浅谈阀门壁厚标准 魏玉斌 2013-6-20 1 一、有关阀门壁厚标准的基本情况 我国《特种设备安全监察条例》规定0.1MPa(1bar)，25mm以上的管道即为压力管道欧盟压力设备指令(Pressure Equipment Directive, PED, 97/23/EC)则规定压力0.5bar以上即为承压设备因此，绝大多数阀门属于压力管道元件，对于管道、设备乃至全系统的正常运行、维护操作及安全可靠有重要作用与压力容器一样，阀门内部包容或流动着各种介质其特征是承压（包括负压）、高温、低温、腐蚀、有毒、有害、可燃、易爆等等压力容器多为圆柱形，端部采用球形（或平板）封头，设计时要考虑强度、支撑、介质出入口、安全泄放等等阀门的阀体则有一个通道，或三通、四通甚至多通道，形状比压力容器更为复杂；与压力容器一样，在阀门设计计算、材料选用时必须要确定其壁厚，以满足承受介质压力的强度、刚度和腐蚀性等要求 壁厚是阀门设计制造最重要的数据世界各国或地区大多在阀门产品标准中规定阀体壁厚或专门制定了阀门壳体壁厚标准如，GB/T12224, GB/T12234，GB/T12235, GB/T12236，GB/T12237, GB/T12238，GB26640；ASME B16.34,E101,API600，API602，API603，API6D；EN12516,DIN3840,BS1873等等，作为阀门材料消耗水平的重要指标，《壁厚标准》也为企业之间的公平竞争提供了基本条件。
GB/T12224针对钢制阀门提出一般要求，规定了阀门材料、壁厚及基本内径GB/T12234、GB/T12235、GB/T12236、GB/T12237、GB/T12238（以下用GB/T1223X代之）分别描述不同类型的阀门； 2 GB/T12234、GB/T12235、GB/T12236规定了不同压力级别不同公称口径的阀门壁厚，并给出了相应的流道直径数据GB/T12237规定了各压力级别不同公称口径相应的流道直径，并指出壁厚按照GB/T12224；GB/T12238规定了流道直径和材料为HT200的阀体壁厚数值这使得阀门设计制造可基于安全可靠的标准进行 GB26640-2011（以下简称《壁厚标准》）规定了钢制阀门最小壁厚和铁制阀门最小壁厚 二、不同阀门壁厚公式的来源及比较 与GB/T12224和GB/T1223X系列标准相比较，GB26640《壁厚 标准》为强制性标准，有更高的法律效力不同的是GB26640只描述阀门壳体壁厚，没有论述产品设计、材料及检测等方面的内容 1.壁厚公式的来源和表达形式 GB/T12224附录B给出了壁厚计算公式 t= 1.5PNd20S1.2PN−……………………（1） GB26640《壁厚标准》列出了2个壁厚计算的基本公式。
tm= 1.5PcdnS1.2Pc ………………（2） SB= NLPD2[]Ps+C ………………（3） 阀门专业设计资料中常见到的壁厚计算公式还有： SB= NLPD2.3[]P−+C ………………（4） 公式（1）（2）来之于ASME B16.34 3 其通用格式为：tm= 111.5KPcd2S1.2KPc−; 令K= 111.5KPc2S1.2KPc 则，tm=K*d+C …………………（5） 即ASME B16.34-2009表VI-1的格式 式中，系数K与压力等级Pc及计算直径d有关,见下表 压力级Lb直径d3≤d＜5050≤d≤100100＜d≤13003≤d＜2525≤d≤5050＜d≤13003≤d＜2525≤d≤5050＜d≤1300k0.0640.020.01630.080.070.03 0.0860.0580.0675C2.344.54.72.292.544. 2.543.32.79压力级Lb直径d3≤d＜2525≤d≤130050＜d≤1300k0.150.0590.10449C2.294.832.54 2.542.542.540.1844325003≤d≤13000.3409145003≤d≤13000.7848830 60090015015003≤d≤1300公式（3）和（4）是建立在旋转薄壳理论基础上，利用第一、第四强度计算公式推导而得。
按照旋转薄壳应力分析理论，假定承受内压的壳壁如薄膜一样，只承受拉、压应力，不承受弯曲应力，即假设应力沿壁厚均匀分布，且不产生弯矩如下图， 4 以旋转薄壳理论和无力矩假定条件，通过微积分计算推导圆柱壳体的两向应力σθ,σΦ分别为： 圆周（纬向）应力为 σθ=B2SPD , 经（轴）向应力 σΦ= 4SPD式中，P圆柱壳体承受的内压力，D为圆柱壳体中面直径，SB 为壳体厚度 第一强度理论假设零件只承受正应力载荷，只要满足正应力强度条件即可 设DN为圆柱壳体内径，令σ1=σθ=B2SPD ,D=DN+SB代入第一强度理论σ1≤[σL]，（ [ σ L ] ——承压壳体材料的许用应力） 5 NBBPDS2S+（）=[σL] PDN+PSB=2SB[σL] 2SB[σL]-PSB=PDN 即，SB= NLPD2[]Ps−考虑腐蚀性和其它各种偏差，需要增加金属厚度裕量C，则上式为公式（3）， SB= NLPD2[]P+C 因此，壁厚计算公式（3）是按第一强度理论进行计算的 第四强度理论假设零件承受三向应力载荷，强度计算应满足合成应力条件而薄壳理论假设壳体只承受拉压应力载荷，沿壁厚均布。
则，令σ1=σθ= B2SPD2Φ= 4SPD σ=0（无力矩理论假设薄壳不受弯曲载荷），代入第四强度理论校核公式， σIV= 2221 2331[()()()]/2ssssss−+−+− ≤[σL] 将σ1=σθ= 2SPD = 4SPD =0代入根号中，对根号下式子解析： [(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]/2 = [(B2SPD4SPD +( 4SPD -0)2+(0- B2SPD ]/2 =[()PD16S + ()PD16S +()PD4S ]/2 6 =()2B3PD16S 把上式代入根号， ()3PD16S =[σL] 则, SB= PD2.3[]s （ 16/3[]=2.309401077[σL] =2.3[σL]，保留一位小数）, 将D=DN+SB代入上式， SB= NBLPDS2.3[]+2.3[σL] SB = PDN+ PSB 2.3[σL] SB- PSB= PDN SB（2.3[σL]- P）= PDN 则，SB= NLPD2.3[]Ps−考虑金属材料壁厚余量 C，则为：SB= NLPD2.3[]Ps−+C,即为公式 （4） 72.不同公式计算壁厚比较 公式（3）是按照第一强度理论建立的，适用于脆性材料，公式（4）是按第四强度理论建立的，适用于塑性材料。
公式(5)是在第一强度理论的基础上加以修正变形而来，三个公式计算阀体壁厚结果是不同的很显然，利用公式（3）计算壁厚大于公式（4）的计算壁厚经计算比较，按照公式（5）计算壁厚一般均大于公式（3）的计算壁厚因此，按照公式(5)计算的壁厚更保守更趋于安全 三、关于标准部分内容描述的释疑 GB/T12234 第 4.4.4 条要求，“如图所示的阀体通道与阀体颈部连接处的壁厚应适当加厚”图中注解为“阀体通道与阀体中腔连接处”，图文不一致GB/T12234第4.4.5条要求，图示距离焊接端1.33tm内壁厚不得小于 0.77tm图形没有表示 1.33tm的距离范围，图示是等壁厚形状，不能对文中意义说明，文图不符 GB26640《壁厚标准》3.1.4节b）款，在描述蝶阀体上阀杆贯穿孔部位的壁厚时，引入了一个表示区域长度的表达式，L=tm(1+1.1 dtm )，这显然是一个错误的式子，因式子的结果是一个关于长度单位的一元二次方程！正确的书写应该是 L≥tm(1+1. 1 /dtm ) 关于阀体颈部计算内径d＂，GB26640《壁厚标准》列出2个确定颈部内径的公式， d＂= 2'3d ……………………（6） 8d＂='48 (27+ 84.4PN )…………（7） 公式（6）只有在 ≥1.5时适用。
公式（7）在ASME B16.34 中的格式为： d＂= 48 (27+ 500Pc ) 当压力级分别为3000Lb、3500Lb、4000Lb、4500Lb时，上式为： d＂= '48 (27+ 500Pc )= 33'4848 (27+ 500Pc )= 34'48 48 (27+ 500Pc )= 35'48d='48 (27+ 500Pc )= 36'48即，压力等级每升高500Lb，计算内径的取值增加 148 d＇，随着压力等级增高，壁厚取值更大 阀门内径是确定壁厚的一个重要数据GB26640《壁厚标准》附录 A.1表格给出了DN750以下钢制阀门的内径，没有规定铁制阀门内径阀门内径有不同，壁厚计算结果不同对内径不作规定，会造成设计壁厚的不一致 阀门材料也是确定壁厚的重要数据ASME B16.34 壁厚计算公式中的材料应力7000是一个定值，与公式（3）及公式（4）中的[σL]一样，是代表材料性能的指标ASME B16.34 壁厚计算公式只限于其表1所列出的碳素钢、合金钢及不锈钢等三类材料该标准没有列出 9的材料牌号不宜应用其公式计算阀门壁厚或采用其表 3 规定的阀体壁厚值。
GB26640-2011表1～4列出了钢制阀门壁厚，设计者应慎重选择钢材的具体牌号 GB26640-2011表5～11列出了铁制阀门壁厚，并指明所用铸铁牌号是HT200、 HT250，球墨铸铁牌号是QT450-10,其它牌号材料（如HT150、HT300、QT400-18、可锻铸铁等等）设计者应自行计算确定壁厚 四、 建议 1. 对制定《标准》的建议 第一、制定标准应严密细致，一丝不苟避免出现文字性或编辑性的错误，如字词不一致、图文不一致、图形不完善，甚至公式字母或运算符号错误等等一旦出现错误，应尽快发布勘误表 第二、标准各部分内容应相互支撑如GB26640《壁厚标准》 表 1，列出了内径 d=3~1300mm 的壁厚，然而附录表 A.1 只列出DN15~DN750对应的阀门内径大于DN750的阀门，若设计内径不同，按照表1选取相同壁厚显然是不合理的 同样道理，壁厚与材料相关制定壁厚标准应明确所适用的各种材料牌号如，GB26640表1壁厚适于钢制阀门，钢材种类繁多，诸如沸腾钢、镇静钢等等如采用F08，10钢等等制作阀门是不能接受的 2. 对于标准使用者的建议 使用标准首先应进行宣贯培训，对其适用范围、内容认真理解，领会透彻。
如，GB26640表明适于钢制阀门，具体选择的材料牌号是 10否适合其规定的壁厚数值，阀门设计者应作出判断 其次，GB26640《壁厚标准》虽然规定了1300mm以下壁厚，但是，对于DN750以上规格的阀门以及压力等级大于2500Lb的阀门，如何选择计算内径，进而确定壁厚应是阀门设计者的责任 魏玉斌 2013-6-20 。