铸钢楔式闸阀的优化设计.pdf

文章编号 100225855 2008 0220001206 作者简介倪平1947 - ,男,工程师,从事阀门产品开发和工艺设计工作。 铸 钢 楔 式 闸 阀 的 优 化 设 计 倪 平 宁波埃美柯铜阀门有限公司,浙江 宁波315020 摘要 分析了铸钢楔式闸阀优化设计的必要性,阐述了优化设计过程在工艺方法和计算方法 上的多项选择过程。 关键词 铸钢;闸阀;结构;优化设计 中图分类号 TH134 文献标识码 A Optimized designing of cast steel wedge gate valve NI Ping Ningbo AMICO Copper Valves Mfg Inc , Ningbo 315020 , China Abstract The paper gives the analysis on why we need optimized designing for cast steel wedge gate valve , and presents several of techniques and calculation in optimized designing. Key words cast steel ; gate valve ; structure ; optimize design 1 概述 阀门的质量与成本密切相关。根据不同标准设 计的Z41H16 DN100铸钢熔模铸造,以下同楔 式闸阀,其质量重的可达52kg ,质量轻的仅为 25kg 理论质量, 下同 , 销售价格相差2～4倍。 从实际工况需求和市场价格定位出发,选择和确定 适合的产品标准,严格按产品标准规定设计,削减 多余功能,提高性价比,是阀门优化设计的目的和 要求。 2 结构分析 阀门的结构是决定阀门质量的重要因素之一。 211 GB标准闸阀 图1是按标准GB/ T 12234 - 1989和相关零件 标准设计的明杆楔式闸阀,其理论质量为5118kg。 图中阀盖和支架为分体式,阀杆螺母自下往上安 装。填料压盖为整体式,壳体壁厚1013mm ,中法 兰厚22mm ,连接螺柱8M18。二端连接法兰外 径为 220mm。如将阀体中腔设计成由椭圆逐渐过 渡到圆筒形腔与中法兰相接图2 ,在阀体通道 与颈部接合处按阀座外形走向环状仿形均匀设定阀 体壁厚,闸板改用弹性闸板,填料压盖由填料压板 和不锈钢填料压套组成,填料函深度缩短为6圈未 经压缩的填料高度,中法兰连接螺栓改为8 M14 ,中法兰外径相应缩小 12mm ,阀盖与支架 设计为连体式,阀杆螺母为上装式,其他所有的技 术要求均按照GB/ T 12234 - 2007的规定,则其质 量为4514kg。 图1 GB标准铸钢楔式闸阀 1 型 无论是API 6D、API 600还是GB/ T 19672 - 2005规 定 的 结 构 长 度,都 明 确 地 为DN100 PN116MPa的铸钢闸阀选择了与铸铁闸阀相同的短 12008年第2期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 系列结构长度,为229mm。将2型改为图3所示 的短系列则其质量为4015kg。 图2 GB标准长系列铸钢楔式闸阀 2 型 图3 GB标准短系列铸钢楔式闸阀 3 型 图4的4型是参照API 600标准150Lb闸阀的 图4 GB标准椭圆形中腔铸钢楔式闸阀 4 型 结构,将阀体中腔和中法兰改为椭圆形,并将中法 兰厚度20mm、连接螺栓规格M12和手轮直 径250mm都作了相应的削减,使阀门在其功 能没有改变的情况下,总质量为3813kg。 212 一般工业用闸阀 如将一般工业用的闸阀与石油天然气用闸阀分 别设计,缩小阀门的通用范围,有利于削减多余功 能,进一步减轻阀门质量。 一般工业用铸钢闸阀最高工作 温 度 定 为 250℃,适用介质为非易燃易爆弱腐蚀的液体和气 体,其结构按GB/ T 12232和GB/ T 12224选择和 确定壁厚、内径、结构长度、连接螺栓和材料及检 验与试验等要求。按JB/ T 7911机械行业法兰标准 等相关标准的规定编制相应的产品企业标准。结构 如图5中的5型,其质量为3017kg。由于使用温 度较低,楔角改为3,配以2Cr13不锈钢整体闸板 使阀体中腔内腔进一步缩小,使联带的中法兰厚 度、闸板启闭高度和连接螺栓等相应缩减。两端连 接法兰外径215mm和厚度20mm的尺寸 也比GB/ T 911311规定分别减小 5mm和2mm。5 型闸阀的阀杆螺母为上装式,使阀门在开启状态 时,将手轮拆卸后,阀杆和闸板仍保持原有位置不 会掉落。填料箱底加设填料垫,有利于填料箱的加 工和增加阀杆密封的可靠性。从铸造工艺考虑, WCB精铸壳体壁厚定为8mm ,比GB/ T 12224规 定的612mm增加118mm。 图5 一般工业用椭圆形中腔铸钢楔式闸阀 5 型 213 水道用铸钢闸阀 目前许多消防管道、给排水管道出于建筑设计 和认证的要求,而选用PN16的铸钢闸阀。在壳体 表面磷化处理后,铸钢闸阀壳体的高强度和防腐性 能以及低廉价格的优势就凸现出来,较之铁制闸阀 更多地被选用。6型水道用铸钢闸阀图 6 重 2814kg ,比同规格的铸铁闸阀轻10kg。其结构与5 2 阀 门 2008年第2期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 型类同,但更接近铁制闸阀,甚至于填料压盖的活 节螺栓也改为T形螺栓,耳环改为吊耳,但在填 料箱底部增设了填料垫。其壁厚设定为712mm , 比GB/ T 12224规定的612mm厚110mm。 图6 水道用铸钢楔式闸阀 6 型 214 缩径铸钢闸阀 按GB/ T 12224的规定,在选取阀体流道内径 时,其最小直径不小于法兰公称通径的90 。因此 当实际工况允许并有经济合同要求时,可设计和供 应缩径闸阀。由于密封面的减小,其密封力相应减 小,根据计算阀杆总轴向力和总力矩分别比全径阀 门降低13 和1615 ,阀杆直径因此缩小到 22mm ,并按相同的启闭力矩改用直径 200mm手 轮。同时,中腔、中法兰、填料压盖、阀盖支架和 闸板的尺寸,以及中法兰连接螺栓个数都有相应变 化,但其壁厚仍保持为7mm。7型水道用缩径铸钢 闸阀图 7 其总质量为2511kg。 图7 水道用铸钢缩径闸阀 7 型 215 低价铸钢闸阀 如将1型- GB标准铸钢楔式阀门长系列 的质量从5118 kg减到28kg ,则其结构长度为 300mm ,阀杆最小直径 24mm ,阀盖支架连体, 阀座密封面为本体堆焊,壁厚为515mm。虽然其 各项技术指标与产品标准的要求存在很大差异,但 仅以密封性能的承诺和低售价赢得一批特殊用户的 认同,满足了工况系统的要求。 216 优化设计 阀门结构的演变和衍生,从不同角度及不同程 度适应了市场经济发展的需要。一方面经销商寻求 最低价,以求取高额的物流效益,另一方面制造商 力求不断简化结构,以降低制造成本。结构的演变 和衍生既不能盲目,质量也不能随意削减。产品的 优化设计必须从实际工况的需求和市场价格定位出 发,在产品标准和强制标准的约束下,运用先进的 计算工具和计算方法,依托成熟可行的工艺,改进 结构参数,实行优化设计。 3 计算工具和计算方法 计算工具和计算方法的选择是结构优化设计的 基础。 311 零件结构参数设计计算 在系列设计过程中,如选用快速便捷的Excel 电子表格进行零件结构参数的设计计算,只需 通过粘贴函数、嵌入简图、编辑计算公式和输入基 本数据即可直接显示计算结果。再通过复制、粘贴 命令进行同系列其他规格产品的计算,并建立起系 列阀门通用计算表。如输入许用应力值增编判断式 还可自动完成判断,直接彩显“合格”或“不合 格”的结论。这有利于对系列产品的比较和研究, 更有利于替代手工计算在反复筛选各种设计参数的 过程中真正得到优化设计参数,尤其对于计算过程 冗长和较复杂的,例如阀杆的总轴向力、支架的强 度计算及其截面参数的选择等。 312 有限元分析 在结构设计过程,如参照API 600标准的 300Lb和150Lb的椭圆-圆筒形或椭圆形中腔,需 要对阀体壁厚刚性的验证以及对壁厚、椭圆长短轴 比、加强筋厚度的选择,以便将中腔变形量有效控 制在01001DN范围之内。引进有限元分析方法对 三维建模进行分析,可以直接给出变形量并显示应 力值,在线筛选和最终确定各参数。 方法一是将在AutoCAD中设计的零件三维实 体用sat格式输出文件,进入Ansys软件后读取sat 格式文件,进行网格剖分和受力分析。如变形量超 32008年第2期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 出范围,则重新设计修改实体。 方法二是运用Solidwork软件配制的应力分析 工具COSMOSXpress ,在对零件模型定义材料属 性、添加约束和施加载荷之后就会自动分析和给出 应力分布图。 313 圆形中法兰计算 椭圆形法兰计算模型是顺延存有最大弯曲应力 的阀体中法兰颈处,将椭圆法兰展开为直的悬臂梁 进行分析的。出于法兰颈处周长即悬臂梁的长度不 一致,给出了区别于椭圆形法兰的圆形中法兰厚度 te计算公式 te 6WbX πdNf 式中 te 法兰的计算厚度, mm Wb 螺栓承受的合力, N f 材料的许用弯曲应力, MPa X 螺栓中心圆到法兰根部的距离, mm dn 阀体颈部直径, mm 如将法兰的计算厚度再加上铸件的附加裕量 C,则2型和3型中法兰有效厚度应大于16mm。 而阀体则因有6mm深的止口存在,仍要保持 22mm厚,与端法兰厚度相等。但如不考虑体盖法 兰厚度保持一致,则可以使阀盖大法兰有不超过 6mm的减薄量,导致2型和3型阀门的整体质量 有约019kg的削减量。由于计算过程排除了仅仅是 端法兰需要承受的管道机械负荷由于管道系统的 温度变化、压力波动等原因产生的作用在阀门上的 机械力等因素,并在螺栓承受的合力Wb中包含 了中法兰垫片的压紧力和阀杆总轴向力,同时,由 单一算式便可直接导出法兰厚度,因此所得的计算 值比“仅考虑流体静压力和垫片压紧力”的适用于 钢制压力容器的管法兰计算方法,以及参照端法兰 厚度的参照法更贴合实际和便捷。 314 中法兰连接螺柱计算 按GB/ T 12234 - 2007标准规定的计算方法, 通过对阀体与阀盖连接螺柱最小截面积的计算,选 择和确定连接螺柱,可以简化计算过程,并通过减 小螺柱规格进一步缩小中法兰外径,再削减其质量 约114kg。 315 许用应力 材料许用应力的正确选取及其真实性直接影响 设计计算的正确性和可行性。例如从相关的铸钢许 用 应 力 表 中 查 到 的WCB铸 钢 件 应 力 值 为 120169MPa ,与表中所列材料的最小抗拉强度 517124MPa相比,其保险系数己经超过厚壁阀体 安全系数的强度指标nb 4125为4128 ,却并不能 直接被引用,因为这个被列于美国ASME锅炉和 压力容器标准中的应力值,还应按该标准中规定 的018铸造质量系数打折,才能以96155MPa作为 材料的许用应力。尽管如此,该值仍然是ZG 230 - 450 GB/ T 11352许用应力82MPa的1118倍。 4 工艺的改进和选择 材料工艺的改进和选择是实现阀门优化设计的 保证。如果没有条件实施成熟的工艺,就必须修改 或放弃相应的优化设计项目,甚至需要再提高保险 系数,以免降低结构强度和降低合格率,增加成 本,削弱产品的性价比。 411 铸造工艺 1如果因壁厚不均匀使交叉区内的热节圆过 大,直径超过壁厚的115倍,而又没有得到有效补 缩,就会因金属局部积聚,产生缩孔、缩松和裂 纹,使局部的连续壁厚达不到GB/ T 12234的规定 壁厚甚至达不到计算壁厚,或出现厚壁比薄壁更脆 弱的现象。此种现象的多发区往往在阀座安装孔根 部和法兰根部。如将阀体通道和颈部接合处的过渡 圆弧改为按阀座外形走向,环状仿形均匀设置阀体 壁厚应为阀座孔可能产生的偏制留足裕量 , 可 将热节圆直径由壁厚的215倍降为2倍,如减薄阀 座挤压的或焊接的并增加型芯沟槽,其毛坯的 热节圆直径都可降至壁厚的115倍左右。使阀体除 三个法兰外其他部位的壁厚基本均匀,为薄壁壳体 的优质铸造创造了条件。如在三个法兰外圆处都设 置浇冒口,那么法兰根部圆锥过渡会有利于铸件的 顺序冷却,即便是短系列阀体为此而增加012kg , 也是很有必要的。 2薄壁壳体铸件要依靠成熟的铸造工艺来实 现。例如GB/ T 12224规定, DN100 PN116MPa壳 体的最小壁厚设计为612mm。大多数铸造厂商会 选择放弃,因为合格率很低。但如再增加1mm , 合格率就会明显提升。 412 溶模铸造 阀体溶模的结构形式和加工精度直接关系到铸 件壁厚的精度,通过建模比较表明,将6型阀体壁 厚减薄1mm ,其质量可减少约112kg。如果阀体溶 模的组合型芯的二通径外圆和中腔外圆与壳体上下 模具有足够的配合长度和精度,铝制组合型芯先靠 4 阀 门 2008年第2期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 上模自重压住,而后通过紧固上下模的螺栓锁紧组 合型芯,溶模的壁厚误差完全可以长期控制在 012mm以内。但如果为了降低模具投资,仅靠紧 固端面螺栓克服和降低型芯下坠量,长时间工作, 会因锁紧力降低而扩大壁厚误差。这类模具所造成 的壁厚差值甚至可达到115mm。在5型～7型的壁 厚设定时,比标准壁厚分别增加了118和110mm 的壁厚裕量就是为铸造工艺和溶模铸造工艺的选择 留出余地。壁厚裕量和模具投资的选择在壁厚完全 能达到标准要求时应根据经济效益的比较做出判 断。 413 铸造整体不锈钢闸板 如果选择2Cr13不锈钢整体熔模铸造闸板,可 使闸板整体结构简单,工艺过程简化,质量减少约 36 ,不但会因材料强度的大幅增加而减薄基体厚 度,缩减T形槽的结构尺寸,减小阀体中腔高度, 并因取消堆焊基座,而使密封面宽度与基体趋于一 致。结构改进使加工成本可与堆焊闸板基本持平, 也给中腔和中法兰的改进创造了条件。但有3点要 注意。① 为避免铸件因铸态粗颗粒马氏体在清砂搬 运过程被敲断,或留下裂纹隐患,必须在出炉后连 带残留模壳和浇冒口整体退火,然后再清砂切割。 ②2Cr13马氏体铸钢件是对硫化物应力腐蚀开裂敏 感材料,不能抗硫化氢的应力腐蚀,常常发生脆性 断裂现象。因此应按标准规定,对铸件进行消除应 力热处理,以及对密封面经淬火后的闸板进行回火 处理都不能低于620℃如淬火后需双回火则第二 次回火的温度应低于第一次回火温度 , 使其在热 处理后的硬度不超过HRC22 ,否则2Cr13不锈钢 整体铸造闸板不能用于含硫化氢的介质系统。③ 2Cr13密封面材料使用寿命短,不能达到GB/ T 12234 - 2007标准关于静压寿命次数 ≥3 000次的 要求,因此2Cr13不锈钢整体熔模铸造闸板不适宜 用于石油天然气系统。 414 阀座连接方式 本体堆焊阀座密封面的工艺比采用螺纹、挤压 和焊接的连接方式加工环节更少,使阀体外形简 单,内腔紧凑,铸件局部热节更小并由此可再减轻 质量和降低加工成本。但是不可避免的堆焊飞溅物 会嵌在过于狭小的阀体内腔难以剔除并除尽,给密 封副划伤留下隐患,尤其对于在机加工过程出现密 封面气缩孔进行补焊时所带来的飞溅物。虽然在易 飞溅区域刷涂石灰水可以降低飞溅物的附着力,但 如果不能控制质量,仍应更换其他的阀座连接方 式。 本体 堆 焊 工 艺 普 遍 选 用 的A102堆 焊 层 OCr18Ni9 ,因材料质地较软,使密封副一次配 装合格率较高,也因此使其抗擦伤性和抗冲蚀性较 差,所以不适合用于启闭频繁的阀门密封面。如改 用D507Mo ,则闸板必须选用D577与之配对,否 则其使用寿命也不能达到GB/ T 12234 - 2007标准 关于静压寿命的要求。更理想的选择应该是优质高 效的埋弧自动堆焊和粉末等离子堆焊的工艺方法。 415 法兰螺栓孔加工工艺 对于一般工业用铸钢闸阀和水道用铸钢闸阀, 法兰螺栓孔可以用直接铸造成形取代钻削,但有限 制条件。① 阀体结构上有足够空间让割刀进退,车 削法兰反平面以代替锪削支承面。② 精铸工艺收缩 率稳定,可以确保螺栓孔位移度符合标准规定。③ 面层涂料时,需仔细描刷每一个螺栓孔表面,确保 面层质量和模壳强度,防止铸件的螺栓孔表面产生 形位缺陷。 对于椭圆中法兰,还可以选择精车法兰的椭圆 凸肩来代替整个法兰平面的切削,省料又省工。 5 选定结构 阀门的功能如果与市场价格定位失衡,应考虑 对产品结构进行分流,缩小阀门的通用范围,选择 适当的产品标准或编制企业标准,保持合理的性价 比。GB/ T 12234 - 2007将标准名称由通用阀门 法兰和对焊连接钢制闸阀改为石油天然气工业 用螺柱连接阀盖的钢制闸阀 。一方面对石油天然 气用闸阀的质量要求作了进一步的明确和提高。另 一方面使一般工业用铸钢闸阀以及水道用铸钢闸阀 的制造商可以极大限度地依托企业的工艺优势和管 理水平,按各类专业实际工况的需求自主削减多余 功能,以较轻的质量、较低价格和更专业的功能进 入市场。事实上经济的快速发展已经使这类专业用 闸阀有较多的需求量,有条件推行分流,形成独立 的供需市场。 工艺方法与计算方法只是为阀门优化设计提供 一种选择,而结构的改进不能偏离产品标准的规定 和约束。例如椭圆形中法兰, JB的端部连接法兰、 法兰螺栓孔铸造成型以及2Cr13不锈钢整体熔模铸 造闸板等工艺方法只是有条件地适用于一般工业用 闸阀和水道用闸阀,但并不适用于执行GB/ T 12234 - 2007标准的阀门。实际上对应于API 600 52008年第2期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. - 2001非等效制定的GB/ T 12234 - 2007己经集中 体现了目前在石油天然气工业用钢制闸阀方面的最 新科研成果和技术。例如填料箱结构的整体改进、 3 000次静压寿命的要求、中法兰连接螺柱计算方 法、壳体最小壁厚和阀杆最小直径的调整等等,都 已为阀门减轻质量、降低成本、提高密封性能和实 行优化设计提出了全面的强制性的先进理念。 6 结语 ① 从市场目标价格出发,对产品的结构实行分 流。从实际工况需求出发,对阀门的结构进行优化 设计是市场经济快速发展的需要。 ② 严格按产品标准规定设计,削减多余功能, 提高性价比,是阀门优化设计的目的和要求。 ③ 运用先进的计算工具和方法修正结构参数实 行优化设计,依托成熟可行的工艺实施优化设计, 依靠规模经营推进优化设计。 参考文献 〔1〕 日日花弘子.Excel函数与公式词典 〔M〕.北京中国 青年出版社, 2007. 〔2〕 孙立斌,等. AutoCAD答疑解惑 〔M〕.北京清华大学出 版, 2003. 〔3〕 林朔,等. 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