阀门设计相关标准的变化与分析

　　解读了API 6D和ASME B16.34新版中阀门设计标准的变化。提出了阀体按照ASME第Ⅷ卷锅炉压力容器的规定进行应力分析与强度设计的理念。

1、概述

　　美国石油协会标准API 6D 和美国机械工程师学会标准ASME B16. 34 是阀门设计中常用的标准，为了适应科学技术进步的需要，标准在不断的更新，本文主要解读API 6D - 2008 和ASME B16. 34- 2009 标准的变化。

2、API 6D -2008 分析

　　ANSI /API 6D -2008( 第23 版) 一个重大的变化是在第7. 1 节设计标准和计算方法中规定，承压元件的设计和计算方法应按照国际上认可的设计规范或标准的规定，同时考虑到管子负荷，操作力等等。标准的选用按协议规定。同时注明，国际上认可的设计规范或标准，例如ASME 第Ⅷ卷的第一册或第二册、ASME B16. 34、EN12516 -1 和EN13445 -3。与第22 版比较，第23 版中的设计标准除保留了ASME B16. 34 之外，还增加了国际上认可的规范，ASME 第Ⅷ卷第一册或第二册、EN12516 - 1 和EN13445 - 3。这些标准或规范是完整的，各自独立的，卖方可以自选一个标准进行阀门设计，买方也可以指定要求按某一标准设计。例如壳牌公司在阀门采购中明确规定，产品设计可以按照ASMEB16. 34，或者ASME 第Ⅷ卷第一册或ASME 第Ⅷ卷第二册。

　　API 6D 第23 版标准作出修订的原因是其分体式和上装式球阀的结构型式( 图1) 不符合ASMEB16. 34 中关于阀体颈部最小壁厚( 图2) 的规定，是一种无阀颈的结构。增加ASME 第Ⅷ卷第一册或第二册是将阀体看作为锅炉或压力容器的一个筒体来考虑。按照第Ⅷ卷的规范计算，弥补了分体式球阀阀体结构和上装式阀体结构与ASME B16. 34 的不一致。

( a) 分体式( b) 上装式

图1 API 6D 定义的球阀

3、ASME B16. 34 -2009 分析

　　为了使ASME B16. 34 标准适用于API 6D，在ASME B16. 34 - 2009 的第6. 1. 2( C) 节中规定，对于多段阀体结构的阀门，如三段式球阀( 图3) ，其中阀体是由主阀体和附属于它的两个左、右阀体构成的。对于两个左、右阀体，其内径d 值应符合6. 1. 2( a) 节的要求( 注: 即按流道的最小直径选取最小壁厚) 。对于主阀体，其内径d 值应是主阀体的内径。如果主阀体上有轴向孔，无论是直通的或者螺纹的盲孔，孔两侧壁厚应满足规定尺寸的要求( 图4) 。

　　ASME B16. 34 标准的这些规定在阀门制造企业无法执行，因为主阀体的实际壁厚是按旧标准设计壁厚的1. 5 倍。旧标准阀体的d 值是指阀门流道的直径，而主阀体内径近似是流道直径的1. 5 倍。欧洲很多阀门公司不执行这一规定，而另有自己的设计标准。如英国标准BS EN12516 -2《工业阀门- 壳体设计强度第2 篇: 钢制阀门壳体的计算方法》等。

图2 ASME B16. 34 定义的阀颈厚度

图3 ASME B16. 34 定义的三段式球阀

图4 主阀体上孔的壁厚

4、设计标准的变化

　　在20 世纪的五六十年代，我国阀门设计是按照原苏联的阀门设计手册操作。阀体要进行截面Ⅰ -Ⅰ、Ⅱ -Ⅱ和Ⅲ—Ⅲ( 图5) 的强度计算，连接法兰端的法兰计算，阀盖连接处端部法兰的计算，阀盖强度计算，以及螺栓强度计算等。如果涉及高温、高压，厚壁阀门，设计的工作量更大，且容易出现因强度不足而造成的事故。在60 年代末期，美国机械工程师协会( ASME) 成立了ASME B16. 34 分会，负责起草一份阀门的设计标准，规范阀门的设计。原美国阀门的设计相关标准分散在锅炉压力容器第Ⅲ卷和有关的管法兰标准中，是不完整的。在20 世纪70 年代中期，出版了ASME B16. 34《法兰端、螺纹端和焊接端阀门》标准。

图5 阀体强度计算

　　对于阀门阀体的壁厚给出一个统一的标准值是一件十分困难的事。由于壁厚与阀门的结构种类( 如球阀、蝶阀、截止阀、闸阀等) 、工作压力、通径、工作温度、阀体材料、工作介质和外部载荷等有关，即阀体壁厚= f( 阀门类别、阀体结构、材料、压力、温度、通径、工作介质和外部载荷等)ASME B16. 34 定义了阀门的压力等级( ASME Rating Class) ，给出了压力等级系列( 如Class150、Class300、Class400……等) ，然后对应不同的材料组别，给出一个阀门压力等级与阀门工作压力和温度的关系。这样，对于某一阀门材料，在ASME B16. 34 中可以找到一组表格，表示压力等级与工作压力、工作温度间的函数关系为阀门压力等级= f( 工作压力，工作温度)定义了阀门压力等级后，阀门可以按压力等级设计制造，然后根据不同的工作温度，给出不同的使用工作压力。标准给出的壁厚不考虑阀门类型和阀体结构型式。对于介质的腐蚀余量和可能发生外载荷，标准提示制造商应予以考虑。这样，阀体的最小壁厚tm仅是阀门通径d 和压力等级的函数( 这一函数关系可以在ASME B16. 34 标准的列表中找到) 。

　　tm = f( 阀门通径d，阀门压力等级)ASME B16. 34 标准给阀门的设计带来了方便，简化了产品的计算，合理给出阀体的壁厚，保障阀门的安全运行，对于阀门制造业的推动是巨大的。但是，标准指出，应该注意，这是一个“保守的上限值”。这个上限值对于中小口径阀门其质量增加和材料消耗的影响不大，但是，随着阀门口径的增大和压力等级的提高，这个值的影响逐渐加大，这一问题已经引起阀门制造业的深切关注。所以，欧洲体系的阀门设计很多不遵循这一规范，而采用锅炉压力容器规范。例如一个Class900 压力级，口径48in.( 1 200mm) 的全焊接球阀，德国舒克公司按德国AD 2 000 压力容器设计，一个球形阀体全焊接管线球阀，其质量为19t，而按ASME B16. 34 设计的筒状全焊接管线球阀，其质量为28. 5t。鉴此，阀门制造业按ASME 第Ⅷ卷锅炉压力容器标准设计是势在必行。

　　至于阀体螺栓强度，ASME B16. 34 即采用垫片有效外周边所限定的面积Ag与螺栓抗拉应力总有效面积As之比乘以阀门压力额定等级，给出一个限定值。对于阀体流体通道上的螺栓，其限定值为7 000，对于阀盖螺栓限定值为9 000。这种简易的方法，其本质是不考虑螺栓材料的差异，而是按螺栓材料最低强度计算，也不考虑密封形式、法兰形式的差异。因此，也是一个保守的上限值。

5、设计规范

　　API 6D - 2008 明确规定了ASME 第Ⅷ卷第一册或第二册是国际上认可的设计规范，壳牌公司亦认同可以选用国际上认可的标准中任何一个标准设计产品。因此，按ASME 第Ⅷ卷规范设计是阀门制造业设计的重大变革。英国BS EN12516 - 2 标准就是鉴于阀门发展的需要提出的。标准将ASME第Ⅷ卷的规则法用于闸阀、球阀、截止阀等阀体设计计算，包括阀体壁厚用计算法替代查表法，采用开孔补强的法则，以及阀体法兰强度的计算规则，填料压盖的计算，螺栓的强度计算等。

6、结语

　　随着CAD 辅助设计、三维造型以及计算机有限元分析方法的进步，不仅可以快速进行零部件强度的计算和校核，解决复杂结构的应力分析问题，也进一步优化了产品设计。阀门制造业应尽快理解和掌握ASME 第Ⅷ卷锅炉压力容器第一册与第二册，及有限元数值的分析方法，以提高中国阀门制造业的整体水平。