畢業(yè)設(shè)計平行閘板式閘閥設(shè)計

1、3 1/1610000 psi 閘閥設(shè)計【摘要】：閘閥是指關(guān)閉件(閘板)沿介質(zhì)通道中心線的垂線方向運(yùn)動的閥門。閘閥作為采油(氣)井口裝置的核心部件，擔(dān)負(fù)著開啟或截斷管道介質(zhì)并控制高壓介質(zhì)按照人為的需要流向指定地方的任務(wù)。本設(shè)計就是對它進(jìn)行展開計算。閥門作為管道系統(tǒng)中的一個重要組成部分，應(yīng)保證安全可靠地執(zhí)行管道系統(tǒng)對閥門提出的使用要求。因此，閥門設(shè)計必須滿足工作介質(zhì)的壓力、溫度、腐蝕。流體特性以及操作、制造，安裝、維修等方面對閥門提出的全部要求。閥門設(shè)計必須明確給定技術(shù)數(shù)據(jù)，所必須具備的基本數(shù)據(jù)有：閥門用途或種類；介質(zhì)的工作壓力；介質(zhì)的工作溫度；工作介質(zhì)的物理、化學(xué)性能(腐蝕性、易燃易爆性、毒性

2、、物態(tài)等；公稱通徑；結(jié)構(gòu)長度；與管道的連接形式；閘閥的操作方法。閘閥根據(jù)閥桿的構(gòu)造可分為兩類：明桿閘閥和暗桿閘閥。閥根據(jù)閘板構(gòu)造型式的不同，又可分為兩類：楔式閘閥和平行式單閘板(平板閥)。由設(shè)計任務(wù)書的要求對3 1/1610000 psi 暗桿平行式單閘板閥進(jìn)行設(shè)計計算，要求計算的項目一般有：閥座、閘板密封面設(shè)計計算；閥桿的設(shè)計及強(qiáng)度驗算；閥桿螺母的計算與校核；平行單閘板厚度計算；中腔結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計；閥體壁厚、中法蘭螺栓的計算與校核；手輪轉(zhuǎn)矩及圓周力的計算?！娟P(guān)鍵詞】：閘閥；閘閥的結(jié)構(gòu)；計算項目3 1/1610000 psi gate valve designstudent：lu jiao th

3、e college of technologyengineering of yangtze university tutor：zhou sizhu the college of mechanical engineering of yangtze university【abstract】：the gate valve is refers to shutting down (damper plate) along the medium channel middle line direction of plumb line movement valve. the gate valve as the

4、extraction (gas) well head assemblys core part, shoulders is opening or the interruption pipeline medium and controls the high-pressured medium according to artificial to need to flow assigns the place the duty. this design is carries on to it launches the computation. a valves as piping system in i

5、mportant component, should guarantee that carries out the piping system reliably safely the operation requirements which proposed to the valve. therefore, the valve design must satisfy the actuating medium the pressure, the temperature, the corrosion. the fluid characteristic as well as the operatio

6、n, the manufacture, aspects and so on installment, services the complete request which proposed to the valve. the valve design must assign the engineering data explicitly, must have the master data includes: valve use or type; medium working pressure; medium operating temperature; actuating medium p

7、hysics, chemical properties (corrosiveness, flammable explosion hazard, toxicity, state of matter and so on; nominal size; structural length; with pipelines connection form; gate valves operating procedure. the gate valve may divide into two kinds according to valve levers structure: bright pole gat

8、e valve and dark pole gate valve. valve according to damper plate structure style difference, may also divide into two kinds: wedge type gate valve and run-in single damper plate (plate valve). carries on the design calculation by the design project descriptions request to 3 1/16 10000 psi dark pole

9、 run-in single gate valve, the request computations project has generally: valve seat, damper plate packing surface design calculation; valve levers design and intensity checking calculation; valve stem nuts computation and examination; parallel single damper plate thickness computation; mesocoele s

10、tructure size design; valve chest wall thickness, flange bolts computation and examination; handwheel torque and twisting couple and twisting force computation.【key words】:gate valve; gate valves structure; computation project.前 言閘閥是指關(guān)閉件(閘板)沿介質(zhì)通道中心線的垂線方向運(yùn)動的閥門。閘閥作為采油(氣)井口裝置的核心部件，擔(dān)負(fù)著開啟或截斷管道介質(zhì)并控制高壓介質(zhì)按照

11、人為的需要流向指定地方的任務(wù)。鉆采工藝要求采油(氣)井口裝置用的閥門具有操作輕便、密封可靠、通道圓整、流阻小、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、制造工藝性好、成本低等特點(diǎn)。閘閥除能較好地滿足這些要求外，還可滿足介質(zhì)雙向流動，并在全開或全關(guān)狀態(tài)時，關(guān)閉件受介質(zhì)的沖蝕作用小，因此，在高壓下能保證可靠的工作。由于它具有上述優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。閘閥在管路中只能作全開和全關(guān)切斷用, 不能作調(diào)節(jié)和節(jié)流。閘閥是使用范圍很廣的一種閥門，一般口徑dn50mm的切斷裝置都選用它，有時口徑很小的切斷裝置也選用閘閥，閘閥是作為截止介質(zhì)使用，在全開時整個流通直通，此時介質(zhì)運(yùn)行的壓力損失最小。閘閥通常適用于不需要經(jīng)常啟閉，而且

12、保持閘板全開或全閉的工況。不適用于作為調(diào)節(jié)或節(jié)流使用。對于高速流動的介質(zhì)，閘板在局部開啟狀況下可以引起閘門的振動，而振動又可能損傷閘板和閥座的密封面，而節(jié)流會使閘板遭受介質(zhì)的沖蝕。從結(jié)構(gòu)形式上，主要的區(qū)別是所采用的密封元件的形式。根據(jù)密封元件的形式，常常把閘閥分成幾種不同的類型，如：楔式閘閥、平行式閘閥、平行雙閘板閘閥、楔式雙閘板閘等。最常用的形式是楔式閘閥和平行式閘閥。閘閥關(guān)閉時, 密封面可以只依靠介質(zhì)壓力來密封 , 即依靠介質(zhì)壓力將閘板的密封面壓向另一側(cè)的閥座來保證密封面的密封，這就是自密封。大部分閘閥是采用強(qiáng)制密封的 , 即閥門關(guān)閉時，要依靠外力強(qiáng)行將閘板壓向閥座 , 以保證密封面的密封

13、性。閘閥的閘板隨閥桿一起作直線運(yùn)動的，叫升降桿閘閥 ( 亦叫明桿閘閥)。通常在升降桿上 有梯形螺紋，通過閥門頂端的螺母以及閥體上的導(dǎo)槽，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動 , 也就是將操作轉(zhuǎn)矩變?yōu)椴僮魍屏Α? 1/1610000 psi 閘閥設(shè)計1選題背景1.1 課題來源課題來源于科研真題。這次畢業(yè)設(shè)計的目的是針對國外井口裝置的發(fā)展，設(shè)計出國際通用的api閘閥，以適應(yīng)國際化的需要。1.2 目的和意義井口裝置是石油生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，我國的井口裝置雖然已經(jīng)大體上能大量生產(chǎn)各種型號的設(shè)備，但是一些技術(shù)還沒有完全的掌握，對井口裝置進(jìn)行設(shè)計有利于我國的新技術(shù)的開發(fā)。針對過去的井口裝置的平行閘板閥的情況和目前國內(nèi)外發(fā)展

14、情況，本設(shè)計對它進(jìn)行改進(jìn)，使更有利于油田事業(yè)的發(fā)展。采用計算機(jī)語言對平行閘板閥進(jìn)行設(shè)計，有利于減少設(shè)計人員的勞動強(qiáng)度，提高設(shè)計的質(zhì)量，降低制造成本和設(shè)計周期。1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向采油（氣）井口裝置是一種控制井口壓力和油氣流量的機(jī)械承壓設(shè)備，其分類若按連接方式分則可以分為：螺紋式、卡箍式和法蘭式；若按采油型式則可以分為單油管、雙油管、三油管和四油管；若按結(jié)構(gòu)型式則有組裝式和整體式。采油井口裝置的工作環(huán)境極為嚴(yán)酷，因此要求設(shè)備具有適應(yīng)性廣，安全可靠，操作良好，互換性強(qiáng)，耐磨損，耐腐蝕和壽命長等方面的技術(shù)指標(biāo)。因此采油井口裝置與過去的相比需要具有體積小，重量輕，操作靈活等特點(diǎn)

15、。1.3.1 國外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向國外井口裝置的技術(shù)發(fā)展有以下特點(diǎn)：在閥門結(jié)構(gòu)上廣泛采用全通式、結(jié)構(gòu)阻力小、密封性能可靠、壽命長的閘閥，以適應(yīng)高參數(shù)、自動化的需要。在操作方式上，從手動控制開始向機(jī)械化、自動化方向發(fā)展。現(xiàn)已有氣動、液動和氣、液聯(lián)動以及依靠介質(zhì)壓力自控及實(shí)現(xiàn)遙控等操作方式。在設(shè)計方法上,目前已采用有限元法和計算機(jī)配合,對閥門零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以及確定最佳方案,并準(zhǔn)備開展對閥門和其他零件進(jìn)行斷裂分析設(shè)計.在材料和結(jié)構(gòu)上,趨向于使井口裝置有更大的適應(yīng)性,以滿足不同地區(qū)條件和開采各種性質(zhì)油氣的需要.在試驗方法和試驗手段也日趨嚴(yán)格和完善,如采用氣密封試驗,靜壓強(qiáng)度試驗,

16、動力密封和可靠性實(shí)驗,以及閘板機(jī)械強(qiáng)度實(shí)驗等.閘閥作為井口裝置中的主要部件,國外主要發(fā)展平板閘閥結(jié)構(gòu),其中暗桿式閘閥占有絕對優(yōu)勢。國外許多公司都在不斷開發(fā)并完善電潛泵井口裝置及整體采油樹，生產(chǎn)單油管電潛泵井口裝置、雙油管井口裝置及雙通徑的整體式采油樹是井口裝置發(fā)展的主要趨勢?？傊?國外閘閥的發(fā)展主要是應(yīng)用特殊防腐材料,以滿足高含硫化氫、二氧化碳的等物質(zhì)的油氣井需要；在結(jié)構(gòu)上開展多樣化研究,來達(dá)到密封性能好(有自動補(bǔ)償),且開啟靈活。密封材料上不斷改進(jìn),使其性能不斷提高。1.3.2 國內(nèi)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向在國內(nèi)將油管頭、采油樹統(tǒng)一稱為“井口裝置”，井口裝置已是我國的成熟產(chǎn)品。具有結(jié)構(gòu)

17、緊湊、重量輕、性能好的特點(diǎn)，是井口裝置的發(fā)展趨勢?？傮w來講閘閥系列，主要趨向特殊防腐材料應(yīng)用，結(jié)構(gòu)上發(fā)展多樣化。在國內(nèi)將油管頭、采油樹統(tǒng)一稱為“井口裝置”，采油(氣)井口裝置已是我國的成熟產(chǎn)品。在井口裝置研制方面，國內(nèi)已有數(shù)十個廠家，并形成一定生產(chǎn)規(guī)模，均已取得api會標(biāo)使用權(quán)。能夠按api標(biāo)準(zhǔn)要求和油田的工況要求設(shè)計、制造產(chǎn)品，生產(chǎn)105mpa的各種井口裝置達(dá)到國際先進(jìn)水平，其產(chǎn)品占有國內(nèi)大多油田市場，同時部分產(chǎn)品已打入國際市場，推動了井口裝置的進(jìn)一步發(fā)展。對于閘閥系列，主要趨向于特殊防腐材料的應(yīng)用，以滿足高含硫化氫、二氧化碳等物質(zhì)的油氣井需要，另外在結(jié)構(gòu)上應(yīng)多樣化發(fā)展，以達(dá)到密封性能好(有

18、自動補(bǔ)償)，且開啟靈活等，這方面需國內(nèi)廠家快速改進(jìn)，以滿足了國內(nèi)各類油氣田開發(fā)需要。我國采油井口裝置自50、60年代發(fā)展以來有了很大的進(jìn)步，我國已能按api.spec.6a規(guī)范設(shè)計和制造額定工作壓力為21mpa、35mpa、70mpa、和105mpa的采油氣井口裝置。但是隨著石油工業(yè)的發(fā)展，尤其是含硫高壓油田的相繼開發(fā)，使采油井口裝置與現(xiàn)場石油要求的矛盾越來越突出。目前我國的井口裝置主要存在以下問題：產(chǎn)品類型單調(diào)，規(guī)格不齊全，結(jié)構(gòu)單一。在國內(nèi)閘閥雖然現(xiàn)在也采用平板閘閥，但還是以楔形閘閥為主，不能根據(jù)壓力、井深、油氣層儲量和工況等因素來決定選用閘閥。壓力級別過密，溫度額定值范圍小。材料。我國可供

19、井口裝置使用的主要零件材料較少，如閥體，不論其在任何工況下，都使用35crmo，國外則種類較多。國內(nèi)各生產(chǎn)廠家沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，互換性差。鑄鍛件。美國高壓鑄件都是使用ado精煉，外觀和內(nèi)在質(zhì)量較好?，F(xiàn)有設(shè)備的一些性能指標(biāo)不明。設(shè)計理論、準(zhǔn)則、產(chǎn)品檢驗還不十分科學(xué)和完善。我國還處于根據(jù)最大工作壓力進(jìn)行產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計和經(jīng)驗設(shè)計階段。在產(chǎn)品的試驗和檢驗方面還停留在廠內(nèi)液壓試驗和通徑檢驗等常規(guī)方法。由于設(shè)計準(zhǔn)則的不合理，造成大的浪費(fèi)。海洋井口裝置的設(shè)計與研究開展的工作較少，目前尚沒有科學(xué)的設(shè)計方法可循其他方面。目前正在油田服役的很多國產(chǎn)采油井口裝置已工作多年，它們的“完好程度”，它們的潛在功能水平，它們

20、的判廢或潛換等等，由于沒有性能指標(biāo)可遵循，無法做正確的判斷。國外制造公司能根據(jù)工況來選用軸承、彈簧和密封件，我國還不能達(dá)到要求。在機(jī)械加工手段、工藝規(guī)程和質(zhì)量控制等方面也存在較大差距。缺乏一套科學(xué)的使用、維護(hù)、管理方法。由于上述問題的存在，與世界先進(jìn)技術(shù)國家相比就存在著很大的差距. 2方案論證2.1平行閘板閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理本設(shè)計所采用的是平行閘板閥，其閥座采用浮動結(jié)構(gòu)，有利于閘板與閥座之間的密封，結(jié)構(gòu)簡單，更換方便，密封效果好。閥座與閘板之間還可以通過黃油嘴進(jìn)行注油潤滑。此平行閘板閥的具體結(jié)構(gòu)如圖21所示。該平行閘板閥由高強(qiáng)度的合金鋼制成，工作安全可靠，楔形閘板閥的密封效應(yīng)是靠把楔形閘板推向閥

21、門通道的支撐面上的側(cè)向推力來保證. 這種閥門存在不少缺點(diǎn)：液流和氣流的流道不成直線，容易產(chǎn)生渦流，閘板直接泡在液體中，楔形閘板閥的液壓阻力很大，在裸露狀態(tài)下受液流或氣流沖刷的滑塊和閥體工作面的壽命很短; 制造修理時要保證楔形閘板和閥體工作面的密封很困難。所以, 它的生產(chǎn)受到限制。故本設(shè)計選用暗桿式平行單閘板閥。平行閘板閥的閘板與閥體的接觸密封有多種型式, 其閘板的密封表面都不裸露在液體和氣體中。液流和氣流通過閥時不改變方向。所以，這種閥門也叫做直通式閥門。這種結(jié)構(gòu)大大提高了閘門的壽命, 在它的內(nèi)部, 水力損失急劇減小。閘板呈平面形狀, 制造和維修都很簡單。圖21 暗桿式平行閘板閥護(hù)罩；閥桿；手

22、輪；止推軸承；黃油嘴；閥蓋；閘板；閥座；密封圈圖22 明桿式平行閘板閥閘閥節(jié)流特性好，而且在接近于截止位置時，閥門關(guān)閉件和閥座迅速地出現(xiàn)浸蝕，在大開位置，在殼體密封面處的縫隙或間隙處產(chǎn)生滯流，但壓力降特性基本上還是等于球閥。該閘板采用了整體式結(jié)構(gòu)，閥座與閥桿用t形槽連接。閥板二面相互平行。閥座與閥體之間有“o”型圈密封，閥座兩端有蝶形彈簧，產(chǎn)生附加壓緊力壓緊閥座，起輔助密封的作用。閥板與閥座均可浮動降低了加工要求，對密封有利，也提高了密封的效果。同時，還設(shè)計了黃油嘴，可壓注油脂潤滑閥座與閥體的密封面。此外，還設(shè)置了導(dǎo)板裝置，提高了閥板與閥座之間的密封潤滑效果。 閘閥的連接采用法蘭連接，其結(jié)構(gòu)簡

23、單，安裝方便，閥蓋與閥體也采用法蘭連接，安裝方便，在裝配的過程中，有利于裝配。閥桿密封是自密封式和注入密封脂式填料組合結(jié)構(gòu)。其主體材料為丁晴橡膠成型填料和含纖維膠質(zhì)狀密封脂。成型填料為上中下結(jié)構(gòu), 在閥桿填料函內(nèi)分上下2 組安裝,形成2個各自獨(dú)立的密封室組。密封脂填料由填料函中間的密封脂注塞注入閥桿填料函和上下丁晴橡膠組合填料之間(圖1) 。當(dāng)閥門中腔介質(zhì)受壓后, 介質(zhì)推動下填料組向上移動,下填料組推動密封脂向上移動, 密封脂受壓推動上填料組壓縮, 最后形成閥桿密封。圖 1 注入密封脂式組合填料 閥門啟閉時, 閥桿為往復(fù)直線運(yùn)動, 閥桿與填料之間屬于動態(tài)運(yùn)動摩擦密封副。由于成形填料與閥桿采用過

24、盈配合, 在閥桿移動時, 會有部分成形填料磨損, 使閥桿與成形填料之間形成間隙。這時, 膠質(zhì)狀密封脂在介質(zhì)壓力下充填到閥桿與成形填料的間隙中, 形成各個獨(dú)立的密封室, 保證運(yùn)動密封副的存在。閥門在長期運(yùn)行中密封脂填料會由閥桿帶出填料函, 要在填料函中保持有足夠的密封脂填料, 必須定期加注密封脂。注入的密封脂應(yīng)根據(jù)介質(zhì)選用, 但在閥門的現(xiàn)場使用條件下很難做到。密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)由于密封脂的使用受到油品理化性能的限制, 在輸油生產(chǎn)現(xiàn)場叫易發(fā)生閥門填料泄漏問題, 所以對閥桿密封結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)(圖2) ,填料采用組合式。組合填料日常不需要維護(hù),介質(zhì)壓力越高, 組合填料的密封性能越好。但是丁晴橡膠制造的油封和o

25、 形圈存在老化問題。隨著丁晴橡膠老化, 組合填料的密封性能將下降, 影響填料的密封和長期使用。另外,組合填料更換時需要系統(tǒng)停車, 閥門在現(xiàn)場解體, 填料更換時間長, 工作量大, 影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。經(jīng)過分析比較, 閥桿密封采用開式填料結(jié)構(gòu)密封效果較為理想。與注入密封脂式填料從結(jié)構(gòu)上比較, 填料函減少閥蓋與支筒連接之間的泄漏點(diǎn), 填料箱與閥蓋是一體, 填料函尺寸不變, 填料材料由原來丁晴橡膠成形填料和密封脂改為柔性石墨填料和編織丁晴橡膠填料。填料裝配操作簡單, 密封性能好。當(dāng)填料出現(xiàn)泄漏時，可拎緊閥帽來達(dá)到填料密封。當(dāng)閥桿運(yùn)動,填料有磨損泄漏時, 重復(fù)上述操作可以實(shí)現(xiàn)閥桿密封。圖 2 組合填料結(jié)

26、構(gòu)圖 圖 3 開式填料結(jié)構(gòu)圖 開式填料密封使用和現(xiàn)場維護(hù)不需要專業(yè)技術(shù)人員。該結(jié)構(gòu)還具有上密封功能。當(dāng)閥門在運(yùn)行中發(fā)生填料泄漏時, 將閥門的閘板開到全開位置后, 用手動繼續(xù)開閥, 直到閥桿的上密封與閥蓋的上密封座相接觸可以實(shí)現(xiàn)閥桿填料副的密封。缺點(diǎn)是由于填料必須施加預(yù)緊力,閥桿軸向摩擦力增加, 但柔性石墨填料摩擦力對平板閘閥的開關(guān)扭矩影響變化可以忽略。閘閥的結(jié)構(gòu)改進(jìn)柔性石墨的使用壽命較低, 在動密封部位, 需經(jīng)常補(bǔ)充石墨材料。熱采閘閥的啟閉次數(shù)頻繁, 閥桿的往復(fù)運(yùn)動對柔性石墨的磨損很嚴(yán)重, 需壓井和停氣更換石墨件, 對熱力開采是很不經(jīng)濟(jì)的。為此, 需要對閘閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。在鋼性密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計時

27、, 應(yīng)考慮正常情況下閘閥啟閉時密封件的兩密封面不接觸, 留0.10.2mm的間隙, 這樣可降低開關(guān)力矩。當(dāng)需要補(bǔ)充石墨件時, 卸下閥帽, 閥桿在壓力介質(zhì)作用下, 向上運(yùn)動間隙的距離使閥蓋與閥桿的鋼性密封副起到密封作用, 解決工作下安全方便地更換密封件。在正常注氣和抽油過程中, 閘板不進(jìn)行啟閉工作, 此時可通過調(diào)節(jié), 使鋼性密封副也起密封作用, 實(shí)現(xiàn)可靠的二級密封。2.2 閘閥閥桿的構(gòu)造 1. 明桿閘閥閥桿螺母在閥桿或支架上，開閉閘板時，用旋轉(zhuǎn)閥桿螺母來實(shí)現(xiàn)閥桿的升降。這種結(jié)構(gòu)開閉程度明顯，對閥桿的潤滑有利，故被廣泛選用。 2. 暗桿閘閥閥桿螺母在閥體內(nèi)與介質(zhì)直接接觸，開閉閘板時用旋轉(zhuǎn)閥桿來實(shí)現(xiàn)

28、。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是閘閥的高度總保持不變，因此安裝空間小，適用于大口徑或者對安裝空間有限制的閘閥。使用暗桿閘閥都必須裝開閉指示器，以指示開閉程度。這種結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)就是閥桿的螺紋不僅無法潤滑，而目、長年直接受介質(zhì)的侵蝕，容易損壞。 關(guān)于閥桿布置形式的利弊比較如下，可供設(shè)計時參考(表2一l)。由以上分析知，閥桿的構(gòu)造選擇暗桿結(jié)構(gòu)。2.3閘閥閘板的構(gòu)造型式 1楔式閘閥密封面與垂直中心線成某個角度，即兩個密封面成楔形的閘閥。角度的大小主要取決于介質(zhì)溫度的高低，工作溫度愈高，所取角度應(yīng)越大，以減少當(dāng)溫度變化時發(fā)生卡阻的可能性。 2平行式單閘板(平板閥)：它的密封而與垂直中心線平行，是兩個密封面互相平行的

29、閘閥。閥座密封采用固定或浮動的軟密封，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，磨損較小，密封性好，但體形高，不能強(qiáng)制密封。適用與中低壓，大中口徑閘閥，油類和天然氣等介質(zhì)。平板閘閥也有單閘板閥和雙閘板閥之分，圖24為單閘板式浮動閘板、浮動閥座平板閥。單閘板是一塊帶孔的形狀似磚的平整板塊，其密封面噴焊硬質(zhì)合金，兩密封面研磨拋光，硬度高，適用于中、高壓工作條件。當(dāng)閥開啟時，閘板上的通孔剛好與閥座孔對準(zhǔn)，因而與管道形成一個完整的通道。介質(zhì)流經(jīng)閥門時，其阻力損失是極小的。浮動閘板和閥座能保證密封面緊密貼合、密封可靠，且可防止工作介質(zhì)中的雜質(zhì)將密封表面拉毛擦傷。由于這種結(jié)構(gòu)型式的閘閥可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)口端或出口端密封，因此，即使在低

30、壓亦可借助彈簧的預(yù)壓力和密封面間形成的油膜來保證密封。 隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展、深鉆技術(shù)的掌握以及高壓油氣舊的開發(fā)，使得井口壓力猛然增加，有時?？蛇_(dá)7001000大氣壓。在這種高壓條件下，楔式閘閥由于其結(jié)構(gòu)性能的限制己不能很好地滿足工作要求，為適應(yīng)高壓工作條件，目前多使用壓力自緊式的平行式閘板閘閥(平板閥)。由以上分析知，楔形閘板閥的密封效應(yīng)是靠把楔形閘板推向閥門通道的支撐面上的側(cè)向推力來保證. 這種閥門存在不少缺點(diǎn)：液流和氣流的流道不成直線，容易產(chǎn)生渦流，閘板直接泡在液體中，楔形閘板閥的液壓阻力很大，在裸露狀態(tài)下受液流或氣流沖刷的滑塊和閥體工作面的壽命很短; 制造修理時要保證楔形閘板和閥體工作面

31、的密封很困難。所以, 它的生產(chǎn)受到限制。故本設(shè)計選用暗桿式平行單閘板閥。閥板構(gòu)造型式選擇為平行式單閘板。其閥座采用浮動結(jié)構(gòu)，有利于閘板與閥座之間的密封，結(jié)構(gòu)簡單，更換方便，密封效果好。2.4 閥門的密封 閥門的密封是閥門性能的最重要的指標(biāo)之一，對高壓防硫閘閥愈顯得突出。閘閥的密封是一個比較復(fù)雜且與使用條件和工作環(huán)境緊密相關(guān)的問題，它受著多種因素的綜合影響。我們應(yīng)就結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等幾方面與密封密切相關(guān)的因索，給以充分的討論。 井口用閥大多數(shù)采用接觸型密封。即依靠兩接合面緊密貼合，并在密封面形成具有阻止或限制介質(zhì)通過的能力。2.4.1閥座與閘板間密封閥座與閘板密封副承受高壓介質(zhì)作用，單位面積上受力大，

32、工作條件惡劣，在具有腐蝕性的介質(zhì)中工作必須給予可靠密封，杜絕內(nèi)漏。根據(jù)介質(zhì)靜壓力與介質(zhì)密封力的不同關(guān)系，閥座與閘板間的密封可分為以下三種形式：1自動密封：這種形式的密封是在介質(zhì)進(jìn)口端閘板與閥座密封面之間具有間隙，而密封性由介質(zhì)靜壓力作用于介質(zhì)出口端來加以保證。因此，只有在介質(zhì)靜壓力大于密封力的情況下才有可能采用這種密封形式。2單面強(qiáng)制密封：這種形式的密封在介質(zhì)進(jìn)口端閘板與閥座密封面之間是不密封的，因此不存在比壓或僅有比密封比壓小的比壓，在介質(zhì)出口一邊閘板與閥座密封面之間的密封性是由閥桿軸向力來強(qiáng)制地加以保證的。當(dāng)沒有介質(zhì)時，密封面上的比壓力不得小于密封比壓。這是在介質(zhì)靜壓力小于密封力時所必須采

33、取的強(qiáng)制密封的一種，也是通常采用的一種。3雙面強(qiáng)制密封：這種形式的密封無論在介質(zhì)的進(jìn)口端或出口端，閘板與閥座密封面之間都是密封的。密封性是由閥桿軸向力來強(qiáng)制地加以保證。當(dāng)沒有介質(zhì)時，密封面之間的正壓力不得小于介質(zhì)靜壓力與密封力之和。設(shè)計中只有在遇到特殊情況時才采用。根據(jù)產(chǎn)生密封比壓方式的不同，閥座與閘板之間的密封又可以分以下幾種形式：1.借助于非彈性變形的兩個金屬零件的密封帶非彈性的金屬對金屬型.剛性楔式閘閥就是采用這種密封型。它是通過旋轉(zhuǎn)手輪，帶動閘板移動，關(guān)閉時使閘板和閥座密封面形成一定的密封比壓來實(shí)現(xiàn)密封的。這種結(jié)構(gòu)要求零件有很高的制造精度，閘閥零件發(fā)生擦傷和破壞的可能性較大。由于接觸面

34、比壓大(這對于造成可靠的密封是必須的)，它將產(chǎn)生相當(dāng)大的阻礙閘板運(yùn)動的摩擦力和粘附力，加劇磨損。2.借助于彈性變形的兩個金屬零件的密封帶彈性變形的金屬對金屬密封型.楔式閘閥中的彈性閘板或彈性閥座就是這種密封型。這種結(jié)構(gòu)具有微小的變形補(bǔ)償作用，以保證密封面的緊密貼合。在高溫高壓下可一長胡保持密封，制造相對簡單，閘板、閥座密封面擦傷破壞傾向減小，具有較高的抗磨性。借助于填料、密封脂和高粘度潤滑材料密封閘閥可提高密封性能，降低加工精度。3.借助于金屬表面對彈性材料的密封金屬對彈性元件密封型.這種結(jié)構(gòu)能保證閥門在允許的壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠的密封。低壓時可借助于彈性材料的過盈量來保證密封。高強(qiáng)耐磨彈性材料

35、可以減小摩擦力，也可使密封副加工精度相對降低。但這種結(jié)構(gòu)受彈性材料的限制。4.采用密封脂和高粘度潤滑材料的兩個金屬表面密封.這種結(jié)構(gòu)具有良好的液氣密封性能，它使閥門下作表面的擦傷和破壞傾向最小。因有密封脂在密封面間形成極薄的油膜，使得操作輕便。平板閘閥就采用這種結(jié)構(gòu)密封。平板閘閥密封是壓力自緊式浮動密封，依結(jié)構(gòu)不同又可分為進(jìn)口端密封和出口端密封。圖27、28為進(jìn)、出口端密封示意圖。進(jìn)口端密封(閥前封)：進(jìn)口端密封的平板閥是在進(jìn)口端閥座后面加有一組預(yù)壓彈簧(波形或蝶形彈簧)，有時，在設(shè)計中為了使用上的方便，往往在出口端閥座后面也加有一組相同的彈簧(圖29)。裝配后，閥座在彈簧力的作用下對閘板有一

36、初始壓力。在閥關(guān)閉后，進(jìn)口端閥座在介質(zhì)壓力作用下，對閘板產(chǎn)生一個作用力n，此力是由于閥座在介質(zhì)中受壓力作用的面積差產(chǎn)生的，如圖27所示。n力在進(jìn)口端閥密封面上所產(chǎn)生的密封比壓是比較小的比楔式閘閥計算中的必須密封比壓小的多。實(shí)踐證明：平板閥結(jié)構(gòu)中，這種進(jìn)口端密封是能夠達(dá)到的，這主要靠零件的加工質(zhì)量和借助于密封脂來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)口端密封可使閥在全開或全關(guān)狀態(tài)時，泄掉閥腔內(nèi)的介質(zhì)壓力，從面使現(xiàn)場維修保養(yǎng)和補(bǔ)充閥腔內(nèi)的密封脂比較方便，特別是在高壓條件下工作的閥。出口端密封(閥后封)：當(dāng)閥關(guān)閉后，閘板在介質(zhì)壓力作用下被推向出口端閥座，使閘板板密封面和出口端閥座密封面緊密貼合，從而達(dá)到密封。而介質(zhì)可通過進(jìn)口端閥

37、座與閘板間的縫隙進(jìn)入閥腔。出口端密封的平板閥閥座形狀較簡單，閥體內(nèi)膛孔深度較淺，易于加工。此種密封形式雖密封嚴(yán)密，但由于閘板關(guān)閉時仍有高壓液體留在閥腔內(nèi)，因此，使閥的連接螺釘、密封圈、閥桿等零件常經(jīng)受著高壓液體壓力的作用，對零件的強(qiáng)度要求較高。此外，出口端密封也難以實(shí)現(xiàn)閥在工作狀態(tài)下的添加密封脂和現(xiàn)場維修。采用壓力自緊式浮動密封，閥桿工作條件較好，它在開、關(guān)過程中承受閘板的提升力。這個提升力主要是在工作介質(zhì)壓力作用下，閘板與閥座密封面間的摩擦力。故與楔式閘閥相比，閥桿的受力情況得到改善，閥的開啟力矩減小。此外，平板閘閥因閥腔中充滿了性能優(yōu)良的密封脂，在金屬密封面間彌補(bǔ)或填平了由于機(jī)加工帶來的微

38、小間隙。密封脂既具有相當(dāng)?shù)拿芊饽芰?，又可對密封面進(jìn)行潤滑，因而使平板閥開關(guān)輕便、密封可靠壽命長。因此，暗桿平板閥適宜于進(jìn)口端密封形式。2.4.2閥桿填桿處密封該處是動密封性質(zhì)，它要求填料產(chǎn)生足夠大的徑向力，以產(chǎn)生所要求的比壓來達(dá)到密封。同時還要求有盡可能小的摩擦系數(shù)、自潤滑性和良好的耐擦傷和耐磨性。該處密封性能的好壞，直接影響上部零件的壽命和操作者的安全。閥桿填料處多用盤根密封。按作用形式又可分為：1機(jī)械式密封：這種密封型式如圖211所示。它適用于壓力不太高的場合。其作用原理是完全依靠閥帽的機(jī)械壓力使填料產(chǎn)生一徑向力，從而形成密封所需的比壓來達(dá)到密封。這種結(jié)構(gòu)對填料施加的力與介質(zhì)壓力成倍遞增，

39、對高壓閘閥要保證密封顯然是困難的。同時在使用中，常因各種原因，填料易發(fā)生松馳，密封比壓減小，造成密封失效，容易引起外漏。2半機(jī)械式密封：半機(jī)械式密封結(jié)構(gòu)如圖212所示。像我國cq型井口用閥采用了這種結(jié)構(gòu)，其作用原理是主要靠閥帽施加的機(jī)械密封力密封，同時也借助于介質(zhì)壓力產(chǎn)生的自密封，自密性隨介質(zhì)壓力的升降而增減。壓力愈高，在材料的允許限度內(nèi)，密封性能愈好。這種結(jié)構(gòu)被認(rèn)為在中低壓下密封性能不太理想。由于采用聚四氟乙烯，所以彈性較差，熱脹冷縮比較大。由于介質(zhì)的工作壓力為34.5mpa不是很小，所以閥桿填桿處采用半機(jī)械式密封。2.4.3閥座與閥體間密封 該處密封一般用“o”型或“d”型密封圈來保證密封

40、，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)、出口端密封或進(jìn)出口端雙重密封。2.4.4閥體閥蓋連接處密封設(shè)計成法蘭連接，一般選用鋼圈密封，對于平墊圈和r型鋼圈，其密封原理主要靠螺栓壓緊力，在鋼圈與閥體、閥蓋接合面之間產(chǎn)生足夠大的比壓(即接合面密封所需的必須比壓和介質(zhì)壓力作用在鋼圈中徑的內(nèi)圓面積上產(chǎn)生的力，折算為密封面面積上所產(chǎn)生的比壓)，從而達(dá)到強(qiáng)制密封。 3設(shè)計計算過程由設(shè)計的原始數(shù)據(jù)及要求有：閥門的種類:： 暗桿有導(dǎo)流孔式平行單閘板閥；公稱通經(jīng)： 3 1/16=78mm；介質(zhì)的工作壓力： 10000 psi=69 mpa；結(jié)構(gòu)長度： 619 mm；（查表58（續(xù)）可得）與管道的連接方式： 法蘭連接；閥門的操作方式： 手動；

41、介質(zhì)溫度： -29300 0c；介質(zhì)的物理、化學(xué)性能:流體、腐蝕性、易燃易爆、毒性。3.1 閥座、閘板密封面的計算為保證密封面密封，又要保證材料不被擠壓壞，必須保證：qmf q q1.閘板 2.閥座 3.橡膠密封圈 4.閥體 5.波形彈簧圖1. 閥座、閘板密封結(jié)構(gòu)圖3.1.1出口端密封計算：密封環(huán)內(nèi)徑： =78mm 設(shè)計給定密封環(huán)厚度： =10mm 設(shè)計給定密封面內(nèi)徑： =79mm 設(shè)計給定密封而寬度： =17.6mm 設(shè)計給定計算壓力： p=69 mpa 設(shè)計給定密封面許用比壓：q=80mpa 設(shè)計給定密封面上必需比壓： = = =17.28mpa 1-1密封而上總作用力： = + 1-2密

42、封面處介質(zhì)作用力： = 1-3 =419666.5n波形彈簧彈性力： =3252.4n 1則： = + =152416.33+3252.4=422918.9mpa密封面計比壓：q= =79.18mpa結(jié)論：17.2879. 1880即qmf q q，故設(shè)計合格。3.1.2入口端密封計算:入口端密封面總作用力: = + 介質(zhì)作用力： = p = 69=89929.5n波形彈簧彈性力： =3252.4n則： = + =89959.5+3252.4=93211.9n入口端計算比壓：=17.45mpa結(jié)論：17.2817.4580即qmf q q，故設(shè)計合格。小結(jié):該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)在全開和全關(guān)狀態(tài)時，出口

43、端和入口端同時密封。3.2 閥桿的設(shè)計與計算3.2.1閥桿材料的選擇本設(shè)計設(shè)計的閥桿為暗桿，材料為38grwval，材料的許用應(yīng)力查表4.24如下：許用拉應(yīng)力：= 295mpa； 許用壓應(yīng)力：= 315mpa；許用扭應(yīng)力：=190mpa； 許用剪應(yīng)力：= 177 mpa；許用合成應(yīng)力：=305mpa； 材料屈服極限: = 640 mpa；3.2.2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計及其參數(shù)選擇所選用的梯形螺紋： tr326直徑 (推力軸承處)：25mm （查表4.35）直徑(螺紋退刀槽處): 24.2mm （查表4.35）直徑(填料函部位): 34mm閥座與閘板的摩擦系數(shù):=0.1013.2.3閘閥閥桿的受力分析：

44、閘閥閥桿總軸向力，在關(guān)閉的最終或開啟的最初時其值最大。對于不同類型的閘閥或不同的密封要求，閥桿相應(yīng)的總軸向力也不同。圖43表示暗桿不帶平衡桿平板閘閥在關(guān)閉時閥桿所受的總軸向力。閥桿總軸向力為：= +式中：出口端閥座與閘板之間的摩擦力；閘板對出口端閥座的正壓力；= p進(jìn)口端閥座與閘板之間的摩擦力；進(jìn)口端閥座對閘板的正壓力。=圖(4.44)表示暗桿不帶平衡桿平板閘閥在開啟時閥桿所受的總軸向力。閥桿總軸向力為:= +從以上的分析我們可以看出，暗桿不帶平衡桿的最大總軸向力是發(fā)生在閘閥關(guān)閉時，并且，此時的手輪操作力矩也達(dá)到最大值。所以我們在以下的計算中，把關(guān)閉時閥桿所受的總軸向力作為計算載荷。3.3最大

45、軸向力計算最大軸向力計算式為：= +3.3.1閥座與閘板的進(jìn)口端摩擦力： =（ + ）閥座與閘板的摩擦系數(shù)：=0.101介質(zhì)壓力： = =190660.8n波形彈簧彈性力： =3252.4n 設(shè)計選定進(jìn)口端摩擦力： =（ + ） = (190660.8+3252.4) 0.101=19595n3.3.2閥座與閘板的出口端摩擦力：= = + = 69/4+3252.4 0.101 =42714.8n3.3.3閥桿受到的徑向截面最大介質(zhì)壓力：=閥桿填料部位的直徑：=34mm=69=62646.5n螺紋退刀槽處徑向介質(zhì)力：=螺紋退刀槽直徑：=24.2mm=69=31737.28n2.3.4 螺紋段處

46、所受到總軸向力：=+ =19595+42714.81+31737.28=94047 n3.3.5閥桿最大軸向力：=+=19595+42714.81+62646.5=124956.3n3.4最大摩擦力矩計算最大摩擦力矩計算式見表491由于是暗桿閘閥，所以最大摩擦力矩計算式為： =+ +3.4.1螺紋摩擦力矩：=(+) tr326螺紋摩擦半徑查表486可得：=4.65mm=(+) =(19595+42714.81)4.65=289740.6 nmm3.4.2填料摩擦力矩：=閥桿與填料的摩擦系數(shù)：=0.4閥桿填料部位的直徑：=34mm填料的寬度：=7 mm=0.43469=111669.6nmm3.

47、4.3軸承摩擦力矩：=軸承轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù)：=0.01軸承的平均直徑： = = 0.01124956.3=27178 nmm最大摩擦力矩為： =+ + =27178+111669.6+289740.6 =428588.2nmm 對閥桿安裝軸承支撐的部位進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：開啟和關(guān)閉閥門的時候，軸向力一般都是向上的，即都是軸向壓力。而軸向力都是在軸承支撐與下軸肩處作用，卡軸承支撐的小直徑部位只是承受扭矩作用。所以，對小直徑部位進(jìn)行扭應(yīng)力分析，對下軸肩進(jìn)行壓應(yīng)力分析是必要的。 對閥桿梯形螺紋部分進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：螺紋退刀槽部位截面積最小，受到的應(yīng)力狀況也最惡劣。所以，對此截面的應(yīng)力分析是必要的。3.5 強(qiáng)度

48、校核圖4.313表示暗桿閘閥關(guān)閉時閥桿的受載情況。 3.5.1斷面12區(qū)段扭矩為最大，故應(yīng)校驗其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力處的扭應(yīng)力：= =130.1 mpa =190 mpa3.5.2 軸肩處的局部壓應(yīng)力：= =317.8 mpa = 640 mpa3.5.3 斷面45區(qū)段處的軸向壓應(yīng)力：=203.92 mpa = 315mpa3.5.4 斷面45區(qū)段的扭應(yīng)力：= = =104.12 mpa =190 mpa3.5.5 斷面45區(qū)段的合成應(yīng)力:=291.8 mpa = 305 mpa結(jié)論，以上結(jié)構(gòu)是設(shè)計合理，強(qiáng)度校核的各項均為合格。工作壓力隨工作溫度而改變的比值，比相應(yīng)溫度下材料的許用應(yīng)力的比值大，故不進(jìn)行高

49、溫核算。3.6 閥桿穩(wěn)定性驗算（1）閥桿的細(xì)長比 閥門關(guān)閉時，承受軸向壓力，對于這類細(xì)長閥桿，除應(yīng)滿足強(qiáng)度條件之外，還應(yīng)校驗其直線形狀平衡的穩(wěn)定性。閥桿的細(xì)長比(即柔度)按下式計算:= 式中：閥桿計算長度(mm)。對于升降桿是從上端閥桿螺母螺紋全高中點(diǎn)至閥桿下端面的距離；對于旋轉(zhuǎn)桿(非升降桿)則取從閥桿凸肩至下端閥桿螺母螺紋全高中點(diǎn)的距離。如4.45所示。由于是暗桿即非升降桿，閥桿計算長度為從閥桿凸肩至下端閥桿螺母螺紋全高中點(diǎn)的距離。長度系數(shù)，與支承形式有關(guān)。對于無中間支承的閥桿，若兩端支承為球形鉸支，取1；若一端為球形鉸支，一端具有角約束或線約束，查表4.41，取0.699。(2)穩(wěn)定性驗算

50、閥桿穩(wěn)定性通常只按常溫工況進(jìn)行驗算。當(dāng)時：為常溫時中細(xì)長比的下界，按表4.42選取。對于這類低細(xì)長比(即小柔度)壓桿，不進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。 允許細(xì)長比 ：=30 閥桿的實(shí)際細(xì)長比 ：= 其中：暗桿式閥桿長度系數(shù)： =0.699 閥桿直徑 ：=24.2mm 閥桿計算長度：=+ 閥桿凸肩高度: =8mm閥桿螺母計算高度: =40mm 閥座密封面內(nèi)徑: =79mm 閥座密封面寬度: =17.6mm 閥桿軸向余量: =4mm因此：=+ =8+=78.3mm = 7.74 =30結(jié)論：實(shí)際細(xì)長比，所以不需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。3.7 閥桿螺母的設(shè)計與計算閥桿螺母材料選取為ht2547，閥桿螺母規(guī)格:tr326

51、，查表4.44可得：許用擠壓應(yīng)力: = 55 mpa 許用剪應(yīng)力: = 41 mpa 許用彎曲應(yīng)力: = 82 mpa3.7.1螺母的工作圈數(shù)由于閥桿螺母通常采用單頭標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋，所以其導(dǎo)程s即為螺距t，螺母的工作圈數(shù): n=式中:h閥桿螺母的工作高度； t螺距。由于閥桿螺母與閥桿的螺紋牙的變形不同，又由于存在著制造誤差，因而載荷并不是平均地分布在螺紋的各個工作圈上。因此，通常取螺紋的工作圈數(shù)。查表4.43，螺距t=6 mm。閥桿螺母的工作高度: h=40 mm 螺紋的螺距: t=6 mm因此: n=6.73.7.2螺母的應(yīng)力計算 單牙螺紋受擠壓面積: = 273.3 （查表4.43）螺母中單

52、螺紋受剪面積: = 424 （查表4.43） 螺紋彎曲力臂:=2 mm （查表4.43）螺母中單牙螺紋斷面系數(shù): =290 剪應(yīng)力: = =22mpa = 41 mpa彎曲應(yīng)力：= 64.46 mpa=82 mpa擠壓應(yīng)力: =34.2 mpa =30.8 mm，十分安全。3.9中腔結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計與計算中腔是安裝閥座、閘板的唯一通道，也是閘板工作時做上下運(yùn)動的區(qū)域。其結(jié)構(gòu)的設(shè)計首先要保證閥座和閘板能方便安裝并留有適量的運(yùn)動間隙，其次還要盡量的使中腔直徑較小。因為中腔直徑是影響中法蘭螺栓選用最重要因素，同時也是影響閘閥總重量的主要因素。中腔設(shè)計時需要考慮和注意的因素有:(1)由于公差配合和制造精度的影響，閥座與閘板的密封面配合總會有一定的誤差，所以，預(yù)留在閘板上的密封區(qū)域要適當(dāng)?shù)膶?2 mm.(2)閥體為鍛造件，并且體積比較大，其內(nèi)腔主要是鍛造出來的。因此尺寸精度也不高。所以，中腔直徑要比閘板的對角線大，至少要使中單邊留有3 mm以上名義間隙。(3)閥座的安裝孔深度應(yīng)適當(dāng)。閥座的安裝孔是后來切削加工出來的，如果切入太深，會破壞閥體上