鑄鐵閘閥設(shè)計及檢驗(yàn)
鑄鐵閘閥設(shè)計及檢驗(yàn)
1 概述
BS5163、BS51501.6MPaDN300～DNl000英標(biāo)鑄鐵閘閥，在英國、新加坡、馬來西亞和中東一些國家的供水管道和工業(yè)管道上被廣泛使用，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見：開式齒輪傳動閘閥見圖1；閉式齒輪傳動閘閥見圖2。
本文著重闡述了1.6MPaDN300～1000英標(biāo)鑄鐵閘閥的閥體壁厚、閥蓋壁厚、閘板壁厚、閥桿直徑的設(shè)計計算和設(shè)計驗(yàn)證——型式試驗(yàn)。
2 設(shè)計
2.1閥體壁厚的設(shè)計計算
BS5163、BS5150標(biāo)推中并未給出殼體最小壁厚的數(shù)據(jù)，設(shè)計時，必須對閥體壁厚進(jìn)行設(shè)計計算。
設(shè)計時，將閥體中腔的截面形狀設(shè)計為近似橢圓形，見圖3，其壁厚S′B1的設(shè)計計算，是用橢圓形壁厚的計算公式導(dǎo)出的計算公式：式中K——近似橢圓形截面閥體壁厚系數(shù)，其中DN300～DN500，K取1.13，DN600～DNl000，K取1.07；
P——介質(zhì)壓力，設(shè)計時，P取1.6MPa；
a——近似橢圓形截面的長軸(mm)；
[σL]——鑄鐵(HT250)許用拉應(yīng)力，[σL]取35.28MPa；
C——腐蝕余量，C取5(mm)。
DN300～DN1000閥體最小壁厚的設(shè)計計算結(jié)果見表1。
設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，閥體壁厚的設(shè)計，除了考慮閥體強(qiáng)度之外，還應(yīng)考慮閥體的剛度，即應(yīng)將閥體體腔的變形(指在1.6MPa介質(zhì)壓力的作用下)控制在0.001DN范圍之內(nèi)，否則，閥體會因受力變形而無法達(dá)到密封。
解決閥體剛度的方法見圖1，在閥體的外部、內(nèi)腔設(shè)計加強(qiáng)筋，且閥體外部的加強(qiáng)筋與閥體的端法蘭相連接，來達(dá)到增加閥體的剛性，必要時可設(shè)計成不等壁厚，即增加閥體近似橢圓形截面中腔部分的壁厚。
2.2 閥蓋壁厚的設(shè)計
設(shè)計時，閥蓋壁厚S′B2通常不再進(jìn)行設(shè)計計算，直接取閥體壁厚的0.95作為閥蓋的壁厚。DN300～DN1000閥蓋最小壁厚數(shù)據(jù)見表2；閥蓋加強(qiáng)筋的設(shè)計見圖1。
2.3 閘板壁厚的設(shè)計計算
BS5163、BS5150標(biāo)準(zhǔn)中，同樣未給出閘板最小壁厚的數(shù)據(jù)，設(shè)計時，必須對閘板壁厚S′B3進(jìn)行設(shè)計計算，其計算公式如下：式中d——通徑(mm)；
P——介質(zhì)壓力，設(shè)計時，P取1.6MPa；
[σW]——鑄鐵(HT250)許用彎曲應(yīng)力，[σW]取56.84MPa；
C——腐蝕余量，C取3(mm)。
DN300～DN1000閘板最小壁厚的設(shè)計計算結(jié)果見表3。
2.4閥桿直徑的設(shè)計計算
BS5163、BS5150標(biāo)準(zhǔn)中，同樣未給出閥桿最小直徑的數(shù)據(jù)，設(shè)計時，必須對閥桿直徑進(jìn)行設(shè)計計算，其計算公式如下：式中K——閥桿設(shè)計計算系數(shù)，其中DN300～DN500，K取0.70～0.75；DN600～DNl00。K取0.60～0.65；
Q——閥桿開啟時的軸向力(N)；
[σL]——鑄鐵(HT250)許用拉應(yīng)力，[σL]取35.28MPa；
其中Q采用簡易計算公式，且因QG(閘板組件的重量)數(shù)值小，不予計算。式中QMF——密封面達(dá)到必需比壓時的作用力(N)；
QMJ——密封面介質(zhì)靜壓作用力(N)；
d——通徑，d=DN(mm)；
bm——閥體密封面寬度(mm)；
qmf——必需密封比壓(MPa)；
P——介質(zhì)壓力，設(shè)計時，P取1.6MPa。
DN300～DN1000閥桿最小直徑的設(shè)計計算數(shù)據(jù)見表4。
3 設(shè)計驗(yàn)證——型式試驗(yàn)
DN300～DN1000英標(biāo)鑄鐵閘閥樣機(jī)，通過了馬來西亞國家質(zhì)量權(quán)威機(jī)構(gòu)SiRiM的型式試驗(yàn)，對設(shè)計進(jìn)行了驗(yàn)證，型式試驗(yàn)嚴(yán)格按照英國國家標(biāo)準(zhǔn) BS5163：1986進(jìn)行。型式試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目有：外觀檢驗(yàn)、尺寸檢驗(yàn)、材料理化試驗(yàn)、殼體強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、最大功能扭矩試驗(yàn)、最小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)、 清潔度檢驗(yàn)、涂層和標(biāo)志檢驗(yàn)。
這里著重介紹殼體強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)，最大功能扭矩試驗(yàn)、最小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)。
3.1 殼體強(qiáng)度試驗(yàn)
殼體強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)壓力2.4MPa，保持試驗(yàn)壓力最短持續(xù)時間1h,不得有肉眼可見滲漏。
3.2 密封試驗(yàn)
密封試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)壓力1.76MPa，保持試驗(yàn)壓力最短持續(xù)時間15min，不得有肉眼可見滲漏，即在閥體的密封面上，15min內(nèi)不能有任何肉眼可見的滲漏，包括掛在密封面上小水珠。
需要再次強(qiáng)調(diào)的是：設(shè)計的閥體必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，密封試驗(yàn)時，殼體的變形必須控制在0.001DN范圍之內(nèi)，否則將很難通過密封試驗(yàn)。
3.3 最大功能扭矩試驗(yàn)
最大功能扭矩試驗(yàn)，是指閘閥在無介質(zhì)壓力和有介質(zhì)壓力的情況下，在開、關(guān)的全過程中，任一瞬間其最大的扭矩都不能超過表5規(guī)定的扭矩。
3.4 最小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)
最小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)，是對PN1.6MPaDN300～DNlO00英標(biāo)鑄鐵閘閥設(shè)計的驗(yàn)證，其試驗(yàn)步驟：
3.4.1 全開、全關(guān)試驗(yàn)
用最大功能試驗(yàn)扭矩對閥門進(jìn)行全開、全關(guān)操作試驗(yàn)，并做好全開、全關(guān)位置的記號，同時記錄全開、全關(guān)過程中閥桿的轉(zhuǎn)動圈數(shù)。
3.4.2閥處于全關(guān)位置的最小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)
閥處于全關(guān)位置后，再在閥桿的四方頭上，順著關(guān)緊的方向(順時針方向)，逐漸施加最大功能試驗(yàn)扭矩3倍的扭矩，即最小強(qiáng)度試驗(yàn)扭矩，見表6；以驗(yàn)證閥體、閥蓋、閘板、閥桿、閥桿螺母、填料函等主要零件及中法蘭螺栓的強(qiáng)度是否達(dá)到BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3.4.3閥處于全開位置的最小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)
閥處于全開位置后，再在閥桿的四方頭上，順著開啟的方向(逆時針方向)，逐漸施加最大功能試驗(yàn)扭矩3倍的扭矩，即最小強(qiáng)度試驗(yàn)扭矩，見表6；以驗(yàn)證閥體、閥蓋、閘板、閥桿、閥桿螺母、填料函等主要零件及中法蘭螺栓的強(qiáng)度是否達(dá)到BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3.4.4密封試驗(yàn)
重新用最大功能試驗(yàn)扭矩使閥處于全關(guān)位置，再次進(jìn)行密封試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)壓力1.76MPa,保持試驗(yàn)壓力最短持續(xù)時間15min
不得有任何肉眼可見的滲漏，以確認(rèn)閥是否產(chǎn)生變形；設(shè)計是否達(dá)到BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3.4.5全開、全關(guān)試驗(yàn)
再次用最大功能試驗(yàn)扭矩對閥進(jìn)行全開、全關(guān)操作試驗(yàn)，并核對全開、全關(guān)的位置是否與3.4.1試驗(yàn)時全開、全關(guān)的位置是否相符；再次記錄全開、全關(guān)過程 中閥桿的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，核對是否與3.4.1試驗(yàn)時閥桿的轉(zhuǎn)動圈數(shù)是否相同，以確認(rèn)閥桿、閥桿螺母的強(qiáng)度、剛度是否滿足BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3.5零件檢驗(yàn)
拆開零件，檢驗(yàn)閥體、閥蓋、閘板、閥桿、閥桿螺母、填料函等零件及中法蘭的螺柱、螺母是否完好，以確認(rèn)閥體、閥蓋、閘板、閥桿、閥桿螺母、填料函等主要零件及中法蘭螺栓的設(shè)計是否滿足BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的要求。
4結(jié)束語
經(jīng)設(shè)計驗(yàn)證——型式試驗(yàn)，確認(rèn)BS5163、BS51501.6MPaDN300～DNl000英標(biāo)鑄鐵閘閥的設(shè)計滿足了BS5163：1986標(biāo)準(zhǔn)的 要求，投入了批量生產(chǎn)，并大批量出口馬來西亞、新加坡。通過設(shè)計，深切感到BS5163標(biāo)準(zhǔn)的型式試驗(yàn)方法——最小強(qiáng)度扭矩試驗(yàn)是十分
科學(xué)的，應(yīng)該在閥門行業(yè)中推廣，這是企業(yè)進(jìn)行閥門新產(chǎn)品設(shè)計驗(yàn)證的好辦法；深切感到閥門行業(yè)應(yīng)該規(guī)范各類閥門的最大功能試驗(yàn)扭矩，即規(guī)范各類閥門的啟閉力矩，這是時代發(fā)展、社會進(jìn)步對閥門進(jìn)行人性化設(shè)計提出的新要求。
參考文獻(xiàn)
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[4]BS5150－1974一般用途鑄鐵楔式單閘板式雙閘板閘閥
[5]BS2080－1989閥門結(jié)構(gòu)長度
[6]BS4504－1989第3．2部分鑄鐵法蘭技術(shù)條件
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