的一對零件。 1

16、.3.2.6動件開關(guān)閥門時，產(chǎn)生運動實現(xiàn)密封的零件。如閘板（閥瓣、蝶板、球體）等。 1.3.2.7靜件開關(guān)閥門時，靜止不動，與運動部件接觸形成密封的零件。如，閥座。,1.3.2.8動密封關(guān)閉件形成的密封。又稱主密封、內(nèi)部密封或上下游密封。 1.3.2.9靜密封形成密封的零件之間不發(fā)生相對運動。如，閥體閥蓋之間的密封。又叫對外密封。 1.3.2.10副密封閥桿與閥蓋之間形成的密封。又稱上密封或倒密封。一般存在與閘閥、截止閥或節(jié)流閥結(jié)構(gòu)。 1.3.2.11密封種類按照不同結(jié)構(gòu)、不同原理對密封進(jìn)行類別劃分。 按結(jié)構(gòu)分類，如，軟密封（非金屬密封副，如填料密封和墊片密封）、硬密封（金屬密封）或多層次復(fù)合

17、密封。 按密封原理分類有強制密封、自動密封或半自動密封等。 閘閥典型結(jié)構(gòu)見下圖，其殼體、內(nèi)件、動件、靜件及密封形式如圖。,閘閥典型結(jié)構(gòu)圖,參考圖例：,圖2球閥,圖3 蝶閥,1.3.3密封泄漏關(guān)系,內(nèi)漏閥門關(guān)閉件之間產(chǎn)生的泄漏，又稱密封面泄漏或密封漏。一般是泄漏到下游管道內(nèi)部。也有泄漏在外部，如安全閥及真空破壞閥等。 外漏介質(zhì)泄漏到閥門殼體包圍以外的空間里。有填料泄漏、墊片泄漏及殼體表面泄漏等。,閥桿填料密封和上密封,密封的作用:減緩介質(zhì)對填料侵蝕。不意味著可以帶壓更換填料,1.3.4墊片密封,1.3.5密封原理,強制密封、半自動密封,強制密封型式,雙向強制密封閘板,自動密封閘板,密封機理：,塑

18、性密封非金屬墊片，在密封力作用下發(fā)生塑性變形。一般不能重復(fù)使用。 彈性密封金屬密封環(huán)，在密封力作用下發(fā)生彈性變形，密封環(huán)可以重復(fù)使用。,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按閘閥開啟時閘板的動作方式分：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斷介質(zhì)的啟閉

19、裝置。 （視情況結(jié)合具體閘閥介紹）,2. 閘閥設(shè)計計算,2.1零件設(shè)計 2.1.1閥座設(shè)計 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,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,閥座圈厚度計算,d

20、o=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/cm2。 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 20

21、002500Lb，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,圖15 中低壓閘板零件圖例,圖16 高壓閘板圖例,閘板設(shè)計原則,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)。 兩個設(shè)計原則： 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。比壓計算bM已經(jīng)滿足要求，BM取值太大造成浪費。太大，造成浪費

22、。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,圖18 中低壓閥體設(shè)計圖例,設(shè)計要點：,閥體中腔內(nèi)徑確定 結(jié)構(gòu)長度 最小壁厚 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,圖19 閥蓋設(shè)計圖例,閥蓋設(shè)計要點,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：本體堆焊，適用于通用閥門；上密封座設(shè)計，適用于石化閥門、電站閥門及其他重要閥門。 上密封的

23、作用。不得借助上密封帶壓更換填料。,2.1.5閥桿設(shè)計,圖20 閥桿設(shè)計圖例,閥桿設(shè)計要點,閥桿強度以梯形螺紋根部最弱，拉斷試驗應(yīng)在此除斷裂。即不允許閥桿斷在殼體內(nèi)。 梯形螺紋旋向應(yīng)滿足順時針關(guān)閉閥門，逆時針開啟閥門的規(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)動螺母等相關(guān)零件計算，合理設(shè)計長度，包括梯形螺紋有效長度。,2.1.6裝配設(shè)計,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)計計算：,2.2.1閘板厚度計算 按單閘板計算其最小厚度 Hmin=SQRT(11P*a2+15P*d2/4)/ 式中， Hmin單閘板最小厚度，mm 11系數(shù) 15

24、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=20 kgf/cm2 a=67.5 mm d=209 mm t=1.5 mm =980 kgf/cm2 則，計算結(jié)果，Hmin=23.5 mm H=47,2.2.2閥體壁厚計算,t=1.5*d*0.9/(-1.2P) 式中, t閥體計算壁厚, mm d閥體計算內(nèi)徑，mm 材料許用應(yīng)力，kgf/cm2 P閥門工作壓力，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閥座密封比壓計算,設(shè)計原則： qmfqq q= qmf+（1+1/（1-tg）)*(dm+bm)p/4/bm 式中， q 閥座計算比壓，MPa qmf密封必須比壓，MPa（見閥門設(shè)計手冊P427） 摩擦系數(shù)（0.30.5，用于水，取下限，用于蒸汽取上限） 閘板半角 dm閥座密封面內(nèi)徑，mm bm閥座密封面有效寬度