上海申弘阀门有限公司
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新版阀门API设计标准 |
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新版阀门API设计标准 上海申弘阀门有限公司 之前介绍HTDQ96P1W电动超高温蝶阀技术参数，现在介绍新版阀门API设计标准解读了API 6D和ASME B16.34新版中阀门设计标准的变化。提出了阀体按照ASME第Ⅷ卷锅炉压力容器的规定进行应力分析与强度设计的理念。 1、新版阀门API设计标准概述 美国石油协会标准API 6D 和美国机械工程师学会标准ASME B16. 34 是阀门设计中常用的标准，为了适应科学技术进步的需要，标准在不断的更新，本文主要解读API 6D - 2008 和ASME B16. 34- 2009 标准的变化。 2、API 6D -2008 分析 ANSI /API 6D -2008( 第23 版) 一个重大的变化是在第7. 1 节设计标准和计算方法中规定，承压元件的设计和计算方法应按照上认可的设计规范或标准的规定，同时考虑到管子负荷，操作力等等。标准的选用按协议规定。同时注明，上认可的设计规范或标准，例如ASME 第Ⅷ卷的*册或第二册、ASME B16. 34、EN12516 -1 和EN13445 -3。与第22 版比较，第23 版中的设计标准除保留了ASME B16. 34 之外，还增加了上认可的规范，ASME 第Ⅷ卷*册或第二册、EN12516 - 1 和EN13445 - 3。这些标准或规范是完整的，各自独立的，卖方可以自选一个标准进行阀门设计，买方也可以要求按某一标准设计。例如壳牌公司在阀门采购中明确规定，产品设计可以按照ASMEB16. 34，或者ASME 第Ⅷ卷*册或ASME 第Ⅷ卷第二册。
API 6D 第23 版标准作出修订的原因是其分体式和上装式球阀的结构型式( 图1) 不符合ASMEB16. 34 中关于阀体颈部zui小壁厚( 图2) 的规定，是一种无阀颈的结构。增加ASME 第Ⅷ卷*册或第二册是将阀体看作为锅炉或压力容器的一个筒体来考虑。按照第Ⅷ卷的规范计算，弥补了分体式球阀阀体结构和上装式阀体结构与ASME B16. 34 的不一致。API 是美国石油学会（American Petroleum Institute）的英文缩写，建于 1919 年，是美国*家的商业协会。API 的一项重要任务，就是负责石油和天然气工业用设备的标准化工作，以确保该工业界所用设备的安全、可靠和互换性。
API 6D 定义的球阀 ( a) 分体式( b) 上装式 图1 API 6D 定义的球阀
3、ASME B16. 34 -2009 分析 为了使ASME B16. 34 标准适用于API 6D，在ASME B16. 34 - 2009 的第6. 1. 2( C) 节中规定，对于多段阀体结构的阀门，如三段式球阀( 图3) ，其中阀体是由主阀体和附属于它的两个左、右阀体构成的。对于两个左、右阀体，其内径d 值应符合6. 1. 2( a) 节的要求( 注: 即按流道的zui小直径选取zui小壁厚) 。对于主阀体，其内径d 值应是主阀体的内径。如果主阀体上有轴向孔，无论是直通的或者螺纹的盲孔，孔两侧壁厚应满足规定尺寸的要求( 图4) 。 ASME B16. 34 标准的这些规定在阀门制造企业无法执行，因为主阀体的实际壁厚是按旧标准设计壁厚的1. 5 倍。旧标准阀体的d 值是指阀门流道的直径，而主阀体内径近似是流道直径的1. 5 倍。欧洲很多阀门公司不执行这一规定，而另有自己的设计标准。如英国标准BS EN12516 -2《工业阀门- 壳体设计强度第2 篇: 钢制阀门壳体的计算方法》等。 ASME B16. 34 定义的阀颈厚度 图2 ASME B16. 34 定义的阀颈厚度 ASME B16. 34 定义的三段式球阀 图3 ASME B16. 34 定义的三段式球阀 主阀体上孔的壁厚
图4 主阀体上孔的壁厚 4、设计标准的变化 在20 世纪的五六十年代，我国阀门设计是按照原苏联的阀门设计手册操作。阀体要进行截面Ⅰ -Ⅰ、Ⅱ -Ⅱ和Ⅲ—Ⅲ( 图5) 的强度计算，连接法兰端的法兰计算，阀盖连接处端部法兰的计算，阀盖强度计算，以及螺栓强度计算等。如果涉及高温、高压，厚壁阀门，设计的工作量更大，且容易出现因强度不足而造成的事故。在60 年代末期，美国机械工程师协会( ASME) 成立了ASME B16. 34 分会，负责起草一份阀门的设计标准，规范阀门的设计。原美国阀门的设计相关标准分散在锅炉压力容器第Ⅲ卷和有关的管法兰标准中，是不完整的。在20 世纪70 年代中期，出版了ASME B16. 34《法兰端、螺纹端和焊接端阀门》标准。 阀体强度计算
图5 阀体强度计算 对于阀门阀体的壁厚给出一个统一的标准值是一件十分困难的事。由于壁厚与阀门的结构种类( 如球阀、蝶阀、截止阀、闸阀等) 、工作压力、通径、工作温度、阀体材料、工作介质和外部载荷等有关，即阀体壁厚= f( 阀门类别、阀体结构、材料、压力、温度、通径、工作介质和外部载荷等)ASME B16. 34 定义了阀门的压力等级( ASME Rating Class) ，给出了压力等级系列( 如Class150、Class300、Class400……等) ，然后对应不同的材料组别，给出一个阀门压力等级与阀门工作压力和温度的关系。这样，对于某一阀门材料，在ASME B16. 34 中可以找到一组表格，表示压力等级与工作压力、工作温度间的函数关系为阀门压力等级= f( 工作压力，工作温度)定义了阀门压力等级后，阀门可以按压力等级设计制造，然后根据不同的工作温度，给出不同的使用工作压力。标准给出的壁厚不考虑阀门类型和阀体结构型式。对于介质的腐蚀余量和可能发生外载荷，标准提示制造商应予以考虑。这样，阀体的zui小壁厚tm仅是阀门通径d 和压力等级的函数( 这一函数关系可以在ASME B16. 34 标准的列表中找到) 。 tm = f( 阀门通径d，阀门压力等级)ASME B16. 34 标准给阀门的设计带来了方便，简化了产品的计算，合理给出阀体的壁厚，保障阀门的安全运行，对于阀门制造业的推动是巨大的。但是，标准指出，应该注意，这是一个“保守的上限值”。这个上限值对于中小口径阀门其质量增加和材料消耗的影响不大，但是，随着阀门口径的增大和压力等级的提高，这个值的影响逐渐加大，这一问题已经引起阀门制造业的深切关注。所以，欧洲体系的阀门设计很多不遵循这一规范，而采用锅炉压力容器规范。例如一个Class900 压力级，口径48in.( 1 200mm) 的全焊接球阀，德国舒克公司按德国AD 2 000 压力容器设计，一个球形阀体全焊接管线球阀，其质量为19t，而按ASME B16. 34 设计的筒状全焊接管线球阀，其质量为28. 5t。鉴此，阀门制造业按ASME 第Ⅷ卷锅炉压力容器标准设计是势在必行。 至于阀体螺栓强度，ASME B16. 34 即采用垫片有效外周边所限定的面积Ag与螺栓抗拉应力总有效面积As之比乘以阀门压力额定等级，给出一个限定值。对于阀体流体通道上的螺栓，其限定值为7 000，对于阀盖螺栓限定值为9 000。这种简易的方法，其本质是不考虑螺栓材料的差异，而是按螺栓材料zui低强度计算，也不考虑密封形式、法兰形式的差异。因此，也是一个保守的上限值。
5、设计规范 上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀,气动截止阀,电动蝶阀,气动蝶阀API 6D - 2008 明确规定了ASME 第Ⅷ卷*册或第二册是上认可的设计规范，壳牌公司亦认同可以选用上认可的标准中任何一个标准设计产品。因此，按ASME 第Ⅷ卷规范设计是阀门制造业设计的重大变革。英国BS EN12516 - 2 标准就是鉴于阀门发展的需要提出的。标准将ASME第Ⅷ卷的规则法用于闸阀、球阀、截止阀等阀体设计计算，包括阀体壁厚用计算法替代查表法，采用开孔补强的法则，以及阀体法兰强度的计算规则，填料压盖的计算，螺栓的强度计算等。
6、结语 随着CAD 辅助设计、三维造型以及计算机有限元分析方法的进步，不仅可以快速进行零部件强度的计算和校核，解决复杂结构的应力分析问题，也进一步优化了产品设计。阀门制造业应尽快理解和掌握ASME 第Ⅷ卷锅炉压力容器*册与第二册，及有限元数值的分析方法，以提高中国阀门制造业的整体水平。与本文相关的产品有：加长杆蝶阀安装注意事项 |
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