研究探讨阀体强度计算的比较与分析

发布时间:2011-08-13  点击数:3169

      对于阀体的设计基本内容包括:① 根据压力、温度确定阀体的材料;② 按照不同用途确定结构形式;③ 确定结构长度和连接方式;④ 进行结构设计和计算。

      随着同国际上的技术交流和引进技术的广泛增加,使得许多电厂逐渐采用国际标准ISO或者美国国家标准ASME B16.34《法兰、螺纹和焊接端连接的调节阀》,向国际接轨。因此本文仅以我厂设计的DN300,PN25闸阀的铸造阀体为例,应用我厂、美国、原西德等国有关强度计算标准进行对比性计算,加以比较。

      DN300,PN25闸阀是我厂配200MW主给水管道上作为启闭装置用阀,按照压力温度等级,阀体材料选用ZG25(WCB)。计算压力P=25MPa,计算温度t=200℃。

      材料的许用应力[σ]20=98.07MPa 按《68- 0711 阀门零件强度计算细则》(表16选取)计算用的相关结构数据均按DN300,PN25;

      有关标准中的承载面积用CAD中的“求封闭图形面积”方法求得。

一、本对比计算采用的标准

      (1)68-0711 哈锅阀门零件计算细则
      (2)原西德蒸汽锅炉技术规程TRD301承受内压的圆筒
      (3)美国ASME锅炉及受压容器规范NB3500~3545一级阀门的设计
      (4)美国ANSI B16.34阀门法兰连接和对焊连接

二、计算公式及相应说明

      按《68- 0711 阀门零件计算细则》。本计算细则采用厚壁阀体计算公式,按第四强度理论:材料的危险状态是在形状改变时引起的变形位能达到一定限度开始的。该强度计算方法采用先求得最小壁厚,然后用壳体加强面积和通孔削弱面积比较计算进行验证。(计算简图见图2)

 

      阀体中腔采用圆柱形壳体计算公式

              (1)

      支管按下式计算

              (2)

      式中:S=理论计算壁厚mm
               C=附加壁厚mm
               P=计算压力MPa
               DN=计算截面直径mm
               [σ]=材料许用应力MPa
               φ=支管半锥角

      按以上两式计算后,被支管通孔削弱的圆柱形壳体必须满足以下条件。F1≥F

      式中:F1=加强面积cm2
              F=通孔削弱面积cm2        

      应力核算:

      圆柱形壳体:

              (4)

      锥形支管:

              (5)

      (2)按原西德蒸汽锅炉技术规程TRD301承受内压的圆筒(计算用有关数据见图3)

      按本标准第5条:以静压力为主要载荷的计算。在计算中锥形和圆角部分应与与之相等的直角面积来代替。

      基本筒体壁厚计算:

              (6)

      式中:SV=基本筒体壁厚mm
              di=筒体计算截面内径mm
              P=计算压力N/mm2
              σzui=材料许用应力N/mm2
              VA=焊逢减弱系数VA=1

      支管壁厚计算

              (7)

      dAi=支管计算截面内径mm

      应力核算:

              (8)

      式中:AP=不考虑附加量金属的承载面积mm2
               Aσ=不考虑附加量流体的承载面积mm2

      (7)式中的计算AP和Aσ的承载长度按下述两式计算:

      对于基本筒体最大承载长度

              (9)

      对于锥形支管最大承载长度

              (10)

      式中:eG=基本筒体最大承载长度mm
               eA=锥形支管最大承载长度mm
               dAi=支管内径mm
               SAO=支管计算壁厚mm

三、美国ASME锅炉及受压容器规范NB3500~3545 一级阀门的设计

      本计算标准计算由于内压引起的一次薄膜应力。对于满足本节的所有的要求的阀门,均在内压力下的阀体最高应力部位是颈与流道交接处,其特征是垂直与中心线平面的环向拉力的最大值在内表面。

      最小壁厚在NB-3540“承压部件的设计”中已经给出详细的说明,因本文只做校核计算,所以不进行最小壁厚的计算。对按照ANSI B16.34表中所列的额定压力值设计的阀门,阀体的最小壁厚应按照ANSI B16.34 确定。对非表所列的额定压力阀门的最小壁厚按下式计算:

              (12)

      对于(12)式,因不进行计算,式中符号不做说明。

      计算交叉处总的一次薄膜应力强度Pm。计算用有关结构数据(见图4)

              (13)

      式中:Pm= 在交叉处的一次薄膜应力ib/in2
               A f = 计算交叉处一次薄膜应力有效液压面积in2
               Am= 抵抗作用在Af上液体力的有效金属面积in2
               PS = 计算压力ib/in2

      构成流体面积和金属面积的界限的距离LA和LN,按下式求得:

      LA=0.5d- Tb        (14)

      或

      LA=Tr               (15)

      计算时取公式(14)、(15)两者之间的较大值。
 
              (16)

      式中:d  = 交叉处阀体颈部的内径in
               Tb= 交叉处颈部的厚度in
               Tr = 交叉处主体的壁厚in
               r2 = 交叉处圆角的半径in

      在NB3545.2中明确规定:阀体除满足上述准则外,还应满足下面的准则。既,由于内压、管道反作用力及热效应所引起的Sn的范围不能超过阀体材料在500℉时的3Sm。因为68-0711“计算细则”没有这方面的计算,因此本文不做比较计算。

四、计算结果统计

计算标准 中腔计算厚壁(mm) 中腔实际厚壁(mm) 支管计算厚壁(mm) 支管实际厚壁(mm) 金属承压面积(mm2) 流体承压面积(mm2) 计算压力
(MPa)
68- 0711 65 56.27 55 34.45 6462.5 8866.7 84.84
TRD301 65 56.27 55 38.16 31937 98807.294 88.08
NB3500- 3545 65   55   32955.625 74508.68 67.7

五、结论

      根据以上计算,本文认为,采用我公司计算细则和采用TRD301、NB35003545 的计算结果基本上一致,就是将国产材料ZG25 改成WCB,在200℃下许用应力有所降低,也能完全满足强度要求。因此,在阀体强度计算时,也可采用两者相结合的方法。