英标铸铁闸阀的结构特点与设计计算

路上行者

　　1概述
　　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。
6 y/ T/ V8 `  i+ K　　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。
　　2设计
　　2.1阀体壁厚的设计计算
　　BS5163、BS5150标推中并未给出壳体最小壁厚的数据，设计时，必须对阀体壁厚进行设计计算。
+ ]* e5 M) Y6 b+ F3 o6 f　　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;
5 P. X6 _0 j1 K7 X+ D1 @　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa;
2 B; k( E: N2 M6 J1 V2 h, h' o+ b　　a——近似椭圆形截面的长轴(mm);
( n7 H- D8 @3 w! I; J　　[σL]——铸铁(HT250)许用拉应力，[σL]取35.28MPa;
/ K, t( d; X( t7 k6 F. o6 C8 X　　C——腐蚀余量，C取5(mm)。
　　DN300～DN1000阀体最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。
% k/ C) e$ X" S7 ?　　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阀盖最小壁厚数据见表2;阀盖加强筋的设计见图1。
　　2.3闸板壁厚的设计计算
7 s: ~) ^& u; E# u; g$ i# m# R　　BS5163、BS5150标准中，同样未给出闸板最小壁厚的数据，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);
$ Z7 {# @6 m$ ~' e( }$ Z　　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)。
6 `0 O' P- f* h! A. P% }　　DN300～DN1000闸板最小壁厚的设计计算结果见表3。
) b! E9 s+ t& c　　2.4阀杆直径的设计计算
  O5 ^$ \1 g4 \  G: \0 N5 P　　BS5163、BS5150标准中，同样未给出阀杆最小直径的数据，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);
: c# {- ~! {) x1 `　　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。
' R0 x2 I& b  _  t　　DN300～DN1000阀杆最小直径的设计计算数据见表4。
/ V  [( e! Z; h1 o$ c& \; P　　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权威机构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、最大功能扭矩试验、最小强度扭矩试验、清洁度检验、涂层和标志检验。衬氟蝶阀
+ O' v& W! C  [6 x' m　　这里着重介绍壳体强度试验、密封试验，最大功能扭矩试验、最小强度扭矩试验。
" Q$ a$ x' ^) X! k0 f* r　　3.1壳体强度试验
+ ?8 s% v1 v+ y7 s$ k　　壳体强度试验，试验介质压力2.4MPa，保持试验压力最短持续时间1h,不得有肉眼可见渗漏。
  O2 o' Y. E8 }8 b% w　　3.2密封试验
: W. R6 r4 L+ V6 _　　密封试验，试验介质压力1.76MPa，保持试验压力最短持续时间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最大功能扭矩试验
　　最大功能扭矩试验，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，任一瞬间其最大的扭矩都不能超过表5规定的扭矩。
2 f9 L7 k+ x; o8 |" L　　3.4最小强度扭矩试验
" r( z' c. G( Q. ?　　最小强度扭矩试验，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
$ u3 C, p$ U3 [  k& E- p6 L　　用最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。
) @( Y7 _- Y, I+ x+ M  c4 Y　　3.4.2阀处于全关位置的最小强度扭矩试验
　　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)，逐渐施加最大功能试验扭矩3倍的扭矩，即最小强度试验扭矩，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阀处于全开位置的最小强度扭矩试验
　　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)，逐渐施加最大功能试验扭矩3倍的扭矩，即最小强度试验扭矩，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。
! z" G# g/ o* ^3 J0 E( M9 r　　3.4.4密封试验
4 H  ?! o" U% K+ R; L+ p" X. h　　重新用最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,保持试验压力最短持续时间15min
- Z: Z8 n& w  Q9 ?) ?) W　　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
　　再次用最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。
% u9 }" G7 ?7 }2 ~9 v. }7 S" M　　4结束语
　　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——最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最大功能试验扭矩，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。
6 e% I9 I. T! u; l: o/ Z2 K9 S8 s+ S　　参考文献
　　[1]杨源泉，阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992
　　[2]洪勉成，陆培文，高风琴，阀门设计计算手册[M].北京：中国标准出版社，1994
　　[3]BS5163-1986供水系统用闸阀技术条件
/ h: N4 `) u$ D- N9 p　　[4]BS5150-1974一般用途铸铁楔式单闸板式双闸板闸阀
6 {5 H5 K3 p6 I5 a  q　　[5]BS2080-1989阀门结构长度
2 p" L8 S) M$ F; }/ d" A4 T　　[6]BS4504-1989第3.2部分铸铁法兰技术条件
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