钢制闸阀阀杆与闸板拉伸试验分析.pdf

1 0 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 40， No ． 6， 2 01 2 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 2 0 6 0 0 1 0 0 4 钢制闸阀阀杆与闸板拉仲试验分析 章茂森， 靳淑军 ， 李伟 ， 冯玉林 。 胡军 。 黄健 ， 王剑 合肥通用机械研究院， 安徽合肥 2 3 0 0 3 1 摘要 对钢制闸阀阀杆与闸板进行了拉伸试验， 并对试验不合格结果进行分类及分析， 介绍了拉伸时阀杆与闸板危 险截面的受力状态和计算方法。并依据相关计算公式， 对如何提高闸阀阀杆与闸板的可靠性提出了初步意见。 关键词 闸阀 ； 阀杆 ； 闸板 ； 拉伸试验 中图分类号 T K 0 3 7 ． 4 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5- 0 3 2 9 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 0 3 Ana l y s i s i n S t e m an d t he Di s c Te ns ile Te s t o f S t e e l Ga t e Va l ve Z H A N G Ma o s e n ， J I N S h u - j u n ， L I We i ， F E N G Y u l i n ， H U J u n ， H U A N G J i a n ， WA N G J i a n H e f e i G e n e r a l Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， H e f e i 2 3 0 0 3 1 ， C h i n a ． Ab s t r a c t I n a c c o r d a n c e wi t h t h e s t a n d a r d s r e q ui r e me n t ， t h e t e n s i l e t e s t o n t h e s t e e l g a t e v a l v e s t e m a n d t h e g a t e wa s c a r r i e d o n， the u n q u a l i f i e d t e s t r e s u l t s w a s a n a l y z e d， s t r e s s and c alc u l a t i o n me tho d s o f t h e d a n g e r o u s c r o s s s e c t i o n o f t h e s t e m an d t h e g a t e wa s i n t r o d u c e d ． A n d a c c o r d i n g t o t h e f o r mu l a， i t s o wn v i e ws w a s p r e s e n t e d t o i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e v alv e s t e m a n d g a t e ． Ke y wo r dsg a t e v a l v e； s t e m ； g a t e； t e ns i l e t e s t 1 前言 近几年 ， 随着国内输油长输管线的大量建设 ， 在 甬沪宁管道 、 中洛线 、 冀宁联络线等输油管线上 使用了大量的钢制闸阀。这些阀门平时处于常闭 或者常开状态 ， 为了保证在 阀内腔超压下开启或 者长期关闭后紧急开启时 的安全 ， 闸阀产 品标准 对 闸阀 阀杆 与 闸板 的动作 可靠性进 行 了规 定。 A P I 6 0 0 B o l t e d B o n n e t S t e e l G a t e V a l v e s f o r P e t r o - l e u m a n d N a t u r a l G a s I n d u s t r i e s 中第 5 ． 8 ． 7条规 定“ 阀杆 与闸板 的连接强度 和阀杆杆部 的强度 ， 在轴向载荷下应超过 阀杆螺纹根部 的强度 ” 。 G B ／ T 1 2 2 3 4 --2 0 0 7 石油 、 天然气 工业用螺柱 连 接 阀盖的钢制闸阀 中 4 ． 1 0 ． 5条规定“ 在 闸阀承 压 区域之内的阀杆与 闸板的连接头和阀杆各部分 的强度应大于螺纹根部 的强度” u 2 J 。这两个标准 均要求当阀杆与闸板在进行拉伸试验 时， 断裂失 效部位应在 阀杆螺纹根部 。拉伸时若其他部位产 生失效 ， 则表明产品的设计制造不符合规定。 本文对闸阀阀杆与闸板拉伸试验数据进行整 收稿 日期 2 0 1 2 0 22 1 修稿 日期 2 0 1 2 0 4 3 0 理 ， 通过对不符合标准要求试验结果的分析 ， 总结 容易出现的失效型式及其原 因， 并对如何提高其 可靠性提出初步意见。 2 试验程序及试验数据 2 ． 1 试验 程序 试验在拉伸试验机上进行 ， 拉伸试验时将 阀 杆与闸板连接后固定在试验机上 ， 如图 1 所示。 厂 厂 ＼ I I ＼、、 1 l 1 - I _ 1 l 立 ＼ 。 ＼、、 图 1 阀杆与闸板拉伸试验 1 2 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 4 0， No ． 6， 2 01 2 图 4闸板 T形槽尺寸 4 ． 2 危 险截 面[ 。 ， ] 拉伸试验时， 在拉力 P的作用下 ， 阀杆螺纹 根部的横截 面积较小 ， 此处为危险截面。拉伸试 验中， 断裂部位主要发生在 阀杆头部 和闸板 T形 槽处 ， 这两个部位为危险截面 ， 危险截面见图 5和 图6中的 A、 B 、 C。 ▲P 血 图 5 阀杆危险截面示意 图 6闸板危险截 面不意 4 ． 3 危险截面受力[ 4 - 8 ] 按照标准要求 ， 拉伸试验时 ， 理论断裂部位应 为危 险截 面 A 即阀杆螺纹处 ， 其理论承载 力 P 为 P1 S o “ 6 K 1 1 6 式 中．s 螺纹的受力面积 阀杆材料的抗拉强度 应力集中系数 d 由 螺纹中径 d 内 螺纹内径 在实际拉伸试验时 ， 阀杆断裂失效部位为危 险截面 B， 并且为剪切失效 ， 依据 ．r 。P ／ 2 b h 可得理论承载力 P 为 P 22 r 1 b h 2 式中．r 。 阀杆材料的许用剪切应力 b 、 h 、 阀杆头部尺寸 ， 见图 3 在实际拉伸试验 时， 闸板 T形槽失效部位为 危险截面 c ， 为弯曲应力引起的失效， 依据 M 可得理论承载力 P ， 为 ㈩ 式中 材料弯曲许用应力 D、 、 曰、 闸板 T形槽尺寸 ， 见 图4 4 ． 4 危险截面的受力分析 拉伸试验 中阀杆失效模式为头部被剪切 ， 因 此 ， 在设计时应主要验证其阀杆头部的抗剪切力 ， 也即要依据式． 2 对阀杆头部尺寸进行校验 。对 于闸板 T形槽 ， 在 拉伸试 验 中其 既受 到弯 曲应 力 ， 也受到剪应力。由于表 1中闸板 T形槽断裂 时的实际拉断力值与依据式 3 的计算结果误差 范围在 5 ％以内， 因此本 文作 者认 为在校验其强 度时应主要考虑弯曲应力 的作用 ， 而非合成应力。 所以， 本文在讨论如何提高其强度时是 以式 3 作为依据 。 由图 3 ， 4可知 ， 阀杆头部高度与 闸板 T形槽 高度的关系为 h L一日 4 将式 4 代入式 2 得 P 22 1 6 L一圩 5 由于结构特点 ， 闸阀高度普遍偏 高， 因此 ， 阀 杆头部与 闸板 T形槽 的总高度 一般不轻易增 加， 当 为定值时， 依据式 3 和式 5 ， 可得阀杆 头部可承受力 P 以及 闸板 T形槽可承受力 P ， 与 闸板 T形槽高度 日之间的关系曲线， 见图7 。图 中横坐标 表示闸板 T形槽的高度值 ， 纵坐标表 示阀杆头部及 闸板 T形槽的可承受力。由图7可 知 当 日 H o时， P P 3 P 一 ， 阀杆头部与闸板 T形槽的可承受力相等 ； 当 日P 一 2 0 1 2年第 4 0卷第 6期 流体机械 1 3 P 3 ； 当 H 时 ， P 2P1 或 P 3P 2 P。 或 P P ， P 时 ， 失效部位就会发 生在阀杆 螺纹处 ， 这样才会保证 闸板运动件的强度满足要 求 。但是 由图 7曲线可知 ， 当 P P ， P P ， 时， 此时阀杆头部与闸板 T形槽的总高度 L值最 小 ， 闸板 T形槽高度尺寸最经济合理。 P 2 P 3 ， 即 2 r t b LH ㈤ 式 6 为一元二次方程 ， 可求解 出 日的值为 H { [ 9 6 D 1 2 r l o r B b D A ] ／ 23 r 1 b DA ／ 2 B 7 P 2 P 3 P l ， 即 2 】 b h 2 r】 6 一 2 d中 d内 ,r r o - b K 3 D 1 6 8 由式 8 可推导出 曰 9 J 二 ， 1 0 因此 ， 从经济角度出发 ， 应按照式 7 对 闸板 T形槽高度与阀杆 头部高度进行验 证 ， 使其高度 值最合理。 在闸阀设计 中， 当阀杆直径固定后 ， 应按照图 7及式 7 、 9 、 1 0 对阀杆头部 尺寸 b 、 h以及 闸板 T形槽 尺寸 D、 A、 、 进行核算 ， 并验证式 1 、 2 、 3 中 P 、 P 、 P 力的大小。 5结论 1 闸阀运动件失效模式主要为 阀杆头部剪 切失效及闸板 T形槽弯 曲失效， 其 中又以闸板 T 形槽弯曲失效为主， 需要引起足够重视 ； 2 对于 闸板 T形槽 的失效 ， 应主要考虑弯 曲应力对其造成的影响； 3 对于 闸 阀运 动 件 的 尺寸 设计 应 先依 据阀门的 口径 、 压力计算 出阀杆 在 开启 时所 承 受的最大拉力 P， 依 据最 大拉力 P确 定 阀杆 的 材料及最小 阀杆螺纹 尺寸 ， 再依 据计 算 出的阀 杆螺纹 承载力 来 核 算 阀杆 头部 及 闸板 T形槽 尺寸 ； 4 闸板 T形槽高度 增大能够有效增加其 抗弯曲能力 ， 在 阀杆头部高度 h满足要求 的前提 下， 设计时增大 值比增大 值更有效。 参考文献 [ 1 ] A P I 6 0 0 --2 0 0 1 B o l t e d B o n n e t S t e e l G a t e V a l v e s f o r P e t r o l e u m a n d N a t u r a l G a s I n d u s t r i e s [ S ] ． [ 2 ] G B ／ T 1 2 2 3 4 --2 0 0 7 ， 石油、 天然气工业用螺柱连接 阀盖 的钢制 闸阀[ S ] ． [ 3 ] 杨玉团， 董晓飞． 闸阀阀杆的受力分析和试验[ J ] ． 阀门， 2 0 0 4 ， 1 1 4 1 5 ． [ 4 ] 杨源泉． 阀门设计手册[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 2 ． [ 5 ] 成大先． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 o 2 ． [ 6 ] 刘建瑞 ， 李 昌 ， 刘 亮亮 ， 等． 高温 高压核 电 闸阀流 固 热耦合分析[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2 ， 4 0 3 2 3 - 2 7 ． [ 7 ] 成雷． 壳牌煤气化装置中煤粉输送系统特种阀的故 障分析及 其国产化进展 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 0 ， 3 8 8 5 7 - 5 9 ． [ 8 ] 孙斌 ， 许安俊． 高压止回阀断裂失效分析 [ J ] ． 压力 容器 ， 2 0 1 2， 2 9 1 6 7 - 7 2 ． 作者简介 章茂森 1 9 8 3一 ， 男 ， 工程 师， 从事 阀门的设计 、 研 究 ， 通讯地址 2 3 0 0 3 1安徽合肥 市长江西路 8 8 8号合肥 通用机 械 研究院 。