英标铸铁闸阀的结构特点与设计计算

路上行者

　　1概述
% M; Q" m9 K- d' a7 h- ]  P　　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。
5 l+ e2 v- N# m3 [2 w! q　　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
; k- a6 L7 Z- s　　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。
　　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;
　　P——介质压力，设计时，P取1.6MPa;
　　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;
  @9 I  R/ E. M6 J! O0 z　　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。
7 s+ U  f8 y0 S　　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。
) \3 o- U, ?' Y1 `　　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。
8 Q! ^( _2 V8 F3 |# t5 Z, K　　2.3闸板壁厚的设计计算
% ]! k* s+ I% r& ]" j4 N　　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);
　　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;
8 W& A; J6 g- }( W8 D- g4 ]　　C——腐蚀余量，C取3(mm)。
　　DN300～DN1000闸板最小壁厚的设计计算结果见表3。
; ~6 ^2 r7 B4 ^. N0 n　　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;
* ~0 }- W. ~" F) y& V) w7 M* J　　Q——阀杆开启时的轴向力(N);
　　[σL]——铸铁(HT250)许用拉应力，[σL]取35.28MPa;
9 P' G6 N( l5 P+ u; H　　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);
　　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。
　　DN300～DN1000阀杆最小直径的设计计算数据见表4。
　　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
　　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。
　　3.1壳体强度试验
) W! Q4 Y+ _& D9 @　　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
　　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。
# M  ]  Q' j2 Q# ?" I% P　　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。
% ~2 f. R, d% _3 ~* u6 p　　3.3最大功能扭矩试验
# [. H$ y* K; p% r1 Z8 V; 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。
) ]9 L, f$ G# v7 g1 _7 @% C　　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：
2 F9 H; x0 C2 h; |$ W- ^+ a0 Y　　3.4.1全开、全关试验
* }* x. J' a/ [% J2 l) ^2 w　　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。
" ~# A5 ?% z9 j. _7 e( ]　　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。
% u7 r" r/ p1 y  o4 u0 W7 {2 C. d　　3.4.3阀处于全开位置的最小强度扭矩试验
3 K1 _- h. _! d0 y　　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
, ]5 m6 Y+ t/ ?　　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
5 g6 l, j6 k) _; N1 h% z* e6 q　　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。
2 D( A; R; T: k* o# Y' k1 ?" \) q5 j* S　　4结束语
! z) L5 B) I7 l  u& P　　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。
) d" ~; c. e' V7 {' ?! A7 t　　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
7 G5 N  J) Q* ]  J, {& X" Q# y% H$ @　　[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
　　[4]BS5150-1974一般用途铸铁楔式单闸板式双闸板闸阀
　　[5]BS2080-1989阀门结构长度
5 W$ u6 [* ^6 ?' z! m" j' x6 e2 Y　　[6]BS4504-1989第3.2部分铸铁法兰技术条件
( ~* E$ d. u$ i+ P文章关键词： 闸阀