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2G1计算书

目录

1.中法兰强度计算·······················································································2

2.闸阀力计算·······························································································8

3.闸板、阀杆拉断计算·············································································10

4.闸板应力计算·························································································13

5.压板、活节螺栓强度计算·····································································15

1.基本条件:

公称通径DN50mm,公称压力PN1.6MPa,阀体材料CF8,闸板材料CF8,阀杆材料0Cr18Ni9,密封面材料CF8

2.中法兰计算

2.1输入参数

2.1.1基本参数:

口径（DN）=50mm

压力等级（CLASS）=150LB

阀种（TYPE）=闸阀

设计温度（T0）取常温380C。

设计压力（P）按GB/T1224-2005取值15.3kgf/cm2

法兰许用应力（FQB）按ASME第Ⅱ卷（2004版）材料D篇表1A，乘以铸件系数0.8

取值138MPa（14Kgf/mm2）

螺栓许用应力按GB/T3098.6-2000表2抗拉强度为700MPa，根据钢铁材料手册不锈钢卷提供的抗拉许用应力安全系数取3--4，取n=3.5。

抗剪许用应力是抗拉许用应力的0.5--0.8，取0.7。

所以抗剪许用应力为：

[τ]=700MPa÷3.5×0.7=140MPa=14.29kgf/mm2

垫片密封压力，按ASME第Ⅷ卷（2004版）,取值Y=7.03,垫片系数取值M=3.00

2.1.2法兰基本尺寸

垫片宽度N=4.5mm,垫片外径D=98mm,

斜度高度H=16.6mm,壁厚G0=6.5mm,根部厚G1=G0+H/5=9.82mm

法兰内径BB=50mm,法兰外径A=165mm,螺栓中心距C=125mm,法兰有效厚度T=16mm

螺栓公称直径d=3/4”,螺栓数量n=4

2.1.3法兰形状系数

2.1.3.1法兰斜度修正系数f

根据按ASME第Ⅷ卷第一册（2004版）P304图2-7.6查得,取F=1.00

2.1.3.2一体形法兰计算系数F按ASME第Ⅷ卷第一册（2004版）P302图2-7.2,取FF=0.880

2.1.3.3一体形法兰计算系数V按ASME第Ⅷ卷第一册（2004版）P302图2-7.3,取V=0.410

2.2计算说明

2.2.1考虑腐蚀余量1mm后的参数调态（法兰计算尺寸）

中腔直径BB=BB+2=52mm,壁厚G0=G01-1=5.5mm,根部厚G1=G1-1=8.82mm

2.2.2垫片有效宽度B,按ASME第Ⅷ卷第一册（2004版）P300表2-5.2,B=4.5mm

2.2.3垫片压紧力作用中心圆直径G=D-2B=98-2×4.5=89mm

2.2.4法兰根部应力修正系数f=1

2.2.5系数G1/G0=9.82/6.5=1.51

2.2.6系数H/H0=H/（BB×G0）1/2=16.6/（50×5.5）1/2=1

2.2.7系数K=A/BB=3.3

2.2.8系数U=[K2（1+8.55246lgk）-1]/[1.36136（K2-1）（K-1）]

=[3.32×（1+8.55246lg3.3）-1]/[1.36136×（3.32-1）×（3.3-1）]

=1.879

2.2.9系数Y=[0.66845+5.7169K2lgK/（K2-1）]/（K-1）

=[0.66845+5.7169×3.32×lg3.3/（3.32-1）]/（3.3-1）

=1.710

2.2.10系数Z=（3.32+1）/（3.32-1）=1.202

2.2.11系数TT=[K2（1+8.55246lgk）-1]/[（1.04720+1.9448K2）（K-1）]

=[3.32×（1+8.55246×lg3.3）-1]/[（1.04720+1.9448×3.32）×（3.3-1）]

=1.689

2.2.12系数L=[T×FF（BB×G0）1/2+1]/TT+T3/[U×（BB×G0）1/2/V]

=[16×0.88×（52×5.5）1/2+1]/1.689+163/[1.879×（52×5.5）1/2/0.41]

=194.42

2.2.13内压力产生的全载荷HH=π×G2×P/400=π×892×15.3/400=951.35N

2.2.14使用状态下，需要的最小垫片压紧力（HP）

HP=π×B×G×M×P/50=π×4.5×89×3×15.3/50=1154.45N

2.2.15使用状态下，需要的最小螺栓载荷Wm1（WM1）

WM1=HH+HP=951.35+1154.45=2105.8N

2.2.16紧固状态下，需要的最小螺栓载荷Wm2（WM2）

WM2=π×B×G×Y=π×4.5×89×1.710=2150.44N

2.2.17使用状态下，需要的最小螺栓有效截面积Am1（AM1）

AM1=WM1/BQB=2105.8/14.29=147.36mm2

2.2.18紧固状态下，需要的最小螺栓截面积Am2（AM2）

AM2=WM2/BQB=2150.44/14.29=150.49mm2

2.2.19需要的最小螺栓有效截面积（AM），取AM1，AM2中的最大值,即AM=150.49mm2

2.2.20实际使用螺栓总有效截面积AB=BS×N=230.75×4=923mm2

2.2.21使用状态螺栓载荷WO=WM1=2105.8N

2.2.22紧固状态螺栓载荷

WG=（AM+AB）×BQB/2=（150.49+923）×14.29/2=7670.06N

2.2.23内压力作用于法兰内径截面的载荷

HHD=π×BB2×P/400=π×522×15.3/400=32.94N

2.2.24垫片载荷

HHG=WO-HH=2105.8-951.35=1154.45N

2.2.25内压力产生的全载荷与内压力作用于法兰内径截面的载荷之差

HHT=HH-HHD=951.35-32.94=918.41N

2.2.26螺栓中心至HHD作用点的距离

HD=（C-BB）/2-0.5G1=（125-50）/2-0.5×9.82=32.59mm

2.2.27螺栓中心至HHG作用点的距离

HG=（C-G）/2=（125-89）/2=18mm

2.2.28螺栓中心至HHT作用点的距离

HT=[（C-BB）/2+HG]/2=[（125-52）/2+18]/2=27.25mm

2.2.29内压力作用于法兰内径截面的弯矩

MD=HHD×HD=32.94×32.59=1073.51N.mm

2.2.30垫片载荷所需的弯矩

MMG=HHG×HG=1154.45×18=20780.1N.mm

2.2.31HHT产生的弯矩

MT=HHT×HT=918.41×27.25=25026.67N.mm

2.2.32使用状态下，作用于法兰的全弯矩

M0=MD+MMG+MT=1073.51+20780.1+25026.67=46880.28N.mm

2.2.33紧固状态下，作用于法兰的弯矩（MG）

MG=WG×（C-G）/2=7467.81×（125-89）=268841.2N.mm

2.2.34法兰轴向应力计算内径

当BB<20×G1且F1≥1，SS=BB+G0=50+6.5=56.5mm

2.2.35使用状态法兰轴向应力

QH0=F×MO/（L×G12×SS）==1×46880.28/（194.42×9.822×56.5）

=0.044Kgf/mm2≤FQB合格

2.2.36使用状态法兰径向应力

QR0=[1.33T×FF/（BB×G0）1/2+1]×M0/（L×T2×BB）

=[1.33×16×1/（52×6.5）1/2+1]×46880.28/（194.42×162×52）

=0.039Kgf/mm2≤FQB合格

2.2.37使用状态法兰周向应力

QT0=Y×M0/（T2×BB）-Z×QR0=1.71×46880.28/（162×52）-1.202×0.039

=5.975Kgf/mm2≤FQB合格

2.2.38使用状态合成应力

Q00=（QH0+QR0）/2=（0.044+0.039）/2=0.0415Kgf/mm2≤FQB合格

Q01=（QH0+QT0）/2=（0.044+5.975）/2=3.01Kgf/mm2≤FQB合格

2.2.39紧固状态法兰轴向应力

QHG=F×MG/（L×G12×SS）=1×268841.2/（194.42×9.822×619.5）

=13.6Kgf/mm2≤1.5FQB合格

2.2.40紧固状态法兰径向应力

QRG=[1.33T×FF/（BB×G0）1/2+1]×MG/（L×T2×BB）

=[1.33×16×0.88/（52×6.5）1/2+1]×268841.2/（194.42×162×52）

=1.4Kgf/mm2≤FQB合格

2.2.41紧固状态法兰周向应力

QTG=Y×MG/（T2×BB）-Z×QRG=11.88Kgf/mm2≤FQB合格

2.2.42紧固状态合成应力

QG0=（QHG+QRG）/2=（13.6+8.71）/2=11.16Kgf/mm2≤FQB合格

QG1=（QHG+QTG）/2=（13.6+6.49）/2=10.05Kgf/mm2≤FQB合格

2.2.43螺栓应力

BOLT=0.0703π×CLASS×D2/4AB

=0.0703π×600×6482/（4×27561.36）=505Kgf/cm2≤633Kgf/mm2合格

2.2.44垫片最小有效宽度

N-MIN=AB×BQB/（2π×G×Y）

=27561.36×17.6/（2π×631.28×4.869）≤22合格

3.闸阀力的计算

3.1密封比压计算

3.1.1介质静压力FJ

阀座密封内径d1=48mm阀座密封面宽W=10mm

介质压力按ASMEB16.34-2004取值P=1.6MPa

FJ=[π（d1+w）2×P]/4=[π（48+10）2×1.6]/4=2640.74N

3.1.2所需密封力Fm

密封所需比压

q=[（3.5+P）/（0.1×w）1/2]×1.4=[（3.5+1.6）/（0.1×10）1/2]×1.4=7.14MPa

Fm=π（d1+w）×w×q=π（48+10）×10×7.14=13003.368N

3.1.2密封面比压Sa

Sa=[（d1+w）2×P]/（4d1×w）=[（48+10）2×1.6]/（4×48×10）

=2.8MPa≤250MPa（250MPa为STL.6的许用密封比压）

3.2压紧力Ft计算

3.2.1关闭时闸板上的轴向力F1：

θ：

闸板楔半角θ=50

φ：

密封面摩擦角取u=0.2φ=tg-10.2=11.30°

F1=FJtg（θ+φ）=1815972.7×tg（2.86660+11.30）=487533.8N

3.2.2介质作用于阀杆的轴向力

阀杆直径d=18mm

F2=（π/4）d2×P=（π/4）×182×1.6=406.944N

3.2.3阀杆与填料的摩擦力F3：

杆与填料摩擦系数u1=0.1;填料总高h=39mm

Pp:

压套作用于填料的面压力Pp=25MPa

F3=u1πdhPp=0.1×π×70×53.9×25=29618.1N

Ft=F1+F2+F3=487533.8+39272.8+29618.1=529424.6N

3.3扭矩的计算

3.3.1阀杆与阀杆螺母的摩擦的扭矩T1

阀杆螺纹中径dm=65.616mm,阀杆螺纹导程l=16.93mm

阀杆螺纹升角β=arctg（l/πdm）=arctg[16.93/（π×65.616）]=4.70°

按《阀门设计》表9-5摩擦系数u2=0.15

摩擦角ρ=arctg（u2）=arctg（0.15）=8.53°

摩擦半径RFM=dM/（2tg（β+ρ））=dm（l+u2πdm）/[2（πdm+u2.l）]

=65.616×（16.93+0.15×π×65.616）/[2×（π×65.616+0.15×16.93）]

=7.525mm

T1=Ft×RFM/1000=529424.6×7.52/1000=3984N.m

3.4阀杆强度计算

[σ]：

阀杆许用应力，对ASTMA182F6a即1Cr13阀杆调质200~230HB，根据ASTMA370，σb=650~760MPa,取[σ]=σb/3=217MPa

阀杆螺纹小径ds=61.47mm

阀杆压应力σ=4×Ft/（π×ds×ds）

=4×529424.6/（π×61.47×61.47）=178.5MPa

σmax=0.5×σ×（1+sqrt（1+16×tg（β+ρ）×tg（β+ρ）））

=0.5×178.5×（1+sqrt（1+16×0.195×0.195））

=202.4MPa≤[σ]合格

4.闸板、阀杆拉断强度计算

4.1阀杆螺纹的拉断力PL（见下图）

螺纹中径dm=65.616mm（见右图）

螺纹小径di=61.47mm

阀杆材料抗拉强度按ASTMA182F6a,200~230HB硬度，

根据ASTMA370，对应的:

σb=650MPa

阀杆平均直径下的截面积Sg

Sg=π/4×[（dm+di）/2]2

=π/4×[（65.616+d61.47）/2]2=3165.3mm2

PL=Sg.σb=3165.3×650=2057445.0N

4.1.1I-I断面的拉断力P

I-I截面的面积SI=3696.9mm2

PI=SI.σb=3696.9×650=2402985.0N

4.1.2Ⅱ-Ⅱ断面的剪切力τII

Ⅱ截面的剪切面积SII=4620mm2

τII=2×SII×0.6×σb=2×4620×0.6×650=3603600N

4.1.3I-I截面的安全系数

nI=PI/PL=2402985.0/2057445.0=1.17≥1.1合格

4.1.4Ⅱ-Ⅱ断面的安全系数

nII=τII/PL=3603600/2057445.0=1.94≥1.5合格

4.2闸板的拉断计算（见下图）

闸板头部示意图

截面为2ד┫”的拉断计算（见下图）

截面为2ד┫”形的闸板梯形槽示意图

闸板材料抗拉强度，按ASME第Ⅱ卷D（2004版）篇表1A，

闸板材质WCB（20）取σb=485MPa

4.2.1I-I断面的合成力PW

e1=（aH2+bd2）/（2×（aH+bd））=（170×55.82+99×502）/[2×（170×55.8+99×50）]=26.91mm

e2=H-e1=55.8-26.91=28.89mm

h=e1-d=26.91-50=-23.09mm

惯性矩JX=[B.e13/-bh3+a.e23]/3={269×29.893/[-99×（-23.09）3+]a.e23}/3=3519937.7mm4

力臂L=（C-A）/4+e2=（85-51）/4+28.89=37.39mm

截面模量wX1=JX/e2=3519937.7/28.89=121839.3mm3

I-I断面的面积SI=bd+aH=99×50+170×55.8=14436mm2

PW=2σb/（L/wX1+1/SI）=2×650/（37.39/121839.3+1/14436）=2578752.3N

4.3Ⅱ-Ⅱ断面的剪应力

Ⅱ-Ⅱ断面的面积SII=（N-M）.B=（88-45）×269=7310mm2

PT=2×SII×0.6×σb=2×7310×0.6×650=4254420N

4.4I-I断面的安全系数

nI=Pw/PL=2578752.3/2057445=1.36≥1.05合格

4.5Ⅱ-Ⅱ断面的安全系数

nII=Pτ/PL=4254420/2057445=2.17≥1.65合格

5.闸板应力计算

5.1闸板的应力

闸板应力计算示意图

设计压力P=10.21MPa;

通道半径a=232mm;闸板中轴半径b=150mm;闸板单板厚h=48mm

泊松比v=0.3

闸板材料应力强度值，根据ASME第Ⅱ卷D篇（2004版）表2A

材质为WCB取Sm=161MPa

5.2简支，内周边固定（垂直方向可移动），沿内周作用分布载荷

A11=1/2×{（1-v）×a2/[（1+v）a2+（1-v）b2]}[1-（1+2lna/b）（a2/b2）]

=1/2×{（1-0.3）×2322/[（1+0.3）×2322+（1-0.3）×1502]}×{1-[1+2ln（232/150）]×（2322/1502）}

=-0.77

B11=2b2/[（1+v）a2+（1-v）b2][（1+v）lna/b+1]

=2×1502/[（1+0.3）×2322+（1-0.3）×1502][（1+0.3）×ln（232/150）+1]

=0.82

σ11=3b2P/4h2{2（1+v）（A11+lna/b-（1-v）（1-B11a2/b2）}

=3×1502×10.21/4×482×{2×（1+0.3）×（-0.77+ln（232/150）-（1-0.3）×[1-0.82×（2322/1502）]}

=144.74MPa≤Sm合格

5.3简支，内周边固定（垂直方向可移动），受均布连续载荷

A15=1/4{a2/[（1+v）a2+（1-v）b2]}{（3+v）a2/b2+（1-v）[（4lna/b+3）a2/b2-2]}

=1/4×{2322/[（1+0.3）×2322+（1-0.3）×1502]}×{（3+0.3）×2322/1502+（1-0.3）×[（4×ln（232/150）+3）×2322/1502-2]}

=8.05

B15=b2/[（1+v）a2+（1-v）b2]{（3+v）-[（5+v）+4（1+v）lna/b]b2/a2}

=1502/[（1+0.3）×2322+（1-0.3）×1502]×{（3+0.3）-[（5+0.3）+4（1+0.3）×ln（232/150）]×1502/2322}

=0.04

σ15=3Pa2/8h2{（3+v）b2/a2+4（1+v）（A15+lna/b）b2/a2-（1-v）（2b2/a2+B15×a2/b2）}

=3×10.21×2322/8×482{（3+0.3）×1502/2322+4（1+0.3）（8.05+ln（232/150））×1502/2322-（1-0.3）（2×1502/2322+0.04×2322/1502）}

=90.11MPa≤Sm

总计算应力:

σ0=〡σ11〡+〡σ15〡=144.74+90.11=234.85MPa≤1.5Sm

5.4中腹厚t

密封面平均直径C=476mm

t=[sqrt（1.24×10.21/161）]×476=66.7mm

故闸板中腹厚取67mm

6.压板与活节螺栓的计算

6.1活节螺栓的计算

压板与活节螺栓计算示意图

填料函直径DS=95.4mm;阀杆直径ds=70mm,活节螺栓孔距L=220mm

压套作用于填料的面压力取Pp=25MPa

螺栓的许用应力σ1：

按ASME第Ⅱ卷（2004版）材料D篇表3，螺栓材质B7,取σ1=17.6kgf/mm2.

螺栓内径dso={[（Ds2-ds2）.Pp]/（2σ1）}1/2={[（95.42-702）×25]/（2×17.6）}1/2=17.47mm

故选取1-8活结螺栓.

6.2压板计算

压板外圆D=134mm;压板内孔直径d1=74mm

压板应力强度值根据ASME第Ⅱ卷D篇（2004版）表2A,

材质为WCB（20）,取Sm=161MPa

由高使用压力决定的载荷PY

PY=（π/4）（（Ds2-ds2）.Pp=（π/4）×（（95.42-702）×25=82447.8N

压板厚度h={6PY.L/[5（D-d1）Sm]}1/2={6PY×220/[5×（134-74）×161]}1/2=47.5mm

实际厚度为52mm,合格.

6.3销轴计算

销轴剪应力τ=110.4MPa

销轴直径ds=[PY/（π.τ）]1/2=[82447.8/（π×110.4）]1/2=15.42mm

实际直径为20mm,合格.

计算:

日期:

校核:

日期:

批准:

日期: