美標工業(yè)用栓接閘閥的設(shè)計方法

朱東升　徐維普

美標工業(yè)用栓接閘閥的設(shè)計方法

朱東升*徐維普

（南通市電站閥門有限公司）（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）

介紹了美標API 600工業(yè)用閘閥的設(shè)計方法。結(jié)合某型號閘閥的設(shè)計，詳細闡述了閘閥設(shè)計時確定各參數(shù)的思路以及具體的方法和注意事項。

閘閥栓接閥芯閥座閥蓋密封結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

0　概述

中國的閥門行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，企業(yè)數(shù)量已躍居世界第一，各種大小閥門企業(yè)約6000余家。隨著中國制造業(yè)的發(fā)展，各行業(yè)早已不再滿足于技術(shù)含量不高的代加工，紛紛組建自己的研發(fā)團隊，不斷開發(fā)新的產(chǎn)品。閥門制造業(yè)也是如此，市場對閥門新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的需求不斷增長。本文介紹了美標API 600工業(yè)用閘閥的設(shè)計方法。結(jié)合某型號閘閥的設(shè)計，詳細闡述了閘閥設(shè)計時確定各參數(shù)的思路以及具體的方法和注意事項。

1　閥門設(shè)計理念

閥門作為承壓設(shè)備的一種，承載一定的壓力，其內(nèi)部和外部的壓力差具有潛在的危險。在承壓設(shè)備的發(fā)展歷史上，許多安全事故都是因其設(shè)計、制造和使用不當而發(fā)生，因此其設(shè)計與制造受到嚴格的標準控制。眾所周知，設(shè)計是源頭，風險控制必須從源頭開始。作為一名承壓設(shè)備研發(fā)工作者，必須時刻遵守一條根本的設(shè)計理念：符合相關(guān)標準是大前提，其次才是綜合考慮制造性及產(chǎn)品成本。對于閥門的設(shè)計，許多參數(shù)都是有相關(guān)標準限定的，并不能隨意而為。在著手開展具體型號閥門設(shè)計之前，應根據(jù)所需設(shè)計的產(chǎn)品明確其主要依據(jù)的設(shè)計標準，并熟悉相應的標準。這就要求閥門設(shè)計者不斷提高對國內(nèi)外閥門設(shè)計標準的掌握度。例如，要設(shè)計一套美標工業(yè)用栓接閘閥時，首先必須了解其設(shè)計應依據(jù)的標準，即美國石油學會頒發(fā)的標準API 600，并應掌握標準中對哪些參數(shù)做出了具體規(guī)定。此外，還應根據(jù)設(shè)計時的需要，隨時查閱相關(guān)的參照標準。下面以美標API 600手動栓接閘閥18-300Lb為例，闡述一個閘閥產(chǎn)品的具體設(shè)計思路。

2　閥門設(shè)計思路及注意事項

閘閥設(shè)計時應遵循先有裝配圖再有零部件圖的原則。一套閥門裝配圖的生成順序通常是：自中心到左右、自下而上。按此設(shè)計步驟，首先需確定閥門的通道內(nèi)徑尺寸。根據(jù)API 600中5.3.3.1款的規(guī)定，查閱ASME B16.34附表A-1得到18-300Lb閥門的最小通道直徑為431.8 mm，圓整為直徑432 mm。根據(jù)最小通道尺寸，結(jié)合由中國標準出版社出版，陸培文、高鳳琴主編的《閥門設(shè)計計算手冊》（以下簡稱《閥門計算手冊》）［5］，按《閥門計算手冊》中（表3-15）密封面計算比壓的公式反推密封面的寬度。依據(jù)密封面必須比壓≤密封面計算比壓≤密封面許用比壓的原則，確定密封面寬度范圍。由于密封面較寬時閥門啟閉力矩大，而密封面較窄時密封面壽命短，因此設(shè)計時通常取中間值，得出密封面寬度為6 mm。根據(jù)API 600中5.6節(jié)的規(guī)定，選擇一體鍥式彈性閘板結(jié)構(gòu)，鍥角按常規(guī)的單邊5°選取。按《閥門計算手冊》“表3-41單閘板單面強制密封”中的閘板厚度計算式反推閘板厚度，取閘板最小厚度61 mm。在API 600的5.6.5條中對閘板的最小磨損行程作出了詳細規(guī)定。查API 600表4，可得18-300Lb閘閥閘板最小磨損行程為9.7 mm。結(jié)合以上數(shù)據(jù)即可繪制該型號閥門的閥座，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　閥座結(jié)構(gòu)

由圖1可見，閘板上半部分結(jié)構(gòu)仍未完成，此時需要結(jié)合閥桿來確定其尺寸。根據(jù)API 600中5.8節(jié)及表5的規(guī)定，選取閥桿直徑為2英寸（即50.8 mm）。然后結(jié)合《閥門計算手冊》中的表3-29閘閥閥桿頭部強度驗算式，確定閥桿頭部尺寸及閘板T形槽尺寸。至此已完成閥芯部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖2所示。

在后續(xù)的結(jié)構(gòu)布置中可看出，閥芯部分結(jié)構(gòu)布置完成后，該閥門的其余零部件尺寸將大多受閥芯尺寸的限制。閥芯是閥門結(jié)構(gòu)的核心，是設(shè)計時的重中之中。后續(xù)其它零部件的構(gòu)造都將圍繞著閥芯展開。假設(shè)在完成一套閥門結(jié)構(gòu)的構(gòu)建后發(fā)現(xiàn)閥芯部分需要修改，那將很可能需要修改整套產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。因此為了更高效地完成一套高品質(zhì)閥門的結(jié)構(gòu)布置，正確合理地確定閥芯結(jié)構(gòu)和尺寸至關(guān)重要。

圖2　閥芯結(jié)構(gòu)

按照自中心到左右、自下而上的順序，對閥體的結(jié)構(gòu)進行布置。根據(jù)API 600中5.3節(jié)的規(guī)定，閥門結(jié)構(gòu)長度按標準ASME B16.10的規(guī)定執(zhí)行，閥門端部為法蘭連接時按標準ASME B16.5的規(guī)定執(zhí)行，閥門端部為對焊端連接時按標準ASME B16.25的規(guī)定執(zhí)行。通過查閱這些標準，可確定閥體左右端尺寸。根據(jù)API 600中5.1節(jié)的規(guī)定，查其表1得閥體最小壁厚為25.4 mm。綜合以上數(shù)據(jù)可完成閥體左右端的尺寸圖。此時需要注意，閘板在全關(guān)位置到閥體底部的距離不得小于最小磨損行程，并應留有一定的余量。以閥門端部為法蘭連接形式為例繪制閥體結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3　閥體結(jié)構(gòu)

至此，整套閥門左右結(jié)構(gòu)已布置完成。接下來將按自下而上的原則對閥體中腔結(jié)構(gòu)進行布局。由圖3可見，下一步需要確定閥體的中腔尺寸，而閥體的中腔內(nèi)徑尺寸需根據(jù)閘板和閥座尺寸來確定，以確保閘板和閥座可以順利地裝配、閘板可上下運動。通過繪制閘板、閥座俯視最大截面圖和閥座裝配演示圖可設(shè)定和驗證閥體中腔內(nèi)徑尺寸，如圖4所示。

圖4　閥體的中腔尺寸

閥體中腔內(nèi)徑取閘板、閥座俯視最大截面圓直徑的較大值，并預留一定的空間余量。由圖4得出該閥閥體中腔最小內(nèi)徑可定為536 mm。為了確定整個閥體的結(jié)構(gòu)尺寸，需要設(shè)計閥體中法蘭的尺寸。確定中法蘭需要的參數(shù)有：中法蘭厚度、螺栓孔分布圓直徑、螺栓孔直徑、螺栓數(shù)量等。這些參數(shù)的預設(shè)定比較困難，在此介紹一個較簡單的方法：先根據(jù)閥體中腔內(nèi)徑預定螺栓孔分布圓直徑，再查ASME B16.5中同壓力級法蘭尺寸的螺栓孔分布圓直徑中最接近預定值的法蘭尺寸，將其初定為中法蘭尺寸。然后再根據(jù)《閥門計算手冊》中的表3-57、表3-58、表3-59、表3-71驗算中法蘭螺栓強度及閥體中法蘭強度，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整設(shè)計給定參數(shù)，直至所有的驗算均合格，并據(jù)此繪制閥體結(jié)構(gòu)圖。最后，根據(jù)閥體的整體結(jié)構(gòu)按需要設(shè)置加強筋，按ASME B16.34圖1設(shè)置輔助連接凸臺，如圖5所示。

在圖5的基礎(chǔ)上繼續(xù)向上布置閥門的閥蓋結(jié)構(gòu)。閥蓋壁厚與閥體壁厚相同，閥蓋中法蘭尺寸與閥體中法蘭尺寸基本相同，僅需注意閥蓋止口尺寸的設(shè)計。需要注意三點：第一，填料函處壁厚應符合API 600中表2的規(guī)定；第二，API 600中的5.6.2條明確規(guī)定，閥門在全開啟狀態(tài)時，閘板必須全部脫離開閥座通道，這就要求在布置閥蓋倒密封位置時考慮此要求；第三，驗證閥門在全開位置時，閥蓋部分可容閘板通過。其余加強筋及輔助連接凸臺的設(shè)計原則同閥體，閥蓋強度的驗算按《閥門計算手冊》表3-80蝶形開孔閥蓋強度驗算式驗算。綜上所述，閥蓋布局如圖6所示。

圖5　帶輔助連接的結(jié)構(gòu)

圖6　閥蓋結(jié)構(gòu)

圖6所示的標注尺寸475 mm為閥門的啟閉行程，標注尺寸449 mm為閘板完全離開閥座通道所需的行程。由此可見，上密封座的高度設(shè)計合理，滿足標準對閥門全開位置時閘板完全脫離閥座通道的要求。

由于該閥門為較大口徑閥門，一體式閥蓋結(jié)構(gòu)尺寸較大，鑄造和機加工均較困難，故設(shè)計為兩段式閥蓋，即閥蓋加支架的結(jié)構(gòu)。閥蓋與支架連接部分尺寸根據(jù)《閥門計算手冊》表3-87兩段支架閥蓋平板部分彎曲驗算式推算，支架加強筋根據(jù)《閥門計算手冊》表3-88兩段支架T形加強筋支架部分強度驗算式推算。根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整設(shè)計給定參數(shù)直至驗算結(jié)果為合格，并完成支架結(jié)構(gòu)圖的繪制。至此，該規(guī)格的閥門結(jié)構(gòu)圖已基本完成，最后繪制的該閘閥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7　閘閥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

其余需要注意的問題有：在設(shè)計閥桿時需要注意API 600中5.8.13條規(guī)定了閥門在關(guān)閉時閥桿的螺紋露出閥桿螺母之外的最小長度，檢查閥桿梯形螺紋在全關(guān)時是否進入填料部位，驗證閥桿的梯形螺紋在閥門全開時是否仍有余量，閥桿與閥桿螺母的旋合長度不得低于1.5倍的閥桿直徑等。

其余細小零件的設(shè)計具有較大的隨意性，按照滿足產(chǎn)品性能、成本最低的原則進行設(shè)計即可，在此不再細述。

3　結(jié)語

一個產(chǎn)品裝配圖完成后，接下來需要分解裝配圖。分解過程中還有許多要學習的東西。例如：有些重要尺寸需要嚴格控制，即需標注公差；此外，還需考慮零件各部位的粗糙度、配合尺寸的配合公差、各零部件的材料等。工藝方面也需要注意許多問題，包括鑄造工藝、機加工工藝、熱處理工藝和焊接工藝等。一個產(chǎn)品設(shè)計得再完美，若無法制造就毫無意義。這些知識和經(jīng)驗都需要在工作中不斷學習和積累。

［1］API 600，Steel Gate Valves-Flanged and Butt-welding Ends，Bolted Bonnets［S］.2015.

［2］ASME B16.34，Valves-Flanged，Threaded，and Welding End［S］.2013.

［3］ASME B16.5，Pipe Flanges and Flanged Fittings［S］. 2013.

［4］ASME B16.10，F(xiàn)ace-to-Face and End-to-End Dimensions of Valves［S］.2009.

［5］陸培文，高鳳琴.閥門設(shè)計計算手冊［M］.北京：中國標準出版社，2009.

第三屆中原（濮陽）油氣技術(shù)裝備展覽會盛大開幕

2016年9月6日上午，第三屆中原（濮陽）油氣技術(shù)裝備展覽會，在濮陽市華龍區(qū)科技創(chuàng)業(yè)園盛大開幕。本屆展會由濮陽市政府、中石化中原油田主辦；濮陽市商務局、濮陽市工信委、濮陽市華龍區(qū)政府承辦；由北京振威展覽有限公司負責展會整體策劃運營。濮陽市委書記何雄出席開幕式并致辭。中國會展經(jīng)濟研究會副會長、博鰲亞洲論壇研究院院長姚望也在開幕式上致辭祝賀。

何雄表示，制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主導產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，油氣技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)是制造業(yè)的重要分支。自2014年首屆中原（濮陽）油氣技術(shù)裝備展覽會舉行以來，濮陽堅持把油氣技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)作為穩(wěn)增長、保態(tài)勢、調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)型的重中之重來抓，以石油機械裝備制造園為主載體，加大政策扶持力度，堅持“引進來、走出去”發(fā)展戰(zhàn)略，濮陽石油技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大。

據(jù)悉，本屆展會布展面積23 000 m2，分為清潔能源展區(qū)、智能裝備展區(qū)、油氣裝備展區(qū)、無人機展區(qū)、創(chuàng)新產(chǎn)品展區(qū)、德國展區(qū)、美國展區(qū)等7個展區(qū)。展期為9月6～8日，共有109家國內(nèi)外企業(yè)參展。據(jù)不完全統(tǒng)計，展會上簽約的國內(nèi)外貿(mào)易訂單有61個，訂單總額5.11億元；簽約鴻海醫(yī)療器械、光大國際生物質(zhì)發(fā)電等招商引資項目9個，意向投資總額120億元；簽訂長江大學智能抽油機研發(fā)等產(chǎn)學研對接項目4個；簽訂銀企、銀地合作項目13個，融資金額9.5億元。

（梁艷）

Design of American Standard Industrial Bolted Gate Valves

Zhu DongshengXu Weipu

The design method of the American standard API 600 industrial gate valves is introduced.Take a certain gate valve as an example，the determination of the parameters as well as the precautions during the design is elaborated in detail.

Gate valve；Bolted；Valve element；Valve seat；Valve deck；Sealing structure；Design method

TQ 051.2

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.10.003

2016-03-03）

*朱東升，男，1984年生，工程師。南通市，226572。