铸铁闸阀的设计

 1.6MPaDN300～DN1000英标铸铁闸阀的设计
       [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
　　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；闭式齿轮传动闸阀。
　　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zui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，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；
　　C——腐蚀余量，C取5（mm）。
　　DN300～DN1000阀体zui小壁厚的设计计算结果。
　　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，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zui小壁厚数据见表2；阀盖加强筋的设计。
　　2.3  闸板壁厚的设计计算
　　BS5163、BS5150标准中，同样未给出闸板zui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；
　　C——腐蚀余量，C取3（mm）。
　　DN300～DN1000闸板zui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zui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）；
　　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zui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、zui大功能扭矩试验、zui小强度扭矩试验、清洁度检验、涂层和标志检验。
　　这里着重介绍壳体强度试验、密封试验，zui大功能扭矩试验、zui小强度扭矩试验。
　　3．1  壳体强度试验
　　壳体强度试验，试验介质压力2．4MPa，保持试验压力zui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zui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  zui大功能扭矩试验
　　zui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zui大的扭矩都不能超过表5规定的扭矩。
　　3．4  zui小强度扭矩试验
　　zui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
　　用zui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。
　　3．4．2阀处于全关位置的zui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zui大功能试验扭矩3倍的扭矩，即zui小强度试验扭矩，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zui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zui大功能试验扭矩3倍的扭矩，即zui小强度试验扭矩，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zui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zui短持续时间15min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zui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。
　　4、结束语
　　经设计验证——型式试验，确认BS5163、BS51501．6MPaDN300～D
Nl000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——zui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zui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。