閥門承壓件最小壁厚計算式的分析與應用
陳國順
(永嘉(jia)縣科技開(kai)發服務(wu)中心,浙江永嘉325105)
摘要 介紹了閥門承(cheng)壓(ya)件(jian)最小(xiao)壁(bi)(bi)厚(hou)設(she)計(ji)準則和強度理論,推(tui)導出閥門承(cheng)壓(ya)件(jian)最小(xiao)壁(bi)(bi)厚(hou)計(ji)算公式。
1、概述
在(zai)閥(fa)(fa)門(men)產品設計(ji)(ji)及閥(fa)(fa)門(men)承(cheng)壓件的(de)設計(ji)(ji)中(zhong),目前尚無(wu)閥(fa)(fa)門(men)承(cheng)壓件的(de)最小(xiao)(xiao)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)計(ji)(ji)算(suan)公(gong)式(shi),在(zai)計(ji)(ji)算(suan)時一般都暫用(yong)壓力(li)容(rong)(rong)器壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)計(ji)(ji)算(suan)公(gong)式(shi)來(lai)代用(yong)。但(dan)是(shi),經(jing)計(ji)(ji)算(suan)出來(lai)的(de)數(shu)值比實際選用(yong)的(de)要小(xiao)(xiao)得(de)多,也就是(shi)說,用(yong)壓力(li)容(rong)(rong)器壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)計(ji)(ji)算(suan)公(gong)式(shi)來(lai)計(ji)(ji)算(suan)閥(fa)(fa)門(men)承(cheng)壓件的(de)最小(xiao)(xiao)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)是(shi)不適(shi)宜的(de)。科學的(de)確定(ding)閥(fa)(fa)門(men)承(cheng)壓件最小(xiao)(xiao)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)方(fang)法和合理的(de)選用(yong)計(ji)(ji)算(suan)公(gong)式(shi),使閥(fa)(fa)門(men)承(cheng)壓件最小(xiao)(xiao)壁(bi)(bi)(bi)厚(hou)(hou)符合我國閥(fa)(fa)門(men)現有的(de)設計(ji)(ji)、制造和使用(yong)水(shui)平是(shi)十(shi)分必(bi)要的(de)。
2、設計(ji)準則
閥(fa)(fa)(fa)門是(shi)壓(ya)力(li)管道重要附件(jian)(jian)(jian)。由(you)于(yu)其功能(neng)特(te)殊性(xing),受(shou)(shou)(shou)力(li)的(de)復雜性(xing),所以其設(she)計(ji)準(zhun)則也有著特(te)殊性(xing)。經研(yan)究證明,其設(she)計(ji)過程是(shi)基(ji)于(yu)亞(ya)(ya)比(bi)例失(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)準(zhun)則。亞(ya)(ya)比(bi)例失(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)是(shi)認(ren)為承(cheng)壓(ya)件(jian)(jian)(jian)只(zhi)有完全(quan)處(chu)于(yu)亞(ya)(ya)比(bi)例狀態時(shi)才(cai)是(shi)安(an)全(quan)的(de),一(yi)旦承(cheng)壓(ya)件(jian)(jian)(jian)某一(yi)點設(she)計(ji)的(de)最大(da)應力(li)使承(cheng)壓(ya)件(jian)(jian)(jian)產生(sheng)變(bian)形(xing)超出亞(ya)(ya)比(bi)例范(fan)圍,就認(ren)為這(zhe)個承(cheng)壓(ya)件(jian)(jian)(jian)已失(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)。亞(ya)(ya)比(bi)例狀態是(shi)承(cheng)壓(ya)件(jian)(jian)(jian)因受(shou)(shou)(shou)力(li)產生(sheng)比(bi)例變(bian)形(xing),其變(bian)形(xing)量達到最大(da)比(bi)例變(bian)形(xing)量的(de)一(yi)半時(shi)的(de)變(bian)形(xing)狀態 閥(fa)(fa)(fa)門在工作(zuo)中(zhong)受(shou)(shou)(shou)到介質壓(ya)力(li)作(zuo)用同時(shi)還受(shou)(shou)(shou)到密封(feng)副之(zhi)間(jian)擠壓(ya)力(li)的(de)作(zuo)用,在這(zhe)些(xie)作(zuo)用力(li)作(zuo)用下(xia),閥(fa)(fa)(fa)門閥(fa)(fa)(fa)座和閥(fa)(fa)(fa)瓣等(deng)承(cheng)壓(ya)件(jian)(jian)(jian)因受(shou)(shou)(shou)力(li)而(er)變(bian)形(xing),當(dang)其變(bian)形(xing)量超出亞(ya)(ya)比(bi)例變(bian)形(xing)范(fan)圍時(shi)閥(fa)(fa)(fa)門密封(feng)副因過大(da)變(bian)形(xing)而(er)產生(sheng)泄漏,于(yu)是(shi)閥(fa)(fa)(fa)門失(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)。此時(shi),亞(ya)(ya)比(bi)例極(ji)(ji)(ji)限是(shi)當(dang)試棒(bang)受(shou)(shou)(shou)拉產生(sheng)最大(da)比(bi)例變(bian)形(xing)的(de)一(yi)半變(bian)形(xing)量時(shi)的(de)抗拉強度,即(ji)σy=0.5σP(圖1)。材料比(bi)例極(ji)(ji)(ji)限、彈性(xing)極(ji)(ji)(ji)限和屈服(fu)極(ji)(ji)(ji)限相(xiang)差不(bu)大(da),可近似地取(qu)(qu)σP≈σe≈σs,安(an)全(quan)系數(shu)n取(qu)(qu)2,于(yu)是(shi)閥(fa)(fa)(fa)門承(cheng)壓(ya)件(jian)(jian)(jian)不(bu)能(neng)發生(sheng)失(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)的(de)許用應力(li)[σ]為
式中
σs———屈服極限,MPa
σe———彈性(xing)極(ji)限(xian),MPa
σP———比例極限,MPa
σy———亞比例極(ji)限,MPa
σb———強度極限
n———安(an)全系數
圖1 亞(ya)比例變形(xing)范(fan)圍
3、強度(du)理論
閥(fa)門承壓(ya)(ya)件壁(bi)厚強度理論(lun)采用的是(shi)最(zui)大主(zhu)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)理論(lun)。最(zui)大主(zhu)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)規定,桿件無論(lun)在(zai)什么應(ying)(ying)力(li)(li)(li)狀(zhuang)態(tai)下,當三個主(zhu)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)中有一(yi)個達(da)到了在(zai)簡單拉(la)伸中發(fa)生失(shi)效(xiao)(xiao)的數值時(shi)(shi),此桿件便認為是(shi)已經(jing)失(shi)效(xiao)(xiao)。因此,在(zai)閥(fa)門承壓(ya)(ya)件壁(bi)厚強度校核時(shi)(shi),只需考慮三個主(zhu)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)中最(zui)大的拉(la)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)。用σ表(biao)示(shi)三個主(zhu)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)中最(zui)大的主(zhu)應(ying)(ying)力(li)(li)(li),用[σ]表(biao)示(shi)許用應(ying)(ying)力(li)(li)(li),于是(shi),閥(fa)門承壓(ya)(ya)件不發(fa)生失(shi)效(xiao)(xiao)的條件為
![3-1.jpg 3-1.jpg](//images.pv001.com/news/2016-8/15/20160815161092139213.jpg)
4、最大拉應力
圖(tu)(tu)二為承壓件(jian)(jian)簡單模型圖(tu)(tu),設內(nei)徑為D,壁厚為t,內(nei)腔介(jie)質壓力(li)為 ,長度為 。A點為我(wo)們要分(fen)析(xi)的單位受力(li)塊。假(jia)設通過A點,垂直承壓件(jian)(jian)回轉(zhuan)中心線將承壓件(jian)(jian)剖開,用Fz代替切去那部分(fen)承壓件(jian)(jian)給留(liu)下承壓件(jian)(jian)的施力(li)效果(見圖(tu)(tu)三)。根據受力(li)平衡原(yuan)理得:
切面應力為:
所以單位受力塊的
假設通過A點,經過回轉中心線將承壓(ya)件(jian)(jian)剖開,用Fx代(dai)替切去(qu)那部(bu)分承壓(ya)件(jian)(jian)給留下承壓(ya)件(jian)(jian)的(de)施力(li)效果(見圖(tu)四)。根據受力(li)平衡(heng)原(yuan)理得(de):
切面應力為:
所以單位受力塊的
假設通過A點,平(ping)行于回轉中心(xin)線,垂直于圖四切面剖開(kai),用(yong)Fy代(dai)替切去(qu)那部分承(cheng)壓件(jian)給(gei)留下承(cheng)壓件(jian)的(de)施力(li)效(xiao)果(見圖五)。根據受(shou)力(li)平(ping)衡原理得:
切面應力為:
所以(yi)單位受力塊(kuai)的σy=0
根據承(cheng)壓件的(de)受力分析得出,單位(wei)受力塊的(de)三(san)個方向(xiang)應力分別為:
對(dui)應的三個變(bian)應力分別為:
所以(yi)承壓件最小壁厚處最大拉應力是σ1,則有
根據閥門承壓件(jian)最(zui)小壁厚強度理論得:
整理得
圖2 承壓件模型
圖3 用Fz代(dai)替(ti)切去那部(bu)分承(cheng)壓(ya)件給留下承(cheng)壓(ya)件的(de)施力效果
圖(tu)4 用Fx代替(ti)切去那部分承壓件給留下承壓件的施(shi)力效果(guo)
圖5 用Fy代替切去那部分承壓件給留下承壓件的施力效果
5、計算公式
根(gen)據上面(mian)論述(shu),初步確(que)定閥門承壓(ya)件(jian)最小(xiao)壁厚(hou)計算公式(shi)初步為
由于閥門毛坯為鑄件(jian)(jian)(jian)或鍛(duan)件(jian)(jian)(jian),經一系列機(ji)加(jia)工后裝(zhuang)配(pei)成閥門,所以(yi)(yi),閥門承壓件(jian)(jian)(jian)壁(bi)厚(hou)受到鑄造、鍛(duan)造和機(ji)械加(jia)工過程誤差的影響;閥門工作時受到介質腐蝕影響。為了(le)防止因鑄造、鍛(duan)造、機(ji)械加(jia)工誤差、介質腐蝕引(yin)起壁(bi)厚(hou)局部(bu)過薄,公式中引(yin)入了(le)附加(jia)量C,以(yi)(yi)此保證實際壁(bi)厚(hou)不小(xiao)于最小(xiao)壁(bi)厚(hou)。
閥門的密(mi)封必須比壓計算公(gong)式為
隨著壓(ya)(ya)力變(bian)(bian)化,必(bi)須比壓(ya)(ya)也隨之(zhi)變(bian)(bian)化,但必(bi)須比壓(ya)(ya)變(bian)(bian)化率比壓(ya)(ya)力變(bian)(bian)化率要慢,也就是說低壓(ya)(ya)時(shi)密(mi)封力和壓(ya)(ya)力比值比高壓(ya)(ya)時(shi)密(mi)封力和壓(ya)(ya)力比值要大,在計算閥門(men)承壓(ya)(ya)件最小(xiao)壁厚(hou)時(shi)要加以(yi)考(kao)慮(lv);同時(shi),受鑄(zhu)造工藝(yi)影響,壁厚(hou)薄的鑄(zhu)件內部致密(mi)性(xing)比厚(hou)的鑄(zhu)件內部致密(mi)性(xing)要差,在確定壁厚(hou)時(shi)要加以(yi)考(kao)慮(lv)。綜合多種因(yin)素的分析(xi),在公(gong)式(shi)中(zhong)引入一個質量-比壓(ya)(ya)系數k。閥門(men)最小(xiao)壁厚(hou)計算公(gong)式(shi)調整為(wei):
其中,
tmin—閥門承(cheng)壓件最小壁厚(hou),mm
p—閥門(men)介(jie)質壓(ya)力,MPa
D—閥門內腔直徑,mm
k— 質量—比壓系數
P=0.15~0.25MPa,k=2.0。
P=0.40~0.60Mpa,k=1.70。
P=0.80~1.00MPa,k=1.50。
P=1.60~2.00MPa,k=1.30。
P=2.00~4.00Mpa,k=1.10。
P≥5.00MPa, k=1.00。
σs—材料的屈服強度,MPa
C—鑄造、鍛造、機械加工誤差和介質腐蝕附加量
t-C≤2, C=4.0。
t-C=2~4, C=3.5。
t-C=4~6, C=3.0。
t-C=6~8, C=2.5。
t-C=8~10,C=2.0。
t-C=10~12,C=1.5。
t-C=12~15,C=1.0。
t-C≥15, C=0。mm
6、數據庫(ku)
經計(ji)算,當閥體(ti)承壓(ya)件材料為WCB( )時,各種壓(ya)力和口(kou)徑(jing)所對(dui)應的(de)閥門承壓(ya)件最小壁厚見附表(biao)1。
表1 閥門承壓件最小壁(bi)厚(部分(fen)) mm
續表1 閥門承壓件最(zui)小壁厚(部分) mm
7、結語
經閥門(men)承(cheng)壓件最小壁(bi)厚(hou)計(ji)算公(gong)式(shi)設計(ji)計(ji)算的閥門(men),到目前為止尚未出現(xian)因(yin)壁(bi)厚(hou)而失效的質量(liang)問題。同時計(ji)算數(shu)值與GB/T 12224標準(zhun)中最小壁(bi)厚(hou)相(xiang)似,和壓力容器最小壁(bi)厚(hou)計(ji)算公(gong)式(shi)相(xiang)比較(jiao),此公(gong)式(shi)更接近于產品(pin)實(shi)(shi)際(ji)情況。因(yin)此,相(xiang)關的設計(ji)準(zhun)則、強度(du)理論和亞比例極(ji)限(xian)等理論具有(you)實(shi)(shi)際(ji)意義,符合閥門(men)承(cheng)壓件受力失效實(shi)(shi)際(ji)工況。
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