自平衡角式截止阀的设计和计算

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Design and Calculation of Self--Balancing Angle Globe ValveHU Xu ，HUANG Chong ，ZHANG Hui2，ZHANG Guo-cheng1.Shenyang Shengshi High&Medium Pressure Valves Co.，LTD，Shenyang 1 10142，China；2.Bohai Shipyard Group Co.，LTD，Huludao 125000，ChinaAbstract：This article introduces the working principle and material selection of self balancing for angleglobe valve，and provides a membrane stress limit formula an d strength，perform an ce tests。

Key words：angle globe valve；computing；self-balan cing valve flap；design1 概述在合成氨生产系统和制冷系统中应用的角式截止阀，开启高度小，密封面摩擦力小，制造工艺好，维修方便。由于截止阀属于强制密封式阀门，所以在阀门关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏。为了使阀门开关更省力，设计了自平衡角式截止阀。

2 技术参数公称尺寸 DN65公称压力 PN450工作介质 空气、氮气、氢气、氨气、氦气工作温度 -40～5O℃连接方式 法兰连接驱动装置 手轮3 工作原理角式截止阀的介质流向为低进高出，即介质由阀瓣下方进入阀门。在此工况条件下，开启阀门需要克服的阻力是阀杆和填料的摩擦力，关闭阀门需要克服的阻力是阀杆和填料的摩擦力与由介质的压力所产生的推力。由于关闭阀门的力比开启阀门的大，所以按照关闭阀门力设计的阀杆直径较大(否则会发生阀杆顶弯的故障)，因此增大了阀门体积和质量。经过分析，将阀瓣和阀杆端部设置成压力自平衡结构(图 1)。

采用自平衡结构后，阀门关闭时，介质通过阀瓣和阀杆的压力自平衡孔进入阀瓣上腔，减小了介质在阀瓣两侧的压力差或流量差，用以调节压力的相对平衡。阀门开启时，介质再由压力自平衡孔返回阀体内部，减小了由介质压力所产生的推力，使开关更省力。

4 材料选用自平衡角式截止阀主要由阀体、阀瓣、端法兰、阀盖、阀杆和压盖等组成(表 1)。

阀体、法兰和阀瓣等零部件材料选用奥氏体不锈钢0Crl7Nil2Mo2。在奥氏体不锈钢中，Mo元素可以促进强化相的产生，有利于材料强度的提高，Mo的耐蚀性能显著，特别是和 Cr相互作用的效果更明显，可以增加阀门的耐蚀性能。

阀瓣 盖 和 阀杆 采 用 沉 淀 硬 化 不 锈 钢0cr17Ni4cu4Nb，此材料对大气及稀释酸或盐具有良好的抗腐蚀能力。0crl7Ni4Cu4Nb经过 固溶和时效热处理后，可以提升材料的机械性能，从而获得作者简介：胡旭(1984-)，女 ，山东淄博人，助理工程师，从事阀门制造工艺及研发工作。

1.法兰 2.阀体 3.阀瓣 4.阀瓣盖 5.阀杆 6.阀盖7.阀杆座 8.填料压盖 9.轴承座 1O.轴承 11.阀杆螺母l2.油杯 13.撞击块 14.撞击手轮 15.锁紧螺母 16.键图 1自平衡角式截止阀5 设计计算自平衡角式截止阀按照 GB/T 12233-2006、GB/T 12235-2007和 JB/T 53174-94设计，并根据标准要求进行阀体壁厚、阀杆强度、阀体与阀盖连接螺栓强度的校核及-次薄膜应力极限分析，分析结果达到设计要求。

应力分析遵循 RCC-M B3552.1，-次薄膜应力基本上是由内压产生的。在内压作用下，阀体的最高应力是在阀颈与阀体端部交接处的拐角区，其特点是有-个环向拉应力垂直于阀颈和阀体端部中心线的平面(图2中面积A )。

表 1 主要零部件材料零件 材料端法兰阀体阀瓣阀瓣盖阀杆阀盖填料压盖轴承座阀杆螺母轴承压盖撞击块5.1 A 和A 值的确定和A (图2)是用于计算拐角区总体-次薄膜应力强度P 值的流体面积和金属面积。A 和A的界限参数 L 和 为r0.5-L 取两者中的较大值 (1)LN0.5r20.354、/ (dr，h) (2)式中 d--交接处阀体颈部内直径(d105)，mm- - 邻近阀体和阀颈交接处阀颈的壁厚(Tb38.5)，mm- - 邻近阀体和阀颈交接处阀体的壁厚( 32.5)，mmr --阀颈和阀体交接处外接圆半径(r：15)，mm将相关数据代人式(1)和式(2)，则r0.5×105-38.514mm5mm取L 32.5mmLN0.5×150.354 V38.5(10538.5)33.8按照阀体图得金属面积 A 3655.3mm ，流体面积Af7499.2mm 。

图 2 阀体应力分析5.2 拐角区(交接处)总体-次薄膜应力强度拐角区(交接处)总体-次薄膜应力强度 尸 为( 0.5)Ps (3)式中 P --在 -40～50℃下的标准计算压力(P45)，MPa将已知数据代人式(3)，则P 114.8 MPa。阀体材料在 -40～50%下 的基 本许用应力 S №地 m 岍 m .主- ～ ～ -～～ ～--～-2013年第4期 阀 门 - 3-258.5MPa，P

6 试验6.1 强度试验封闭整个承压壳体，使阀门处于部分开启状态，给体腔 内充满水，将试验压力升至 67.5MPa，保压5min，承压壳体 (包括阀体与阀盖螺纹连接处和填料处)无渗漏、破裂及永久性变形。

6.2 性能试验(1)密封性能试验将被测角式截止阀安装在试验系统中(图3)。

F 被测阀 ，-、 .充气阀门 、 .放气.阀f] P.压力表图 3 阀门性能试验系统关闭角式截止阀，、充气阀 和放气阀 ，打开充气阀 和放气阀F ，缓慢充入氮气，压力达到45MPa，保压 5min。从放气阀 处观察泄漏情况，其泄漏率<12个气泡/min。

关闭角式截止阀 F、充气阀 F 和放气阀 ，打开充气阀F3和放气阀 ，缓慢充入氮气，压力达到45MPa，保压5 min，从放气阀 处观察泄漏情况，其泄漏率不高于12个气/min。

(2)动作性能试验将被测角式截止阀安装在试验系统中。关闭放气阀 和 及充气阀 ，打开充气阀F 和被测角式截止阀，，缓慢充入氮气，使压力达到45MPa，手动操作开关阀门，阀门动作灵活，无卡阻。

7 结语角式截止阀采用 自平衡结构，减少了阀门制造材料，减轻了阀门质量，减小了阀门安装空间。自平衡角式截止阀经用户使用，开关省力，操作方便，性能良好。