英標鑄鐵閘閥設計計算

1 英標鑄鐵閘閥設計計算概述

　　之前介紹SY42AX煤礦水管路減壓閥應用案例，現在介紹BS5163、BS51501.6MPaDN300～DNl000英標鑄鐵閘閥，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管道上被廣泛使用，其結構特點見：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英標鑄鐵閘閥的閥體壁厚、閥蓋壁厚、閘板壁厚、閥桿直徑的設計計算和設計驗證——型式試驗。英標鑄鐵閘閥由過濾網、閥休、閥蓋、鑄鐵、排水噴嘴、發射管、發射臺和濾網托組成。它美觀、簡單、形狀象鑄鐵，其特點如下:
(1)沒有杠桿和鉸鏈。

(2)鑄鐵是的活動零件。
(8)能排出凝結水和空氣，能防止蒸汽泄PO
(4)通用性好，幾乎適合所有用途。
(5)堅固，*，使用壽命長。
(6)工作效率高且容易維護。
(7)堅固的鑄鐵不會因水擊或結凍而破損。
工作原理如。
(1)開始運行時，鑄鐵靜比在發射臺上，使凝結水噴嘴放出空氣和冷水.
(2)當蒸汽進入英標鑄鐵閘閥時，鑄鐵上升關閉排水孔。
(3)當凝結水進入時，鑄鐵內蒸汽冷凝和從其頂上的小孔逸出，浮力逐漸減小而下沉，離開凝結水噴嘴，凝結水通過排水孔排出。當蒸汽進入英標鑄鐵閘閥時，鑄鐵又上升到 (b)所示的位置。
如果d值過小，不能滿足排量要求，可加大鑄鐵的D值和重量W，以增大d達到排量要求。
鑄鐵也可用來控制差動閥的開閉以增大排量而不增大閥的體積。



　　2 英標鑄鐵閘閥設計計算設計

　　2.1閥體壁厚的設計計算
　　上海申弘閥門有限公司主營閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥BS5163、BS5150標推中并未給出殼體小壁厚的數據，設計時，必須對閥體壁厚進行設計計算。鑄鐵型英標鑄鐵閘閥，吸取了鐘形浮子式英標鑄鐵閘閥和偏座型自由浮球式英標鑄鐵閘閥的優點，在初期性能和耐久性兩方面都顯示了以下*性:
1.當蒸汽進人鑄鐵閥內，即可直接關閉油孔，待凝結水流過便直接開閥，在機械動作原理上無蒸汽泄漏。

2.凝結水噴嘴被水密封，密封性能非常好，不會泄漏蒸汽。
其它浮桶式英標鑄鐵閘閥因為閥瓣(閥片、球體)在英標鑄鐵閘閥上部，閥與閥座之間密封性差，同時，磨損也會促使閥的壽命縮短。
3，凝結水噴嘴的正面在鑄鐵的上半球上，因為經常更換新的接觸部位，所以磨損小，一般經使用還能保持其初期的密封性能。
4.凝結水噴嘴使用了特殊材料，幾乎不磨損。
5. 鑄鐵上無杠桿、鉸鏈，其球體穩定地浮在水上(圖 2-47)。因此，不同于倒吊桶式英標鑄鐵閘閥動作時是通過杠桿把不規則的振動傳遞到鉸鏈或閥瓣，使其關鍵部位變壞。
6. 英標鑄鐵閘閥的穩定性 ,凝結水分散流向四面八方，防止了水擊現象等故障，可靠地將凝結水或蒸汽導入鑄鐵內的發射管。發射臺對鑄鐵的動作保持適宜的角度，鑄鐵上浮時，保證球體的密封為單點密封(與凝結水噴嘴)和雙點導向(蓋內);由于凝結水噴嘴為多孔式結構能使鑄鐵緩和接觸噴嘴。
7.由于英標鑄鐵閘閥用途廣泛，可以減少使用其他種類的英標鑄鐵閘閥和庫存量。
8.關鍵部位的零件只有凝結水噴嘴和鑄鐵兩種，因此，經使用后的零件容易更換。
鑄鐵蒸汽英標鑄鐵閘閥也是一種優良產品。英標鑄鐵閘閥的采用，可以提高用汽設備的熱效率，把蒸汽耗量控制在小限度，并且有利于維修管理，從而可提高整個供氣裝置的經濟效益。鑄鐵系列的規格。

　　設計時，將閥體中腔的截面形狀設計為近似橢圓形，見圖3，其壁厚S′B1的設計計算，是用橢圓形壁厚的計算公式導出的計算公式：式中K——近似橢圓形截面閥體壁厚系數，其中DN300～DN500，K取1.13，DN600～DNl000，K取1.07；

　　P——介質壓力，設計時，P取1.6MPa；

　　a——近似橢圓形截面的長軸(mm)；

　　[σL]——鑄鐵(HT250)許用拉應力，[σL]取35.28MPa；

　　C——腐蝕余量，C取5(mm)。

　　DN300～DN1000閥體小壁厚的設計計算結果見表1。

　　設計中發現，閥體壁厚的設計，除了考慮閥體強度之外，還應考慮閥體的剛度，即應將閥體體腔的變形(指在1.6MPa介質壓力的作用下)控制在0.001DN范圍之內，否則，閥體會因受力變形而無法達到密封。

　　解決閥體剛度的方法見圖1，在閥體的外部、內腔設計加強筋，且閥體外部的加強筋與閥體的端法蘭相連接，來達到增加閥體的剛性，必要時可設計成不等壁厚，即增加閥體近似橢圓形截面中腔部分的壁厚。

　
　2.2英標鑄鐵閘閥設計計算 閥蓋壁厚的設計
　　設計時，閥蓋壁厚S′B2通常不再進行設計計算，直接取閥體壁厚的0.95作為閥蓋的壁厚。DN300～DN1000閥蓋小壁厚數據見表2；閥蓋加強筋的設計見圖1。

　　2.3 閘板壁厚的設計計算
　　BS5163、BS5150標準中，同樣未給出閘板小壁厚的數據，設計時，必須對閘板壁厚S′B3進行設計計算，其計算公式如下：式中d——通徑(mm)；
　　P——介質壓力，設計時，P取1.6MPa；
　　[σW]——鑄鐵(HT250)許用彎曲應力，[σW]取56.84MPa；
　　C——腐蝕余量，C取3(mm)。
　　DN300～DN1000閘板小壁厚的設計計算結果見表3。

　　2.4閥桿直徑的設計計算
　　BS5163、BS5150標準中，同樣未給出閥桿小直徑的數據，設計時，必須對閥桿直徑進行設計計算，其計算公式如下：式中K——閥桿設計計算系數，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)數值小，不予計算。式中QMF——密封面達到必需比壓時的作用力(N)；

　　QMJ——密封面介質靜壓作用力(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——介質壓力，設計時，P取1.6MPa。

　　DN300～DN1000閥桿小直徑的設計計算數據見表4。

　　3 設計驗證——型式試驗
　　DN300～DN1000英標鑄鐵閘閥樣機，通過了馬來西亞國家質量機構SiRiM的型式試驗，對設計進行了驗證，型式試驗嚴格按照英國國家標準BS5163：1986進行。型式試驗的試驗項目有：外觀檢驗、尺寸檢驗、材料理化試驗、殼體強度試驗、密封試驗、大功能扭矩試驗、小強度扭矩試驗、清潔度檢驗、涂層和標志檢驗。

　　這里著重介紹殼體強度試驗、密封試驗，大功能扭矩試驗、小強度扭矩試驗。

　　3.1 殼體強度試驗

　　殼體強度試驗，試驗介質壓力2.4MPa，保持試驗壓力短持續時間1h,不得有肉眼可見滲漏。

　　3.2 密封試驗

　　密封試驗，試驗介質壓力1.76MPa，保持試驗壓力短持續時間15min，不得有肉眼可見滲漏，即在閥體的密封面上，15min內不能有任何肉眼可見的滲漏，包括掛在密封面上小水珠。

　　需要再次強調的是：設計的閥體必須有足夠的強度和剛度，密封試驗時，殼體的變形必須控制在0.001DN范圍之內，否則將很難通過密封試驗。

　　3.3 大功能扭矩試驗

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

　　3.4 小強度扭矩試驗

　　小強度扭矩試驗，是對PN1.6MPaDN300～DNlO00英標鑄鐵閘閥設計的驗證，其試驗步驟：

　　3.4.1 全開、全關試驗

　　用大功能試驗扭矩對閥門進行全開、全關操作試驗，并做好全開、全關位置的記號，同時記錄全開、全關過程中閥桿的轉動圈數。

　　3.4.2閥處于全關位置的小強度扭矩試驗

　　閥處于全關位置后，再在閥桿的四方頭上，順著關緊的方向(順時針方向)，逐漸施加大功能試驗扭矩3倍的扭矩，即小強度試驗扭矩，見表6；以驗證閥體、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度是否達到BS5163：1986標準的要求。

　　3.4.3閥處于全開位置的小強度扭矩試驗

　　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扭矩3倍的扭矩，即小強度試驗扭矩，見表6；以驗證閥體、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度是否達到BS5163：1986標準的要求。

　　3.4.4密封試驗

　　重新用大功能試驗扭矩使閥處于全關位置，再次進行密封試驗，試驗介質壓力1.76MPa,保持試驗壓力短持續時間15min

　　不得有任何肉眼可見的滲漏，以確認閥是否產生變形；設計是否達到BS5163：1986標準的要求。

　　3.4.5全開、全關試驗

　　再次用大功能試驗扭矩對閥進行全開、全關操作試驗，并核對全開、全關的位置是否與3.4.1試驗時全開、全關的位置是否相符；再次記錄全開、全關過程中閥桿的轉動圈數，核對是否與3.4.1試驗時閥桿的轉動圈數是否相同，以確認閥桿、閥桿螺母的強度、剛度是否滿足BS5163：1986標準的要求。

　　3.5零件檢驗

　　拆開零件，檢驗閥體、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計是否滿足BS5163：1986標準的要求。



　　英標鑄鐵閘閥設計計算經設計驗證——型式試驗，確認BS5163、BS51501.6MPaDN300～DNl000英標鑄鐵閘閥的設計滿足了BS5163：1986標準的要求，投入了批量生產，并大批量出口馬來西亞、新加坡。通過設計，深切感到BS5163標準的型式試驗方法——小強度扭矩試驗是十分科學的，應該在閥門行業中推廣，這是企業進行閥門新產品設計驗證的好辦法；深切感到閥門行業應該規范各類閥門的大功能試驗扭矩，即規范各類閥門的啟閉力矩，這是時代發展、社會進步對閥門進行人性化設計提出的新要求。與本文相關的論文：自力式煤氣調壓閥組?