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闸阀设计计算说明书
闸阀设计计算说明书
（4”Z40H-150Lb）
编制:
审核:
二○○二年三月十五日
目录
一、壳体最小壁厚验算………………………………………………………1
二、阀杆总轴向力计算………………………………………………………1
三、中法兰螺栓强度校核…………………………………………………3
四、中法兰厚度验算…………………………………………………………4
五、阀盖强度校核………………………………………………………………4
六、闸板厚度验算………………………………………………………………7
参考文献……………………………………………………………………8
结果
SB=11.2mm
SB’=7.5mm
dF=26mm
一、壳体最小壁厚验算
1、设计给定SB=11.2mm（参照API600选取）
2、按第四强度理论计算
SB’=+C（见设P359）
式中：
SB’—考虑腐蚀裕量后阀体壁厚（mm）
P—设计压力（MPa），取公称压力PN
P=PN=2.0MPa
DN—阀体中腔最大内径（mm）
DN=140（设计给定）
[бL]t—425℃材料的许用拉应力（MPa）
查表知[бL]t=49.98MPa
C—考虑铸造偏差，工艺性和介质腐蚀等因素
而附加的裕量（mm）
SB’=+C
因SB’-C=2.5<5
SB’=2.5+5=7.5mm
显然SB>SB’，故阀体最小壁厚满足要求
二、阀杆总轴向力计算
1、阀杆直径设计给定dF=26mm（参照API600选取）
2、阀门关闭或开启时的总轴向力
Q’FZ=Q’+Qp+QT
Q”FZ=Q”+Qp+QT
式中：
Q’FZ—阀门关闭时阀杆总轴向力（N）
Q”FZ—阀门开启时阀杆总轴向力（N）
Q’,Q”—关闭和开启时阀杆密封力,即阀杆
与闸板间的轴向作用力（N）
设计说明与计算过程
2×140
2.3×49.98-2
1
Q’=4947.9N
Q”=7624.4N
Qp=1061.3N
QT=979.7N
根据楔式闸板半楔角Ψ=5º
密封面材料为13Cr/13Cr
关闭时的摩擦系数fM’=0.3
开启时的摩擦系数fM”=0.4
及半自动密封,采用公式
Q’=0.77QMF-0.48QMJ-QG
Q”=0.62QMF-0.21QMF+QG
其中QG为闸板组件的重量（N）,QG=39.2N
QMF为密封面上达到必需比压时的作用力（N）
QMF=л（d+bm）bmqMF
其中d为密封面内径（mm）,d=109（设计给定）
bm为密封面宽度（mm）,bm=4.5（设计给定）
qMF为密封面上必需的比压（MPa）
qMF=11.9MPa（查表）
QMF=л（109+4.5）×4.5×11.9=19084.7N
QMJ作用在出口密封面上的介质静压力（N）
QMJ=0.785（d+dm）2P
=0.785（109+4.5）2×2=20225.2N
Q’=0.77×19084.7-0.48×20225.2-39.2
=4947.9N
Q”=0.62×19084.7-0.21×20225.2+39.2
=7624.4N
Qp介质作用于阀杆上的轴向力（N）
Qp=dF2P
=×262×2=1061.3N
QT阀杆与填料间的摩擦力（N）
QT=лdFhTUTP
其中hT填料层的总高度（mm）,hT=40mm
UT阀杆与填料间的摩擦系数UT=0.15
QT=л×26×40×0.15×2=979.7N
结果
设计说明与计算过程
2
Q’FZ=4947.9+1061.3+979.7=6988.9N
Q”FZ=7624.4+1061.3+979.7=9665.4N
三、中法兰螺栓强度校核
1、设计时给定：
螺栓数量n=10
螺栓名义直径dB=M14
2、螺栓载荷Wb（N）计算
Wb=F+Fp+QFZ’
式中：
F—流体静压总轴向力（N）
F=PA
其中A通道处的截面积（mm2）
A=6772.4（设计给定）
F=2×6772.4=13544.8N
Fp—操作状态下需要的最小垫片压紧力（N）
Fp=PAdm
其中Ad垫片接触面积（mm2），
Ad=5162.9（设计给定）
m为垫片系数,m=3.5（查表）
Fp=2×5162.9×3.5
=36140.3N
Wb=13544.8+36140.3+6988.9
=56674N
3、螺栓拉应力校核
бbL=
式中：
бbL—螺栓所受拉应力（MPa）
Ab—设计时给定的螺栓总截面积（mm2）
Ab=π/4×10×（14-2）2=1130mm2
бbL==50.2MPa<62MPa
故螺栓强度符合要求
结果
设计说明与计算过程
Q’FZ=6988.9N
Q”FZ=9665.4N
F=13544.8N
Fp=36140.3N
Wb=56674N
3
2
结果
Aa=839.5mm2
）
an=79.5mm
设计说明与计算过程
3
四、中法兰厚度验算
te’=
式中：
te’—计算的法兰厚度（mm）
X—螺栓中心到法兰根部的距离（mm）
X=15.8（设计给定）
[б1]—材料径向许用弯曲应力（MPa）
[б1]=120.69MPa（查表）
an—垫片压紧力作用中心长轴半径（mm）
an=79.5mm（设计给定）
bn—垫片压紧力作用中心短轴半径（mm）
bn=44.5mm（设计给定）
te’==11.2mm
设计给定te=22mm
故中法兰厚度设计满足要求
五、阀盖强度校核
阀盖和阀体共同组成“承压壳体”,阀盖所承受的介质压力、温度等技术参数与阀体相同，选用材料也相同，故阀体设计计算中关于壁厚和中法兰的计算值，也适用于阀盖，这里就不重复计算；下面只对阀盖两个力臂进行应力计算（参见设P395）
由于Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ，Ⅲ-Ⅲ截面处为危险截面，故对三处截面进行应力校核
1、Ⅰ-Ⅰ截面的合成应力按下式校核
бΣⅠ=бwⅠ+бLⅠ+бwⅠN≤[б]
式中：
бΣⅠ—Ⅰ-Ⅰ截面的合成应力（MPa）
бwⅠ—Ⅰ-Ⅰ截面的弯曲应力（MPa）
设计说明与计算过程
结果
te’=15mm
te’=11.2mm
te=22mm
4
4
бwⅠ=
其中MⅠ为弯曲力矩（N·mm）
MⅠ=[]
其中Q’FZ=max（Q’FZ,Q”FZ）=9665.4N
L=83mm（设计给定）
H=110mm（设计给定）
ⅠⅢX为Ⅲ-Ⅲ截面对X轴惯性矩（mm4）
ⅠⅢX=189843.8mm4（设计给定）
ⅠⅡy为Ⅱ-Ⅱ截面对y轴惯性矩（mm4）
ⅠⅡy=5760mm4（设计给定）
MⅠ=×
=4390.5N·mm
WⅠy为Ⅰ-Ⅰ断面对y轴的截面系数（mm3）
WⅠy=960mm3（设计给定）
бwⅠ===4.57MPa
бLⅠ—Ⅰ-Ⅰ截面的拉应力（MPa）
бLⅠ=
其中FⅠ为Ⅰ-Ⅰ截面处的截面积（mm2）
FⅠ=12×40=480mm2
бLⅠ==10.1MPa
бwⅠ=4.57MPa
бLⅠ=10.1MPa
结果
设计说明与计算过程
QFZ’L
8
QFZ’’2FⅠ
9665.4
2×480
5
结果
设计说明与计算过程
бwⅠN=24.6MPa
бΣⅠ=39.3MPa
бwⅠN—力矩引起的弯曲应力（MPa）
бwⅠN=
其中MⅠN力矩（N·mm）
MⅠN=
其中MFJ为阀杆螺母与阀盖间的摩擦力矩（N·mm）
关闭时MFJ’（N·mm）计算
MFJ’=1/2QFZ’fjdp
其中fj凸肩与阀盖间的摩擦系数,fj=0.3（查表）
dp阀杆螺母凸肩与支架间环形接触面平均直径
dp=49mm（设计给定）
MFJ’=1/2×6988.9×0.3×49=51368.4N·mm
开启时MFJ”（N·mm）计算
MFJ”=1/2QFZ”fjdp=1/2×9665.4×0.3×49
=59442.2N·mm
MFJ=max（M’FJ,M”FJ）=59442.2N·mm
MⅠN==78778.8N·mm
WⅠX为Ⅰ-Ⅰ截面对X轴的截面系数（3200mm3）
WⅠX=3200mm3（设计给定）
бwⅠN==24.6MPa
бΣⅠ=4.57+10.1+24.6=39.3MPa
[б]—常温下阀盖材料的许用应力（MPa）
结果
设计说明与计算过程
MFJH
L
59442.2×110
83
78778.8
3200
8
6
结果
бwⅢ=23.4MPa
[б]=120.69MPa（查表）
显然бΣⅠ<[б]
故Ⅰ-Ⅰ截面合格。
2、Ⅱ-Ⅱ截面同Ⅰ-Ⅰ截面，故校核合格
3、Ⅲ-Ⅲ截面的弯曲应力按下式校核
бwⅢ=≤[бW]
式中MⅢ—Ⅲ-Ⅲ截面的弯曲力矩（N·mm）
MⅢ=-MⅠ=-2854.8
=197702.3N·mm
WⅢx—Ⅲ-Ⅲ截面对x轴的截面系数（mm3）
WⅢx=8437.5mm3
бwⅢ==23.4MPa
[бW]—常温下阀盖材料的许用弯曲应力（MPa）
[бW]=99.96MPa
显然бwⅢ<[бW]
故Ⅲ-Ⅲ截面校核合格
通过对Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ，Ⅲ-Ⅲ三处危险截面的应力计算：
知三处应力均小于其许用应力,故阀盖强度校核合格。
六、闸板厚度验算
1、闸板厚度按下式计算
SB’=db+C
设计说明与计算过程
MⅢ
WⅢx
9665.4×83
4
197702.3
8437.5
×
7
SB’=10.2mm
SB=16mm
式中：
SB’—闸板计算厚度（mm）
P—设计压力（MPa），取公称压力PN
P=PN=2.0MPa
db—闸板内径（mm）
db=96（设计给定）
[бw]t—425℃材料的许用弯曲应力（MPa）
查表知[бw]t=59.78MPa
C—考虑铸造偏差，工艺性和介质腐蚀等因素
而附加的裕量（mm）
SB’=+C
因SB’-C=6.2,故C取4
SB’=6.2+4=10.2mm
设计给定SB=16mm
显然SB>SB’，故闸板最小壁厚满足要求
参考文献
《阀门设计手册》机械工业出版社
《材料手册》机械工业出版社
《机械零件设计手册》机械工业出版社
结果
设计说明与计算过程
96
2
8
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