截止阀基础知识与设计计算讲解

d=76mm Pmax=20 kgf/cm2 。
NPS=3 则，
S=1.994 kgf/cm2
dO =88mm
阀座圈高度计算：
H=int（a*dO）+Δ 式中， H——阀座圈高度，mm a——系数 150~300Lb，a= 0.105 600~900Lb，a=0.13 1500Lb，a=0.18 2000~2500Lb，a=0.2 3500Lb，a=0.25 Δ——常数，mm。Δ值根据a
试确定：阀座、阀瓣、阀体、阀盖、阀杆主 要设计尺寸
二、绘制2”—150Lb截止阀阀座、阀瓣、阀 体、阀盖零件图。
小结
开始 阀座
阀杆 阀瓣
阀盖 阀体
阀杆螺母 活结螺栓 填料压板 填料压套 上密封座 阀盖
设计流程图
阀杆 阀杆螺母 手轮
阀杆受力分析
Fg FC
P1
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2.2.6 活接螺栓及填料压板强制计算
练习题
一、参照设计。根据3”—150Lb例子，设计 2”—150Lb和4”—150Lb截止阀。
设计数据：阀体流道直径，51、102mm 阀体最小壁厚8.7、11.1mm 阀杆直径20、30mm 结构长度203、292mm
座。形状如下图
图9 本体堆焊阀座
图10 焊接阀座
图11 螺纹阀座
图12 焊接阀座零件图例
美标阀门一般采用螺纹阀阀座或焊接阀座， 国标阀门大多采用本体堆焊密封面。
阀座的受力分析。
阀座圈厚度计算
dO=d*SQRT(Pmax/(100s)+1)+5
S=0.03NPS+6.3*log(CLASS/100) 式中， dO——阀座圈外径mm d——通道内径径mm Pmax——常温最大工作压力, kgf/cm2。 s——许用应力,MPa 。 NPS——英制阀门规格。 CLASS——压力等级数值。 对于3”——150Lb阀门
1.2截止阀结构特点
一般来说，截止阀由阀体、阀瓣、阀盖、 阀杆等组成。如下图，阀体、阀盖为承压件， 阀瓣、阀杆为内件。典型的螺栓连接阀盖截止 阀结构如下图。
截止阀典型结构图 图1 J41H150Lb-3” 法兰连接手动截止阀
1.3截止阀类型
1.3.1按流道形状分：直通型、直流型和角式流道
图2直通式截止阀 J41H16C-150
T=F*β/1000 式中， T——阀杆操作扭矩，N-m
β——阀杆梯形螺纹系数，mm（见《阀门设计手册》P556)
上例中，
Β=3.3
T=53Nm 操作手轮需要的力：
Fs=T/Ds Ds——手轮直径，m. 上例中，Ds=0.28m 则， Fs=53/0.28=189.3N=19kgf
LG1
LG
s dg1
LH2
LH1
nZ LZ
DG2
L0 xx
DW
DG1
XX A
X
B
上密封座
图16 上密封座
填料压套尺寸
图17填料压套
填料压板尺寸
图18 填料压板
dh=10 Lh1=30
Lh=60
活接螺栓尺寸
h=14
图19 活结螺栓
2.1.6装配设计
图20 装配顺序图例
Ho H
装配尺寸链校核
密封面许用比压（见《阀门设计手册》P428）
2.2.4阀杆操作力计算及强度校核
阀杆操作力
F=Fg+Fs1+Fc-Fs2
Fg=πds*h*pu
Fs1=πd*d*P1/4 Fc=π（d02-d2）K（P1-P2）/4 Fs2=π（d02-ds2）P2/4 式中， Fg——填料摩擦力，N Fs1——阀前压力产生的作用力,N Fc——密封面所需必须密封力，N Fs2 ——阀后压力产生的作用力，N ds——阀杆直径，mm d-——阀座密封面内径，mm dO——阀座密封面外径，mm h——填料函深度，mm K ——面压系数 pu——阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积，MPa P1——阀前压力，MPa P2——阀后压力，MPa
阀瓣尺寸确定
d4
H3 H4
H5 H1
H2
d3
d1 d2
阀瓣尺寸
阀瓣压盖尺寸确定
DF
LF1 LF LF2
2.1.3 阀杆设计
ds2
L1 L2
SS
L3
L4
h
LL
L
19x19
2.1.3阀体设计
图14 阀体设计图例
设计要点：
阀体中腔内径确定 结构长度 最小壁厚 阀座组装尺寸 中法兰 阀体中心高
上例中， d=130 mm [σ]=98MPa P=2.0MPa Ma=2.5mm CF=3 mm SR=0 则，T=7.3 mm。图纸取10.5mm，OK。
2.2.3阀座密封比压计算
设计原则：
qmf<q<[q]
q= Qmz/(π（d+ bm ） bm ，MPa
上例中，
dm=76
bm=3 a =30° P=2.0 MPa 则，
q=19.93 MPa
qmf=10.04 MPa [q]=45 MPa（见《阀门设计手册》P428，焊
马氏体不锈钢，HRc35～40） qmf<q<[q]，合格
许用比压（见《阀门设计手册》P426~427）
填料系数（阀杆单位面积压力与填料摩擦系数的积）Pu MPa
150 300 600 900 1500 2000 2500 3500 4500 石墨石棉 0.8 0.8 0.8 0.8 1.0 1.3 1.4 1.6 1.6 柔性石墨 1.6 1.6 1.8 1.8 2.2 2.5 2.7 3.1 3.1
上例中， β6=0.36， P=2.0MPa F=16049.6N a=38 mm b=10 mm [σ]=104MPa 计算结果，σ1=34.76MPa, σ2=4.475MPa σ=39.24MPa ＜ [σ] OK
阀瓣受力分析
2.2.2阀体壁厚计算
t=1.5*d*0.9/([σ]-1.2P) 式中, t——阀体计算壁厚, mm d——阀体计算内径，mm [σ]——材料许用应力，MPa P——阀门工作压力，MPa T= t+Ma+CF+SR 式中, Ma——铸造偏差，mm CF——腐蚀余量，mm SR——特殊要求增加壁厚，mm
阀座样图尺寸确定
a dw
d D
w
h H
2.1.2阀瓣设计
图13 阀瓣零件图例
阀瓣设计原则
阀瓣密封面角度一般比阀座小0°～15°。常见锥 角组合如下表：角度越小越容易密封，但是，越容 易楔死。反之亦然。
原则上阀瓣密封面中径等于阀座的密封面中径，并 保持足够宽度，使得阀瓣密封面完全覆盖阀座密封 面。
PTFE 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.65 0.7 0.8 0.8
在上例中， ds=26mm h=45mm d=76 mm dO=79mm K=1.5 pu=1.6MPa P1=20MPa P2=0
则，
F=16050N Fg=5881N Fs1=9073N Fc=1096N Fs2=0
图3 直流式截止阀（Y型截止阀） J65Y160P-100
图4 角式截止阀 J44H25-80
1.3.2 其它分类方式：双阀瓣截止阀、Z型截 止阀、针形截止阀、三通截止阀等
图5 双阀瓣截止阀 J41H25-200
图6 Z型截止阀 J62YP54100V-50
图7 针型阀
图8 三通阀
1.4截止阀用途
阀杆强度校核
σy=F/A A =πDt2/4 式中， σy——关闭时阀杆应力，MPa F ——阀杆最大操作力，N A ——阀杆有效断面积, mm2 Dt ——梯形螺纹小径，mm
上例中， Dt=20.5 σy=48.6MPa [σy]=360 MPa σy＜ [σy] , OK
阀杆操作扭矩
阀杆操作扭矩
截止阀基础知识及设计计算
魏玉斌
2011年8月
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截止基础知识及设计计算
目录 1 截止阀基础知识、典型结构及工作原理
1.1 阀门的定义 1.2 截止阀结构特点 1.3 截止阀类型 1.4 截止阀用途
2 截止阀设计计算
2.1 零件设计： 2.1.1 阀座密封面设计
2.1.2阀瓣设计 2.1.3阀体设计 2.1.4阀盖设计 2.1.5阀杆设计 2.1.6装配设计 2.2截止阀设计计算： 2.2.1阀瓣厚度计算 2.2.2阀体壁厚计算 2.2.3阀座密封比压计算 2.2.4阀杆操作力计算 2.2.5活接螺栓及填料压板强度计算 附录：密封原理
广泛适用于石油化工、天然气、电厂的水、 蒸汽、油品等管路上作为接通或截断介质的 启闭装置。
如某工厂制造各种阀门比例：
闸阀39%，蝶阀24%，截止阀16%、调节阀 8%、止回阀7%、球阀3%、其它阀门3%。
2. 截止阀设计计算
下面以150Lb-3”截止阀为例进行设计计算
2.1零件设计 2.1.1阀座设计 按阀座类型有：本体堆焊阀座、焊接阀座、螺纹阀
中腔内径确定
阀瓣最大外径+（8~15）mm
阀体尺寸确定
DZ D0
X X
X X
D C+
d d D
HT h
X L1
X
DT L
f
D2
C
H0
DG
X X K
nL
H1
nZ LZ KZ
阀体尺寸
结构长度（见 ASME B16.10-2009 表1）
阀体通道直径、最小壁厚及阀杆直径（见BS1873 附录A 表3）
图21 装配尺寸链校核
2.2截止阀设计计算：
2.2.1阀瓣强度计算 σ=σ1+σ2 σ＜ [σ]，合格 σ1=β6*PF*a2/h2， σ2=0.75*Pa2/h2
PF=F/(π b2) 式中，
σ——阀瓣应力，MPa σ1——阀杆作用力在垫块产生的应力，MPa σ2——介质压力在阀瓣上产生的应力，MPa β6——系数 PF ——阀杆作用力在垫块是上的压力， MPa P——阀门工作压力， MPa F——阀杆总作用力，N。（见阀杆操作力计算） a——阀座支撑面半径，mm b——垫块半径，mm [σ]——材料许用应力， MPa
2.1.4阀盖设计
图15 阀盖设计图例
阀盖设计要点
阀盖壁厚等于阀体壁厚
上密封设计：本体堆焊，适用于通用阀门； 上密封座设计，适用于石化阀门、电站阀门 及其他重要阀门。
上密封的作用。不得借助上密封带压更换填 料。
阀盖尺寸
Ls LG2
LG3
L1
Lb Xh
dh MS+0.5
DZ KZ
C+
值反向选取，即a越大Δ值越小 Δ=0~8mm
上例中，
a= 0.105 dO =88mm 取，Δ=8 则，
H=18mm
int——整数函数 M=int(M)——取整数 M=int(M+0.51)——四舍五入取整数 M=int(M+0.91)——向上圆整取整数 M=2int(M/2)——取偶数整数 M=2int(M/2+0.51)——四舍五入取偶数整数 M=2int(M/2+0.91)——向上圆整取偶数整数 M=5int(M/5)——取末尾数为5的整倍数 M=10int(M/10)——取末尾数为0的整数
Qmz=Qmf+Qmj，N Qmf=π（Dmn+bm）bm*sina*(1+fm/tga)*qmf ，N Qmj=π/4（Dmn+bm）2P，N qmf=（3.5+P）/SQRT（bm） 式中， Qmz——阀座密封面总作用力，N Qmf——阀座密封必须作用力，N Qmj——阀座密封面介质静作用力，N q ——阀座计算比压，MPa qmf——密封必须比压，MPa（见《阀门设计手册》P427） a——阀瓣半锥角。 dm——阀座密封面内径，mm bm——阀座密封面有效宽度，mm p——工作压力，MPa
1.截止阀基础知、典型结构及工作原理
1.1阀门的定义 用来控制管道内介质的，具有可动的机械产
品的总体（ 见GB/T21465-2008 2.1） 阀门是在流体系统中，用来控制流体的方向、
压力、流量的装置。 阀门是使配管和设备内的介质（液体、气体、
粉末）流动或停止、并能控制其流量的装置。