美标工业用栓接闸阀的设计方法

朱东升　徐维普

美标工业用栓接闸阀的设计方法

朱东升*徐维普

（南通市电站阀门有限公司）（上海市特种设备监督检验技术研究院）

介绍了美标API 600工业用闸阀的设计方法。结合某型号闸阀的设计，详细阐述了闸阀设计时确定各参数的思路以及具体的方法和注意事项。

闸阀栓接阀芯阀座阀盖密封结构设计方法

0　概述

中国的阀门行业经过多年的发展，企业数量已跃居世界第一，各种大小阀门企业约6000余家。随着中国制造业的发展，各行业早已不再满足于技术含量不高的代加工，纷纷组建自己的研发团队，不断开发新的产品。阀门制造业也是如此，市场对阀门新产品设计开发的需求不断增长。本文介绍了美标API 600工业用闸阀的设计方法。结合某型号闸阀的设计，详细阐述了闸阀设计时确定各参数的思路以及具体的方法和注意事项。

1　阀门设计理念

阀门作为承压设备的一种，承载一定的压力，其内部和外部的压力差具有潜在的危险。在承压设备的发展历史上，许多安全事故都是因其设计、制造和使用不当而发生，因此其设计与制造受到严格的标准控制。众所周知，设计是源头，风险控制必须从源头开始。作为一名承压设备研发工作者，必须时刻遵守一条根本的设计理念：符合相关标准是大前提，其次才是综合考虑制造性及产品成本。对于阀门的设计，许多参数都是有相关标准限定的，并不能随意而为。在着手开展具体型号阀门设计之前，应根据所需设计的产品明确其主要依据的设计标准，并熟悉相应的标准。这就要求阀门设计者不断提高对国内外阀门设计标准的掌握度。例如，要设计一套美标工业用栓接闸阀时，首先必须了解其设计应依据的标准，即美国石油学会颁发的标准API 600，并应掌握标准中对哪些参数做出了具体规定。此外，还应根据设计时的需要，随时查阅相关的参照标准。下面以美标API 600手动栓接闸阀18-300Lb为例，阐述一个闸阀产品的具体设计思路。

2　阀门设计思路及注意事项

闸阀设计时应遵循先有装配图再有零部件图的原则。一套阀门装配图的生成顺序通常是：自中心到左右、自下而上。按此设计步骤，首先需确定阀门的通道内径尺寸。根据API 600中5.3.3.1款的规定，查阅ASME B16.34附表A-1得到18-300Lb阀门的最小通道直径为431.8 mm，圆整为直径432 mm。根据最小通道尺寸，结合由中国标准出版社出版，陆培文、高凤琴主编的《阀门设计计算手册》（以下简称《阀门计算手册》）［5］，按《阀门计算手册》中（表3-15）密封面计算比压的公式反推密封面的宽度。依据密封面必须比压≤密封面计算比压≤密封面许用比压的原则，确定密封面宽度范围。由于密封面较宽时阀门启闭力矩大，而密封面较窄时密封面寿命短，因此设计时通常取中间值，得出密封面宽度为6 mm。根据API 600中5.6节的规定，选择一体锲式弹性闸板结构，锲角按常规的单边5°选取。按《阀门计算手册》“表3-41单闸板单面强制密封”中的闸板厚度计算式反推闸板厚度，取闸板最小厚度61 mm。在API 600的5.6.5条中对闸板的最小磨损行程作出了详细规定。查API 600表4，可得18-300Lb闸阀闸板最小磨损行程为9.7 mm。结合以上数据即可绘制该型号阀门的阀座，其结构如图1所示。

图1　阀座结构

由图1可见，闸板上半部分结构仍未完成，此时需要结合阀杆来确定其尺寸。根据API 600中5.8节及表5的规定，选取阀杆直径为2英寸（即50.8 mm）。然后结合《阀门计算手册》中的表3-29闸阀阀杆头部强度验算式，确定阀杆头部尺寸及闸板T形槽尺寸。至此已完成阀芯部分的结构设计，如图2所示。

在后续的结构布置中可看出，阀芯部分结构布置完成后，该阀门的其余零部件尺寸将大多受阀芯尺寸的限制。阀芯是阀门结构的核心，是设计时的重中之中。后续其它零部件的构造都将围绕着阀芯展开。假设在完成一套阀门结构的构建后发现阀芯部分需要修改，那将很可能需要修改整套产品结构图。因此为了更高效地完成一套高品质阀门的结构布置，正确合理地确定阀芯结构和尺寸至关重要。

图2　阀芯结构

按照自中心到左右、自下而上的顺序，对阀体的结构进行布置。根据API 600中5.3节的规定，阀门结构长度按标准ASME B16.10的规定执行，阀门端部为法兰连接时按标准ASME B16.5的规定执行，阀门端部为对焊端连接时按标准ASME B16.25的规定执行。通过查阅这些标准，可确定阀体左右端尺寸。根据API 600中5.1节的规定，查其表1得阀体最小壁厚为25.4 mm。综合以上数据可完成阀体左右端的尺寸图。此时需要注意，闸板在全关位置到阀体底部的距离不得小于最小磨损行程，并应留有一定的余量。以阀门端部为法兰连接形式为例绘制阀体结构图，如图3所示。

图3　阀体结构

至此，整套阀门左右结构已布置完成。接下来将按自下而上的原则对阀体中腔结构进行布局。由图3可见，下一步需要确定阀体的中腔尺寸，而阀体的中腔内径尺寸需根据闸板和阀座尺寸来确定，以确保闸板和阀座可以顺利地装配、闸板可上下运动。通过绘制闸板、阀座俯视最大截面图和阀座装配演示图可设定和验证阀体中腔内径尺寸，如图4所示。

图4　阀体的中腔尺寸

阀体中腔内径取闸板、阀座俯视最大截面圆直径的较大值，并预留一定的空间余量。由图4得出该阀阀体中腔最小内径可定为536 mm。为了确定整个阀体的结构尺寸，需要设计阀体中法兰的尺寸。确定中法兰需要的参数有：中法兰厚度、螺栓孔分布圆直径、螺栓孔直径、螺栓数量等。这些参数的预设定比较困难，在此介绍一个较简单的方法：先根据阀体中腔内径预定螺栓孔分布圆直径，再查ASME B16.5中同压力级法兰尺寸的螺栓孔分布圆直径中最接近预定值的法兰尺寸，将其初定为中法兰尺寸。然后再根据《阀门计算手册》中的表3-57、表3-58、表3-59、表3-71验算中法兰螺栓强度及阀体中法兰强度，根据计算结果调整设计给定参数，直至所有的验算均合格，并据此绘制阀体结构图。最后，根据阀体的整体结构按需要设置加强筋，按ASME B16.34图1设置辅助连接凸台，如图5所示。

在图5的基础上继续向上布置阀门的阀盖结构。阀盖壁厚与阀体壁厚相同，阀盖中法兰尺寸与阀体中法兰尺寸基本相同，仅需注意阀盖止口尺寸的设计。需要注意三点：第一，填料函处壁厚应符合API 600中表2的规定；第二，API 600中的5.6.2条明确规定，阀门在全开启状态时，闸板必须全部脱离开阀座通道，这就要求在布置阀盖倒密封位置时考虑此要求；第三，验证阀门在全开位置时，阀盖部分可容闸板通过。其余加强筋及辅助连接凸台的设计原则同阀体，阀盖强度的验算按《阀门计算手册》表3-80蝶形开孔阀盖强度验算式验算。综上所述，阀盖布局如图6所示。

图5　带辅助连接的结构

图6　阀盖结构

图6所示的标注尺寸475 mm为阀门的启闭行程，标注尺寸449 mm为闸板完全离开阀座通道所需的行程。由此可见，上密封座的高度设计合理，满足标准对阀门全开位置时闸板完全脱离阀座通道的要求。

由于该阀门为较大口径阀门，一体式阀盖结构尺寸较大，铸造和机加工均较困难，故设计为两段式阀盖，即阀盖加支架的结构。阀盖与支架连接部分尺寸根据《阀门计算手册》表3-87两段支架阀盖平板部分弯曲验算式推算，支架加强筋根据《阀门计算手册》表3-88两段支架T形加强筋支架部分强度验算式推算。根据计算结果调整设计给定参数直至验算结果为合格，并完成支架结构图的绘制。至此，该规格的阀门结构图已基本完成，最后绘制的该闸阀产品结构图如图7所示。

图7　闸阀产品结构图

其余需要注意的问题有：在设计阀杆时需要注意API 600中5.8.13条规定了阀门在关闭时阀杆的螺纹露出阀杆螺母之外的最小长度，检查阀杆梯形螺纹在全关时是否进入填料部位，验证阀杆的梯形螺纹在阀门全开时是否仍有余量，阀杆与阀杆螺母的旋合长度不得低于1.5倍的阀杆直径等。

其余细小零件的设计具有较大的随意性，按照满足产品性能、成本最低的原则进行设计即可，在此不再细述。

3　结语

一个产品装配图完成后，接下来需要分解装配图。分解过程中还有许多要学习的东西。例如：有些重要尺寸需要严格控制，即需标注公差；此外，还需考虑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。工艺方面也需要注意许多问题，包括铸造工艺、机加工工艺、热处理工艺和焊接工艺等。一个产品设计得再完美，若无法制造就毫无意义。这些知识和经验都需要在工作中不断学习和积累。

［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，Face-to-Face and End-to-End Dimensions of Valves［S］.2009.

［5］陆培文，高凤琴.阀门设计计算手册［M］.北京：中国标准出版社，2009.

第三届中原（濮阳）油气技术装备展览会盛大开幕

2016年9月6日上午，第三届中原（濮阳）油气技术装备展览会，在濮阳市华龙区科技创业园盛大开幕。本届展会由濮阳市政府、中石化中原油田主办；濮阳市商务局、濮阳市工信委、濮阳市华龙区政府承办；由北京振威展览有限公司负责展会整体策划运营。濮阳市委书记何雄出席开幕式并致辞。中国会展经济研究会副会长、博鳌亚洲论坛研究院院长姚望也在开幕式上致辞祝贺。

何雄表示，制造业是国民经济的主导产业和支柱产业，油气技术装备产业是制造业的重要分支。自2014年首届中原（濮阳）油气技术装备展览会举行以来，濮阳坚持把油气技术装备产业作为稳增长、保态势、调结构、促转型的重中之重来抓，以石油机械装备制造园为主载体，加大政策扶持力度，坚持“引进来、走出去”发展战略，濮阳石油技术装备产业不断发展壮大。

据悉，本届展会布展面积23 000 m2，分为清洁能源展区、智能装备展区、油气装备展区、无人机展区、创新产品展区、德国展区、美国展区等7个展区。展期为9月6～8日，共有109家国内外企业参展。据不完全统计，展会上签约的国内外贸易订单有61个，订单总额5.11亿元；签约鸿海医疗器械、光大国际生物质发电等招商引资项目9个，意向投资总额120亿元；签订长江大学智能抽油机研发等产学研对接项目4个；签订银企、银地合作项目13个，融资金额9.5亿元。

（梁艳）

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）

*朱东升，男，1984年生，工程师。南通市，226572。