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1、1轻型小口径高压气动阀设计2目录前言 31 概述 41.1 阀门简介 41.2 问题的提出 51.3 解决方案 61.4 阀门的基本性能 82 技术指标和结构设计特点 92.1 主要技术指标 92.2 组成、工作原理和设计特点 102.3 阀体组成部分 102.4 运用介质 113 阀门的设计和计算 113.1 设计程度 113.2 阀体的设计和计算 123.3 密封面上、环上总作用及计算压比 143.4 阀杆强度计算 153.5 头部强度校核 213.6 阀杆稳定性计算 223.7 闸板厚度计算 233.8 阀盖强度计算 243.9 填料箱计算 264 气动装置的设计计算 284.1 确定阀
2、门材料 284.2 活塞推力和拉力计算 284.3 用 O 型密封圈密封时的摩擦力计算 294.4 壁厚计算 304.5 缸筒变形和活塞杆直径计算 314.6 活塞杆强度计算和缸底厚度计算 324.7 缸体螺纹连接计算 335 材料的选择 356 结论 387 谢辞 398 参考文献 40 3前言轻型小口径高压气动阀是在高压油气井采气井口截断，高压油气井试油试气及压裂快速排液等场所广泛的使用。由于它可以实现远程控制，因而可大大提高高压生产和施工场所的安全性。在设计中综合了以往高压阀的结构特点，并增加了气动装置，以满足远程控制的目的，在内容中，简单介绍了高压气动阀的技术指标和结构特点，并详细设计
3、和计算阀门和气动装置，以满足了高压使用的性能。此高压气动阀的另一大特点是在减小其体积，减轻其质量上下了很大工夫，使此高压气动阀的搬运性、安装性和安全性都得到了大大的提高，从而为油田的提供了很大的方便。关键词： 阀门 、 高压 、小口径、 气动、 设计1.概述1.1阀门简介 阀门在国民经济各个部门中都有着广泛的应用，在石油、天然气、4煤炭和矿石的开采、提炼加工和管道输出系统中，在化工产品、医药、水电、核电等生产系统中，阀门都起着举足轻重的作用。此外，在国防生产系统中和航天等技术领域里也使用各种性能的阀门。因此，阀门是我国实现四个现代化不可缺少的重要机械产品，它与生产建设、国防建设和人民生活都有着
4、密切的联系。阀门是流体输送系统中的控制部件，具有导流、截流，调节防止倒流、分流或溢流卸压等功能 。阀门安装在各种管路系统中用于控制流体的压力，流向和流量，由于流体的压力、流量、温度、和物理化学性质的不同，对流体系统的控制要求和使用要求也不同，所以，阀们的种类和品种规格非常多，据不完全统计，我国的阀门产品种类已经达到三千多个型号，近三万个规格，随着新的工艺流程和控制要求的的出现，随着现代阀门的技术参数和技术性能的高水平发展需要，随着生产过程日益自动化发展的需要，将会不断提出对阀门新品种的发展需求。为了实现对流体的控制，阀门一般具备以下性能：1）具有良好的抗腐蚀能力2）具有良好的密封性3）防暴防火
5、、可靠耐用4）强度性能5）调节性能56）动作性能7）流通性能对大部分阀门来说，密封性能是首要问题，由于密封性能差或密封寿命短而产生流体的外漏或内漏，会造成环境污染和经济损失，甚至造成人身死亡，对于高中压气动阀门和安全阀，阀门的安全可靠性也是非常重要的，强度不够或动作不可靠，将会造成本体或系统的破坏，而导致人身伤亡。因此，阀门的流通性能（流阻系数、流量系数）已经得到越来越多人的注意，成为阀门设计者必须重视的问题。阀门的机构虽然千差万别，但基本上都是有驱动装置（自动阀类无） 、运动机构、关闭件（或调节元件） 、密封件、紧固件和壳体组成。由于其主要零件与流体直接接触，因此在阀门设计时不仅要考虑机械强
6、度、刚度、制造工艺与磨损等问题，还要考虑流体的物理化学作用和流体动力、热力作用产生的问题。目前，高压闸阀按不同方式可分为很多种，如电动闸阀、液控自动闸阀、API磅级闸阀、水封闸阀、保温闸阀、电动铬钼闸阀、美标闸阀、高温高压闸阀、两项流闸阀、高温灰渣闸阀、带吹扫孔闸阀、衬氟闸阀、正齿轮双闸板高压闸阀等。原理也就各不相同，有的是利用堵漏式强制性被动密封，有的是自紧式随机性主动密封。61.2 问题的提出国内现有的手动高压阀多为 80 年代末引进的技术，由于在施工中，需要人近距离反复启动闸门，十分危险，劳动强度大，由于操作过程中介质外泻，击伤工作人员事故常有发生。另外，由于高压阀使用的环境恶劣，被控介
7、质所含颗粒酸性成分高，加上压力变化幅度大，野外露天使用，给阀门的研制带来许多难度，所以，解决此问题，将会在今后的施工生产中产生良好的经济效益。现行生产、使用的气动闸阀,在工况运行中要克服各种摩擦阻力,尤其是密封面间的静摩擦力,需要施加很大的阀杆轴向力才能达到阀门启动。另外，气动闸阀噪声较大。密封效果是阀门制造的关键要素，密封问题历来是机械行业很难解决的问题。高压截止阀产品曾先后进行过二次大的改进；一次因外漏问题将原上阀体可拆性结构改为焊死的一次性使用结构；另一次为了降低产品价格、缩小体积、减轻重量，采用了非标准的缩u比，即：由标准缩口比大于或等于70 缩小为6O 。但从调查的使用情况看仍存在较
8、严重的漏失、启闭扭矩大、流阻大等问题，直接影响生产。设计应提高气动机构关键密封部位的加工精度,防止微量泄漏。另外,要彻底解决分闸阀锈蚀的问题,应将阀座及锥阀更换为抗氧化7性能优良的材质。对气动机构来说,冬季低温时,操动机构箱内必须加温,防止微泄漏后积水结冰将锥阀冻住,造成断路器拒分故障。此外储气罐及管路放水阀部位也必须加温,防止将放水阀冻裂,无法保持压力,从而延长抢修时间。目前国内的高压气动闸阀普遍存在的问题还有就是重量大，体积大，给搬运、安装和维修带来一定的难度。本设计研究的是轻型小口径高压气动阀。重在缩小闸阀体积，减轻闸阀质量，但功能与原理不变，只是在结构方面做一些改动，但是还要满足设计需
9、求，如强度功能等。1.3 解决方案针对天然气的生产和需要，在高压油气井采气井口截断，高压油气井试油试气及压裂快速排液等类似的环境下工作的需要，需设计高压气动阀，由于它可以实现远程控制，因而大大提高了高压生产和施工场所的安全性，目前，国内有部分厂家生产高压气动阀，但是规格单一，通经均为 DN65，最高压力多为 70MPa 国内主要稠油开发油田(辽河、胜利 河南、江苏、新疆)使用的阀门，少数从美国引进，绝大多数是国内消化同类进口产品而开发的高压截止阀新产品，现有压力为 320 MPa、口径为 50、 65、 8O、 100 四种规格产品，每年约有上千台用于各油田。8本设计的气动阀，通径为DN20，
10、最高工作压力为105MPa的高压气动阀，它的特点是a. 消除了存在于液压机构的”慢分问题” 绝大部分气动机构分闸采用气动,合闸采用弹簧,分、合闸动力传递的介质不同,所以不会发生工作缸活塞连同断路器的缓慢分闸动作,即慢分问题。b. 避免了微渗漏后的表面脏污，微渗漏是国产开关的老问题,它并不影响产品的性能和使用,但会造成液压机构外表面脏污,影响文明生产。而气动机构的渗漏,不会在机构外表面产生脏污,不会污染环境,由于气体来源于大气,补充时也相当经济。所以气动机构零部件的加工精度要求不很高而气动闸阀本来具有许多优越性,它除有一般闸阀流阻小、流向不受限制等优点外,还有启闭迅速、气动安全、双缸气动保证开启
11、等特点。c.安装,调节简单,操作维护简单.阀体制造也各不相同，有的是砂模制造，有熔模制造，但一般采用熔模制造，因为熔模制造比砂模制造具有更高的透气性，更快更均匀的冷却条件，所以组织更为致密，由于钢液从顶部浇入，有时从冒口直接浇入，浇冒口的位置靠近热节区，为铸件提供了极为有利的顺序凝固条件，热节区得到迅速有利的补缩，所以铸件合格率很高且质量较好。9但是本设计用的阀体为锻造.锻造阀体一般都用于小口径阀门,特别是用于公称通径小于或等于 DN50 高温高压阀门.锻造阀体的优点是质量能保证、组织致密,表面质量好.其缺点是由于流通道采用机械加工(钻空)制成,在孔与孔的过渡区会产生锐角过渡面,造成流阻大,且
12、易产生紊流,介质对阀体侵蚀大;锻件截面与铸件截面相比较不均匀性更大，因此在壁厚处所产生的热应力很大,特别是在高温场合,常会在流道的锐角处发生开裂,并且锻造阀体利用率较低.但丛经济的角度来看,锻造适合与小口径的阀门.1.4 阀门的基本性能阀门的各项基本性能是衡量阀门设计水平和加工质量的主要指标。阀门的基本性能指标如下：1.4.1 强度性能是指阀门承受介质压力的能力。阀门是承受压力的机械产品，因而必须有足够的强度和刚度。以保证长期使用而不发生破裂或产生变形。1.4.2 密封性能是指阀门的密封不见阻止介质泄漏的能力，它是阀门最重要的性能指标。阀门的密封部件有两处起闭件与阀座密封面间的接触，填料与阀杆和添料的配合处，其中前一处的泄漏叫内漏，也就是通常说的关不严。它将影响阀门截断介质的能力。后一处的泄漏叫外漏，10即介质从阀内泄漏到到阀外。它影响文明生产造成物料损失，污染环境，严重时还会造成事故，对于像天然气这种易燃、易爆，有毒或者有放射性的介质，外漏更不允许的，因而阀门必须具有良好可靠的密封性能。1.4.3 流阻性能介质流过阀门后会产生压力损失，也就是阀门对介质的流动有一定的阻力，介质为克服阀门的阻力就必须要消耗一定的能量。从节约能源上考虑，设计和制造时，要尽可能降低阀门对流体介质的阻力。1.4.4
