阀体受力与强度计算公式的理论依据.pdf

文章编号 100225855 2006 0420011202 作者简介付青林1973 - ,内蒙古人,助理工程师,从事阀门设计与试验研究工作。 阀体受力与强度计算公式的理论依据 付青林 哈尔滨锅炉厂有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150046 摘要 介绍了阀体受力的种类以及强度计算的公式,对在阀体壁厚计算中采用的强度理论和 校核方法提出了建议。 关键词 阀体;强度;计算公式;依据 中图分类号 TH123 文献标识码 A The theory basis of valve stress and strength calculating ula FU Qing2lin Harbin Boiler Company Limited , Harbin 150046 , China Abstract The text introduce the variety of atress and ula of stress analysis. Offering the theory and of strength checking to analyze valve wall thickness. Key words valve body; stress analysis; ula ; basis 1 概述 阀门作为管路系统中的一个组成部件,主要承 担着系统在不同介质的各种压力和温度等参数下的 截止、开启、减压和调节等功能。因此阀门承压边 界的完整性、安全性是其最重要的条件之一。选取 的阀体最小壁厚能够完全承受启闭载荷和安装使用 过程中因压力、温度的交变冲击产生的振动、水击 和地震等影响的各种附加载荷,以及介质对阀体材 料的冲蚀和腐蚀。 阀体的强度,由于其形状的各异,受力情况不 同,除了用试验应力的方法进行准确的分析外,很 难得到既符合强度要求又较经济的阀体壁厚。本文 对常用的阀体强度计算公式进行了一般性推导,对 阀体壁厚计算中采用的强度理论和校核方法提出了 建议。 2 讨论 阀体壁厚在考虑介质对内部的内压外,还应该 考虑阀门在关闭瞬间、阀门在装配、管道连接时所 施加的外力以及热效应所引起的一次加二次应力。 但是过厚的阀体断面在高温下会产生相当大的热应 力,会给铸造、管道安装、支撑等带来相当的困 难,因此,根据实际运行的经验,一般的计算公式 都是借鉴受压容器或锅炉圆管的强度计算公式。 S PDB 213[σ] -P 1 S PDB 2[σ] -P 2 式2符合第三强度理论,即塑性材料的屈 服破坏理论,由厚壁管计算公式简化推导出来的。 按照Cen. Behan公式,极限压力Pnp为 Pnp 2 3σ sln k 第四强度理论3 Pnpσsln k 第三强度理论4 根据极限压力Pnp除以安全系数n,即可得到 式1和式2的计算公式。 Pnp 2 3 σs n ln k 第四强度理论5 Pnp σs n ln k 第三强度理论6 因为 S 1 2 l DH-DB7 K DH DB DB2S DB 1 S DB S 1- S DB S 8 112006年第4期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 展开lnk得 lnk 2 S DB S 1 3 3 DB S 3 1 5 S DB S 5 ⋯⋯ 则lnk≈ 2S DB S 9 将式9代入式3和4后得出计算阀 体壁厚S的计算公式 S PDB 4 3 σs n -P 10 S PDB 210 σs n -P 11 式中 S 理论计算壁厚, mm P、PS 计算压力, MPa DB 阀体中腔或支管内径, mm [σ] 材料的许用应力, MPa Pnp 材料的极限压力, MPa σ s 材料的屈服极限, MPa k 系数见式9 n 安全系数 DH 阀体中腔外径, mm Pm 一次薄膜应力, MPa Af 流体面积, mm2 Am 金属面积, mm2 利用式10和11 ,考虑到由于工艺系数 铸造偏差和腐蚀余量等因素,即可得到式1 和2的计算形式。一般在通用阀门行业均采用 第四强度理论推导的式1～11计算阀体壁 厚,当K DH DB ≤115时,其误差不超过115 , 其结果是满意的。 3 分析 采用第三强度理论,推导阀体壁厚计算公式, 主要的考虑了筒体的失效问题。筒体的失效主要有 三种情况。 ① 弹性失效 弹性失效认为筒体内表面受压超 过材料的屈服极限时,筒体就产生弹性失效,而不 能再继续使用。 ② 塑性失效 塑性失效认为筒体的内外表面材 料都进入了永久塑性变形后失效。 ③ 破坏压力失效 破坏压力失效是指筒体壁遭 到爆破才是真正失效,因韧性材料都具有应变硬化 现象。但爆破压力不等于塑性失效。 根据对三种“失效”以及四种强度理论的分 析,鉴于按照破坏压力计算,目前还没有一个成熟 的、精确的的公式,而Faupel公式的准确性仅为 15 。在拟定计算公式时,弹性失效虽然比较成 熟,在国际上也比较流行,但是,较之比用塑性失 效计算的壁厚,将第三强度理论作为对筒体强度计 算的依据比较合理。但是,在筒体进入塑性的极限 压力时,符合式1和2或式3和 4 , 计算时应该以屈服极限代入。当筒体的蠕变符合式 1的计算值时,在计算时应该将蠕变极限代入。 4 结语 根据失效理论采用的塑性失效的准则是比较先 进的阀体壁厚计算方法。经过对美国、德国、日本 和英国等国家管子或容器强度计算公式的比较,用 式2计算的阀体壁厚处于其中间值。经过长期 运行考验,满足其安全可靠运行的要求。因此,在 目前条件下,使用第三强度理论即塑性失效准 则是既经济又合理的。在采用式2计算出壁 厚,对于铸造阀体的中腔和支管的接合处,再采用 ASME第 Ⅲ 卷NB - 3545给出的计算方法,计算筒 体和支管交叉处的一次薄膜应力Pm Af Am 015 Ps,亦称面积补强法,使阀体强度计算更准确。同 时,在计算阀体的基本壁厚后,以同一种结构的阀 体,按照ASME NB - 354512所给出的公式计算二 次应力以及NB - 354513正常工作时阀门的疲劳计 算,将更为合理。 参考文献 〔1〕 ASME锅炉及受压容器规范第 Ⅲ 卷 〔S〕 〔2〕 徐秉业.弹塑性力学及其应用 〔M〕.北京机械工业出版 社, 1984. 〔3〕 赵九江.材料力学 〔M〕.黑龙江哈尔滨工业大学出版社, 1998. 〔4〕 阀门设计编写组.阀门设计 〔Z〕.沈阳沈阳阀门研究所, 1976. 收稿日期 20061051 09 欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告 21 阀 门 2006年第4期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.