自平衡角式截止阀的设计和计算

　　介绍了自平衡角式截止阀的工作原理及材料选用，提供了一次薄膜应力极限计算公式和强度及其性能试验。

1、概述

　　在合成氨生产系统和制冷系统中应用的角式截止阀，开启高度小，密封面摩擦力小，制造工艺好，维修方便。由于截止阀属于强制密封式阀门，所以在阀门关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏。为了使阀门开关更省力，设计了自平衡角式截止阀。

2、技术参数

　　公称尺寸DN65；公称压力PN450；工作介质空气、氮气、氢气、氨气、氦气；工作温度-40～50℃；连接方式法兰连接；驱动装置手轮。

3、工作原理

　　角式截止阀的介质流向为低进高出，即介质由阀瓣下方进入阀门。在此工况条件下，开启阀门需要克服的阻力是阀杆和填料的摩擦力，关闭阀门需要克服的阻力是阀杆和填料的摩擦力与由介质的压力所产生的推力。由于关闭阀门的力比开启阀门的大，所以按照关闭阀门力设计的阀杆直径较大(否则会发生阀杆顶弯的故障)，因此增大了阀门体积和质量。经过分析，将阀瓣和阀杆端部设置成压力自平衡结构(图1)。

　　采用自平衡结构后，阀门关闭时，介质通过阀瓣和阀杆的压力自平衡孔进入阀瓣上腔，减小了介质在阀瓣两侧的压力差或流量差，用以调节压力的相对平衡。阀门开启时，介质再由压力自平衡孔返回阀体内部，减小了由介质压力所产生的推力，使开关更省力。

4、材料选用

　　自平衡角式截止阀主要由阀体、阀瓣、端法兰、阀盖、阀杆和压盖等组成(表1)。

　　阀体、法兰和阀瓣等零部件材料选用奥氏体不锈钢0Cr17Ni12Mo2。在奥氏体不锈钢中，Mo元素可以促进强化相的产生，有利于材料强度的提高，Mo的耐蚀性能显著，特别是和Cr相互作用的效果更明显，可以增加阀门的耐蚀性能。

　　阀瓣盖和阀杆采用沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb，此材料对大气及稀释酸或盐具有良好的抗腐蚀能力。0Cr17Ni4Cu4Nb经过固溶和时效热处理后，可以提升材料的机械性能，从而获得合适的强度和硬度。

1.法兰 2.阀体 3.阀瓣 4.阀瓣盖 5.阀杆 6.阀盖 7.阀杆座 8.填料压盖 9.轴承座 10.轴承 11.阀杆螺母 12.油杯 13.撞击块 14.撞击手轮 15.锁紧螺母 16.键

图1 自平衡角式截止阀

5、设计计算

　　自平衡角式截止阀按照GB/T 12233-2006、GB/T 12235-2007和JB/T 53174-94设计，并根据标准要求进行阀体壁厚、阀杆强度、阀体与阀盖连接螺栓强度的校核及一次薄膜应力极限分析，分析结果达到设计要求。

　　应力分析遵循RCC-MB3552.1，一次薄膜应力基本上是由内压产生的。在内压作用下，阀体的最高应力是在阀颈与阀体端部交接处的拐角区，其特点是有一个环向拉应力垂直于阀颈和阀体端部中心线的平面(图2中面积Am)。

表1 主要零部件材料

6、试验

　　6.1、强度试验

　　封闭整个承压壳体，使阀门处于部分开启状态，给体腔内充满水，将试验压力升至67.5MPa，保压5min，承压壳体(包括阀体与阀盖螺纹连接处和填料处)无渗漏、破裂及永久性变形。

　　6.2、性能试验

　　(1)密封性能试验

　　将被测角式截止阀安装在试验系统中(图3)。

F.被测阀 F1、F3.充气阀门 F2、F4.放气阀门 P.压力表

图3 阀门性能试验系统

　　关闭角式截止阀F、充气阀F3和放气阀F4，打开充气阀F1和放气阀F2，缓慢充入氮气，压力达到45MPa，保压5min。从放气阀F2处观察泄漏情况，其泄漏率<12个气泡/min。

　　关闭角式截止阀F、充气阀F1和放气阀F2，打开充气阀F3和放气阀F4，缓慢充入氮气，压力达到45MPa，保压5min，从放气阀F4处观察泄漏情况，其泄漏率不高于12个气泡/min。

　　(2)动作性能试验

　　将被测角式截止阀安装在试验系统中。关闭放气阀F2和F4及充气阀F3，打开充气阀F1和被测角式截止阀F，缓慢充入氮气，使压力达到45MPa，手动操作开关阀门，阀门动作灵活，无卡阻。

7、结语

　　角式截止阀采用自平衡结构，减少了阀门制造材料，减轻了阀门质量，减小了阀门安装空间。自平衡角式截止阀经用户使用，开关省力，操作方便，性能良好。