铸铁闸阀的设计知识

秦本珠

　　[摘要]阐述了1.6MPaDN300～DN1000英标铸铁闸阀的结构特点、设计计算、设计验证——型式试验。
　　[关键词]英标铸铁闸阀设计设计验证
' e9 \8 b2 v0 ]! a0 x　　1 概述
% {8 L/ A9 n# D: E　　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。
　　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。
+ j- ]: C" v# F' L, H, ]0 w　　2 设计
# D9 F. ~  l) @( j6 k　　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。
, V! \4 s2 L1 L$ j　　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；
. x$ `5 N, C/ x' m2 y# D　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa；
0 U7 l+ I. C* R7 y! X. n  p2 Q　　a——近似椭圆形截面的长轴(mm)；
　　[σL]——铸铁(HT250)许用拉应力，[σL]取35.28MPa；
: ^1 H0 @! I( ?0 g: ?　　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。
　　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。
% a0 l) j+ k. D1 q　　2.3 闸板壁厚的设计计算
　　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)；
  J$ D) t4 e6 s3 k; @' |　　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)。
! e5 x5 T8 A& E% A& Z3 S# Y" u1 ~　　DN300～DN1000闸板最小壁厚的设计计算结果见表3。
　　2.4阀杆直径的设计计算
　　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)；
　　QMJ——密封面介质静压作用力(N)；
　　d——通径，d=DN(mm)；
" K# p* l) ?. L- c　　bm——阀体密封面宽度(mm)；
1 _4 a. U  r. W! R　　qmf——必需密封比压(MPa)；
　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa。
　　DN300～DN1000阀杆最小直径的设计计算数据见表4。
, v8 _0 j& k& {. {7 B　　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
' p9 x, z& h/ x1 g* c0 {" {　　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' ]  t, A" P6 X  ]　　3.1 壳体强度试验
# j! }" E+ c; u/ g% Z) w  ]　　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。
　　3.2 密封试验
2 \) J' B7 Z% y8 X　　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
: e+ U9 s9 i+ {1 v' a& \3 q6 n　　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。
　　3.4 最小强度扭矩试验
　　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：
/ N! R2 p8 f5 O6 D5 G) r　　3.4.1 全开、全关试验
* ^' `2 c$ _' b; e2 [0 N. T" u　　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。
' W4 X, h; X: j& d+ \　　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
% m# ?6 n# h" `1 {1 B　　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。
　　3.4.4密封试验
　　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
: i% P2 y1 z" x' k. k2 z　　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。
+ X* `3 [4 C& W9 E) T$ @　　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
( r' P/ v0 ^/ M$ H+ m5 e　　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。参考文献
: z" x$ A  v8 l* w; j( k. Z, b* a　　[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
6 v6 k4 u$ Y4 x8 H( W  x　　[3]BS5163-1986供水系统用闸阀技术条件
( h( }& N8 f+ F' L, ^　　[4]BS5150-1974一般用途铸铁楔式单闸板式双闸板闸阀
& |$ }, Q* K& [  J/ i　　[5]BS2080-1989阀门结构长度
　　[6]BS4504-1989第3.2部分铸铁法兰技术条件
, W1 j. Z3 H# s8 D% @文章关键词： 闸阀