核级蝶阀的设计计算.pdf

1 0 闫 门 1 9 9 z -年瓣 3 期 衰 3 支罩垫、 填辩垫材料 材 科 标 准 热处理 HTl 5 o GB1 2 26 HT2 o 0 QS n S --1 2 --5 2 C l 3 l C r l 8 N i 9 G B 1 2 2 0 固罄处理 O 1 8 Ni l 2 Mo 2 Tt 填料的材料决定。 4 ． 由式 4 可知， 热推力随温度 l 的升高 而增大， 随填料尺寸 、 的增大而减小。 建 议当阀杆直径 d≤ 2 0 ra m， 温度 ≤ 3 0 0 “C时， 热弹性件选 用 3～ 5组。 当 d 2 0 mm , T ／ 一1 3 5 o c时 热弹性件选用5 组以上。 但最好通过 式 4 进行验算， 以确定填料的压缩程度。 5 ． 阀门在维修或更换填料时， 如果热弹性 件的主动层和被动层没发生剥离现象， 热弹性 件可以继续使用。 参膏立■ r ● 1 苏 0Ⅱ． 披诺马廖走 机槭及仪表弹性元件的计算． 北 煮一 化学工业出版社- l 0 8 7 鹿彪寄 阀门境辑密封的特性与改进措旌． 阀门， 1 9 9 4 4 扬彝 阀门设计手册． 北京 机槭工业出版社- 1 9 9 2 1 B 1 7 1 - - 9 1 填斟垫 一 J B 1 7 1 2 --9 1 石棉填料 ] 1 2 0 9 9 1 塑料填斟 ● 核 级 蝶 阀 的 设 计 计 算 石寮庄市阀门一厂 刘静橱固建 ●_一_●●_，_一 T L 3 3 ． H 摘要分析了核级蝶闲的特殊工况要求。通过实例计算， 介绍了美国A S ME标准规定的应力 分析击在棱毁蠓阀主要零件设计计算中的应用。 核电站设备的可靠性和经济性在很大程度 上取决于阀门的质量。对该类阀门的要求高于 火电站阀门和一般工业阀门， 这是因为核电站 事故的危害远远大于火电站和其他行业。 和火电站用_蝶阀相比， 核级蝶阀有以下特 点 ① 核级蝶阀在腐蚀性很强且具有放射性介 质中工作， 要求其具有耐腐蚀及抗辐照性能 为保证核电站安全可靠的长期运行， 核电站阀 门使用寿命较长一般为 4 O年} ③ 为了防止放 射性介质对环境的污染， 要求螓阀有可靠的密 封性能； ④ 为满足系统的安全功能， 要求蝶阀 在地震载荷作用下的结构完整性。 由于决定阀 门产 品质量 的因素首先 是设 计， 因此各先进工业国家十分重视对设计质量 的控制， 设计质量控制中最关键的是设计标准 和规范的选择 本文根据美国国家标准 A S 1 ／ A S ME 第 1卷 1 9 9 2 年版 所规定的计算方法 应力分析法， 对 核级螓阀的主要 零件进行 设计计算。 、 - 一 、主要设计参数 核安全级别 2 级 抗震级别 水平加速度为 3 g ．垂直加速度为 2 g 工作温度 5 0 “C 短时 1 5 p ℃ 工作介质 空气 短时蒸汽 ． 设计压力 0 ． 5 MP a 抗辐照剂量 2 ． 5 1 0 r a d 公称通径 ] O 0 0 mm 电动执标机构 堰 级设备 使用寿命； 4 o 年 ． 执行标准， 差国国家标准A N s I ／ A S h 第1 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 1 9 9 7 年第 3 期 阀 门 卷第 l册 NE 言 及第 1卷附录 Ⅺ 1 9 9 2 年版 二、 结构及主要零部件材料 核级蝶闶结构见图 1 ， 核级蝶阅主要零部 件材料见表。 圈 1 菝级蝶阁结构 1 ． 阿扦2 ． 密封B I 3 ． 鼻扳4 ． 阿体 5 ． 电动执行机构6 ． 接崖7 ． 轴承8 ． 压 扳 囊 1 板掘螺阀主要零部件材料 序号 零部件名弥 材料 序号 零舒阵名祢 材料 1 闷体 WC B S 压板 碳钢 2 蝶板 W C B 6 轴承 部件 3 密封母 氯卞橡胶 7 接座 WC B 阀杆 不锈钢 8、 电动执行 ～ 机构 ． 部件 三、 主要零件设计计算 ’ 。 I ． 阂体 I 最 小壁犀的确定 A S ME标 准 规定接美 国 国家 标准 A NS I B I 6 ． 3 4 来确定阀体最小壁厚． 阀体结构参见图 z ．按阕体内径 l 2 为 l O 0 0 m m， 阀体颈 部 内径 一 为 1 5 0 ram， 阀体壁厚 t “为 3 0 ram， 阎体颈部最小壁厚 为 1 3 ram进行核 算． 由于此调体的设计压力仅为 o ． 5 MP a ， 低 于 A N S I B I 6 ． 3 4中最低压力级 2 MP a ， 因此可 采甩查袭法按2 MP a压力级来确定该阔体 的最 小壁厚。 。 、 查表可知， 阎体最小壁厚 t 为 2 1 ． 3 ram， 阀 体颈 部 最 小 壁 厚 t 2为 7 I mm。可 见， t I。 3 0 ram 大于t I ， ； I 3 ram 大予 ， 此阀体最 小壁厚满足要求。 2 阈体一次和二．趺应力限制 ① 设计应力极限强度 总体一次薄膜应力强度 在内压作用下， 阀体的一次薄膜应力是在端法兰颈部和阀体通 道的连接处， 如图 2所示。 I 圈2 钾体结构 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 l 2一 阀 九 1 9 9 7 年筹3胡 总体一次薄膜应力 P ． 按下式计算 P ． P 。 0 ． 5 J M P a 1 式 中 设计压力， P。 0 ． 5 MP a ， 有效流体压力面积， 1 ～ - A，6 9 1 25 mm 。 A 。金属区面积 ， A 。一 2 0 2 5 mm 将数值代人式 1 得 一 P 一 1 7 ． 3 M P a 设计温度为 5 0 “C时， 阗体材料 WC B的许 用总体一次薄膜应力 一 1 2 2 MP a 。 可 见， P 小于 阀体的总体_次薄膜应力在许 用范围之 内。 局部薄膜应力强度 由于内压所产生的 局部薄膜应力 用下式计算 ， r 、 P L P D l 0 ． 5 } MP a 2 、 0 t ， 式中 阀体通道半径， 5 0 0 m m t 阀体最小壁厚， t ， 3 0 m m 将数值代人式 2 得 PL 8 ． 6 M P a 设计温度为 5 0 “C， 阀体材料WC B舶许用 局部薄膜应力为 I ， 5 一 1 5 S 1 8 “ 3 MP a 。 可 见， 阀体局部薄膜应力在许用应力范围之内． 经 分析认为阀体内不可能产生弯曲应力， 故对 P 不进行核算。 ② A级使用应力强度 考虑短时工况条 件 总体一次薄膜应力觑体端法兰颈部与通 道连接处的最大总体一次薄膜应力用下式计算 P P I 0 ． 5 M P a 3 式中， P 为工作压力 P Ⅳ一 0 ． 4 MP a ， 其 余按上面定义， 将数值代人式 3 得 P。一 1 3 ． 9 M P a 可见， P 小于许用总体一次薄膜应力 一 一 1 2 2 MP a ， 阀体总体一次薄膜应力在许 用应力范 围之内。 局部薄膜应力强度 由内压所产生的局 部薄膜应力P 甩下式计算 P L P f 拿0 ． 5 { M P a 式中， P 和t 按上面定义， 将数值代人 式 4 得 ． 、 PL一 6 ． 9 M Pa 可见， P 工 小于 1 ． 5 S ， 阀体局部薄膜应力 在许用应力范围之内． 由于管道作用的二次应力 由相连管道 施加到阀体端法兰颈部与通道连接处 A A危 险截面 图 2 的轴向载荷、 弯曲载荷和扭曲载 荷所产生的应力分别用式 5 计算． 轴向载荷所产牟的二次应力P 为 P 譬 M P a 5 式中 枢连管道材料的屈服强度， 管道 材料为 S TP T3 8 ， 1 5 0 “C 时 一 1 8 7 M P a A - 相连管道截面积之半， 按相连 管道内径 DP l 9 9 7 m m， 外径 ％； 1 0 1 6 m m 计 算， A 1 L 5 0 2 0 tu r n AA截面 图 3 金属区面积， 4t E r f 一 ] 97 0 75 ,m m 将数值代人式 曩 得 P 一 2 8 ． 9 M P a 一 可见， 小手 1 ． 5 S w, 轴向载荷所产生的 二次应力在许甩廑 范围l之内． 弯曲载荷晴产生柏次应力P 6 为 一 笔亟 M P 6 式中 z 相连管遭截面模量， 磊 7 ． 4 9 i o , mn i z 。 A A截面的截面模量， 7一 ‘ j 广 一 2 ． 4 3 l O mms 系数 2 ． 2 5 将数值代人式 6 得 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 1 9 9 7 年第3 期 闷 门 一 1 3 P‘ 一 1 2 9 ． 7 M P a 可见， 小于 1 ． 5 S ， 弯曲载荷所产生的 二次应力在许用应力之 内。 扭曲载荷所产生的二次应力 为 P 。 一垒 MP a 7 山 P 式中 卅 一 橱面的挠扭曲截面模量 e ‘一 ‘ ， ， _ 一 4 ． 8 6 1 mm 将数值代人式 7 得 P| 一 5 7 ． 6 MPa 可见， P| 小 于 1 ． 5 S ， 扭曲载荷所产生的二 次应力在许用应力 内。 二次热应方 由于阀门在使用寿命期内 热循环载荷次数很少， 故不考虑二次热应力的 影响。 一 次加二次应力强度 该强度 s 用下式 计算 s 3 K P r l 0 ． 5 P - M P a 8 式中 叶阀体颈部系数， K 1 P 、 P 和 P ， 中的最大者 ． P． ；PI 1 2 9 ,7 M Pa 将数值代入式 8 得 ． 一 1 5 0 ． 3 M P a 1 5 0 2时阀体材料 WC B的许用应力值为 3 8 l ---- -3 8 为 3 6 6 MP a 。 可见 小于 3 1 ， 一次 加二次应力在许用应力范围之内。 2 ． 蝶板 、 。 蝶板材料为WC B ， 结构见图3 蝶板的最大 弯曲应力S 用下式计算 p 2 s 1 2 ． 4 1 0 MPa 9 一 式中 P密封压力， P 一 0 ． 3 MP a 口蝶板外缘半径 ， 口 4 7 8 ． 5 m m 蝶板厚度， 一 6 0 ram 将数值代入式 9 得 ，一39 ．4 M 可见， 小于 1 ． 5 ， 蝶板的弯曲应力在 许用应力范围之内。 圈 3 瓣扳结构 3 ， 莲接螺栓殛接窿应力的校核 1 问体和接簋阐连接螺检总面积的计算 阀体和接座问连接结构见图 4 ， 螺栓材料 为 A S T M A 1 9 3牌 号 B 7 ， 设 计压 力 为 0 ． 5 MP a 。 地震所产生的当量压力 P 用下式计 算 ‘ 筹M P a 1 o 式中 M由水平加速度所产生的弯矩， M w H G L 阀门延伸部分重量， W3 3 05 N HG 水平加速度， H 一 3 g 工力臂 图 4 F由垂直加速度所产生的力， F W 垂直加速度， 一 1 ．1 5 g G止口外径 ． G 0 ． 1 5 m 将数值代人式 1 0 得 一 4 ． 0 8 M P a 法 兰 设 计 医 丸 P F o P t P 4 ． 5 8 MPa 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阿 门 1 9 9 7 卑第 3 期 圈 4 阀悻和接摩连接结构 螺栓最小直径截面的总横截面积 A 用下 式计算 A 一 mz 1 1 u 抛 式 中 t 设计工况下所需的最小螺栓 载荷， _ 1 一H HP H 想的流体静压轴向力， H 0 ． 7 8 5 G0 尸， 口一 8 0 8 9 4 N H 连接接触面上的总压紧载荷 ， H e。 0 ’ m螺栓材料 许用拉应力， 1 5 o c 一 时 ． m 2 1 6 MP a ‘ 将数值代A式 1 1 ． A 一 3 ． 7 1 0 m 。 螺栓最小直径截面的实际总横截面积为 A6 。 ． A 8 X 4 ． 3 5 1 0 一 ‘ ms 一 3 ． 4 8 l O 一 0 m2 可见， A 大于 ， 在地震载荷作用下阀门 能保证结构完整性。 2 电动执行机构和楼座间连接螺栓总面 积的计算 电动执行机构和接座间的连接结构见图 4 ， 螺栓材料为 A S T M A 1 9 3 牌号 B 7 t 设计压力 为0 ． 5 MP a ． 用和上面相同的方法计算， 求得 螺栓最小直径截面总横截面积 A 一 2 ． 6 X l O m 。 ． 可见A 。 小于螺栓最小直径截面的实 际总横截面积 3 ． 4 8 XI o m i t 结构在地 震作用下段有问厨。 3 接座的弯曲应力计算 接座的弯曲应力用下式计算 一 挚 P a 1 2 式中M， 弯矩， 一a Ws L s n 当量加速度 t ， 。 。。 。。 。。 。。 。 。’ ’’ 。一 a VG 0- I -H e 。一 3 ． 4 g Ws 重量t 3 3 0 5 N 力臂 ， L s 0 ． 2 3 5 m z 截 面 模 量 ， z 一 ‘磊 D o --i D 一 D o 一A截面的外径 图4 ． Do 1 3 0 r a m n A A截面的内径 图 4 ， D 一 90 mm 将数值代A式 1 2 求得 一1 5 ． 5 MP a 。 接 座 材料 WC B在 5 O ℃下 的 许 用 应 力 值 为 1 ． 5 一1 8 3 MP a 可见 小于 1 ． 。 5 ， 接 座的弯曲应力在许用范臣之中． 欢迎订阅 流体机械 杂志 邮局征订代号 2 6 一l 2 9 请到当地邮局订阅 流体机械， 杂志是经国家科委批准的中央 毂技术刊物． 全国中文桉心期刊． 国内外公开发 行， 月刊， 1 6开6 4页， 正文微机排版肢印， 四封 彩色胶印， 每期定价 4 - 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