大口徑英標鑄鐵閘閥結構設計

大口徑英標鑄鐵閘閥結構設計? 大口徑明桿鑄鐵閘閥結構設計? 英標鑄鐵閘閥結構設計? 大口徑閘閥設計

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。鑄鐵閘閥的啟閉件是閘板，閘板的運動方向與流體方向相垂直，閘閥只能作全開和全關 , 不能作調節和節流。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、醫藥、輕紡、電力、船舶、冶金、能源系統等體管線上作為調節和截流裝置使用。

　　2 大口徑英標鑄鐵閘閥結構設設計

　　2.1閥體壁厚的設計計算
　　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。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，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。 

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。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； 
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。 
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；
　　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 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。

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

大口徑的管線閥門要求增多。由于角行程類閥結構簡單、尺寸小、重量輕越來越受到重視，傳統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。閥門在關閉時承受的靜壓力負荷會以幾何級數增加。因此軸的強度，軸承的負載，不平衡力和執行機構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行機構，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考慮問題，應盡可能地選擇直通流道或增設小孔噴射型結構，減小流體通過節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，運輸、安裝、維護都比較復雜，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備，因此，提高可靠性，減輕重量也是一個需重點考慮的方面

3 大口徑閘閥設計驗證——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。

　　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。