阀体壁厚及计算方法

阀体壁厚的确定方法主要有查表法、插入法和计算法。

1.查表法

对于所设计的阀节阀，当设计任务书已明确给定该调节阀所依据的设计标准时，首先按设计标准的要求，查找出阀门的最小壁厚值。

我国的标准GB/T 12224—2015、NB/T 47044—2014、GB26640—2011，美国机械工程师学会标准ASME B16.34—2013、欧洲的标准EN 12516系列等，对阀体最小壁厚值都作了明确规定。设计这类“标准阀门”，推荐采用查表法。

由表中查得的数据，通常可直接采用，但应注意以下两点：

1）对铸钢阀体，应考虑最小允许工艺壁厚；对于砂模铸造，通常工艺壁厚不小于5.5mm；精密铸造的工艺壁厚不小于4.5mm。如果最小壁厚小于上述值，应选用最小允许的工艺壁厚。

2）对形状复杂的阀体，如双座调节阀的阀体，或安装使用中存在应力集中的阀体，应将最小壁厚值适当增加，具体增加值应视阀门的使用场合而定。

各国标准给出的最小壁厚值见表3-4～表3-21，壁厚比较见表3-22～表3-27。

表3-4 钢制阀门壳体最小壁厚t_m（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

（续）

（续）

表3-5 石油、化工及相关工业用钢制阀门的壳体最小壁厚（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

表3-6 一般工况用钢制旋塞阀的壳体最小壁厚（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

①PN140压力级仅适用于锻造或棒材制作的阀体。

表3-7 紧凑型钢制阀门的壳体最小壁厚（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

（续）

表3-8 铁制闸阀壳体最小壁厚（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

注：带∗号的为HT250。

表3-9 铁制截止阀、升降式止回阀壳体最小壁厚（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

（续）

表3-10 铁制旋启式止回阀壳体最小壁厚（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

表3-11 铁制球阀壳体最小壁厚（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

（续）

表3-12 铁制蝶阀壳体最小壁厚（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

表3-13 铁制隔膜阀壳体最小壁厚（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

（续）

表3-14 铁制旋塞阀壳体最小壁厚（摘自GB 26640—2011） （单位：mm）

表3-15 铸铁阀门壳体的壁厚（摘自ASME B16.1—2010） （单位：mm）

表3-16 法兰、螺纹和焊接端钢制阀门壳体最小壁厚（摘自ASME B16.34—2013） （单位：mm）

（续）

（续）

①内径d为流体通道最小直径，它不能小于法兰端或焊接端基本内径的90%。

表3-17 阀体和阀盖的最小壁厚（摘自API 600—2015） （单位：mm）

表3-18 承插焊和螺纹端的最小壁厚（摘自ASME B16.34—2013） （单位：mm）

①Class 800不是正规列入ASME B16：34—2013的Class，而是一个中间Class，它广泛用于承插焊端和螺纹端的阀门。

表3-19 钢制阀门阀体最小壁厚，e_min（摘自EN 12516-1：2005） （单位：mm）

（续）

（续）

（续）

（续）

表3-20 承插焊和螺纹端的最小壁厚e_soc（摘自EN 12516-1：2005） （单位：mm）

注：Class 800不是正规列入EN 12516-1：2005的Class，而是一个中间Class，它广泛用于承插焊端和螺纹端的阀门。

表3-21 阀门壳体最小壁厚 （单位：mm）

①水道用。

②截止阀和角阀用。

③闸阀用。

表3-22 美国标准和日本标准的壁厚比较（Class150） （单位：mm）

（续）

表3-23 美国标准和日本标准的壁厚比较（Class300） （单位：mm）

表3-24 美国标准与日本标准的壁厚比较（Class600） （单位：mm）

（续）

表3-25 美国标准与日本标准的壁厚比较（Class900） （单位：mm）

表3-26 美国标准与日本标准的壁厚比较（Class1500） （单位：mm）

表3-27 美国标准与日本标准的壁厚比较（Class2500） （单位：mm）(www.xing528.com)

2.插入法

由查表法引伸出的插入法（又称为线性插值法），适用最小壁厚不能直接从设计标准中查出的情况。

插入法计算公式为

式中，t_m为中间压力等级的壳体最小壁厚（mm）；p_rd为中间压力等级的公称压力；p_r1为与中间压力等级相邻较低的公称压力；p_r2为与中间压力等级相邻较高的公称压力；t₁为公称压力p_r1的最小壁厚（mm）；t₂为公称压力p_r2的最小壁厚（mm）。

【例3-1】 设计一台Class 3500（PN560）、DN100的通用钢制单座调节阀，试确定其壁厚值。

解 由我国强制性壁厚标准GB 26640—2011查得

p_r1=Class2500（PN 420）、DN100时的壁厚t₁=36.6mm。

p_r2=Class4500（PN 760）、DN100时的壁厚t₂=81.0mm。

将以上数值代入式（3-1）中，得

计算值圆整后，取设计壁厚t_m=55mm。

应当强调的是，无论是查表法还是插入法，在查表之前，设计者必须准确地掌握和正确地选择设计标准。因为，在相同的压力等级下，不同的设计标准对应不同的壁厚值。例如，压力等级同为Class150的钢制调节阀，通用调节阀应按GB26640—2001中表1查取壁厚值，而石油化工用调节阀，应按GB26640—2001中表2查取壁厚值。

3.计算法

（1）影响因素 阀体壁厚的计算方法主要由下列因素决定：

1）阀体材料的力学性能。对于铸铁类材料，应按脆性材料计算；对于钢类材料应按塑性材料计算。

对于脆性金属材料危险状态的判断，是以产生裂纹（断裂）为标志。在计算阀体的强度时，应以抗拉强度R_m作为强度标准，按第一强度理论——最大拉应力理论计算。

对于塑性金属材料危险状态的判断，是以产生过大的残余变形为标志。在计算阀体的强度时，应以下屈服强度R_eL作为强度标准。按能量强度理论计算。

2）阀体的形状。可以分为圆筒形、腰鼓形、球形、非圆筒形（椭圆形、扁圆形、矩形）等基本形状，应分别采用不同的公式计算阀体壁厚。

3）阀体结构尺寸的确定。当阀体外径与内径之比小于1.2时，按薄壁容器的公式计算；大于1.2时，按厚壁容器的公式计算。

阀体往往由几种形状组成，即使同一形状，尺寸也不一样。按理说，一个阀体的计算要根据它的形状和尺寸，一部分一部分地单独进行，但实际应用上并不需要这样做。因为，同一个阀体中，通常并不取几个不同的壁厚。

阀体通常都由中腔和进口、出口管段三个部分组成。这三个部分中，总是中腔尺寸大于进口、出口段。因此，阀体壁厚的计算，一般只对中腔部分进行计算。

需要注意的是，阀体壁厚的计算，除了考虑强度之外，还应考虑其刚度，否则会因受力变形而破坏密封。通常当≥DN300时，在阀体内腔或外部增添加强肋，以增强其刚性，把体腔变形控制在0.001DN的范围内。必要时亦可设计成不等壁厚的阀体，即增大中腔的厚度。但应注意非均匀壁厚会造成铸造上的困难。

（2）计算公式

下面介绍几种常用壁厚的计算方法计算公式。

1）圆筒形及腰鼓形阀体。这种类型的阀体如图3-82所示。对于这类圆筒形阀体，低压和中压调节阀一般采用薄壁公式，而钢制高压调节阀有时则采用厚壁公式计算。

图3-82 圆筒形及腰鼓形阀体

a）直通阀阀体 b）节流阀阀体 c）直角阀阀体 d）球阀阀体 e）蝶阀阀体

①薄壁阀体。对于用铸铁等脆性材料制造的阀体，壁厚按第一强度理论计算：

式中，D_N为阀体中腔最大直径（mm），根据结构需要确定；p为设计压力，取公称压力PN；t为考虑腐蚀裕量后阀体的壁厚（mm）；[σ_L]为材料的许用拉应力（MPa）；C为考虑铸造极限偏差、工艺性和介质腐蚀等因素而附加的裕量（mm），可参考表3-28选取。

表3-28 附加裕量C值 （单位：mm）

对于塑性材料制成的阀体，其最小壁厚按式（3-3）计算：

式中，t为计算壳体壁厚（mm）；p_c为数值为0.1倍的公称压力（MPa）；d为阀体通道内径尺寸（mm）；n为系数，当p_c≤2.5MPa时，n=3.8；当p_c>2.5MPa时，n=4.8；s为应力系数，s=48.3MPa。

式（3-3）计算结果比表3-4的最小壁厚数值小3～5mm。

②厚壁阀体。对于钢制高压调节阀的阀体壁厚，一般按厚壁容器计算，计算式为

式中，K_o为阀体外径与内径之比，其计算为

式中，[σ]为材料的许用应用（MPa），取与两者中的较小值（R_m和R_eL分别为常温下材料的抗拉强度（MPa）和屈服强度（MPa）；n_b为以R_m为强度指标的安全系数取n_b=4.25；n_s为以R_eL为强度指标的安全系数，取n_s=2.3）。

2）球形阀体计算如下：

①薄壁球形阀体。其计算公式为

式中，[σ_L]为材料的许用拉应力（MPa）；R为球形阀体的半径（mm），按结构需要选定。

②厚壁球形阀体。其计算公式为

式中，r为球形阀体的半径（mm），按结构需要确定。

③由两个圆弧半径组成的薄壁球形体（图3-83）。其应力的计算公式如下：

式中，σ₁、σ₂为应力（MPa）。

显然，σ₂>σ₁，而σ₂应小于材料的许用拉应力[σ_L]。

3）非圆筒形薄壁阀体。这类薄壁阀体如图3-84所示，在低压铸铁阀门中应用较多。体形通常又分椭圆形、扁圆形、矩形及近似椭圆形多种，如图3-85所示。从强度上考虑，应根据截面上A处和B处的合成应力来验算其壁厚。

图3-83 有两个圆弧半径的球形体

图3-84 非圆筒形薄壁阀体

图3-85 非圆筒形阀体的体形

a）椭圆形 b）矩形 c）扁圆形 d）近似椭圆形

计算A处和B处合成应力的公式如下：

式中，σ_A为A处的合成应力（MPa）；σ_B为B处的合成应力（MPa）；a为壳体横截面的长半轴（mm）；b为壳体横截面的短半轴（mm）；K为壳体对其轴线的极回转半径（mm）。

①对于椭圆形截面，有

式中，f为系数，根据a与b的比值查表3-29。在实际应用中，当时，取已足够精确。

表3-29 系数f的值

②对于矩形截面，有

③对于扁圆形截面，有

④对于近似椭圆形截面，有

式中，r_i为测量点的半径（mm）；i为测量点序号；n为测量点的数量。测量点越多，所求K值越精确。

σ_A和σ_B的计算值，正号为拉应力，负号为压应力。就其绝对值而言，应小于材料的许用弯曲应力[σ_w]。

对于非圆形截面的阀体，特别要注意其刚性。因此，为避免由于介质压力和关闭时，闸板所产生的涨力使阀体变形而影响密封性，如前所述，通常当≥DN300时，在阀体内腔和外部增添加强肋，以增加其刚性，使体腔变形控制在0.001DN的范围以内。必要时也可以设计成不等壁厚的阀体，即增大中腔的厚度。

4）美国的计算方法。美国机械工程师学会标准ASMEB16.34—2013《法兰、螺纹和焊接端的阀门》中关于壁厚的计算公式为

式中，t为阀体计算壁厚（mm）；p_c为压力等级Class数值，如Class150，p_c=150；Class300，p_c=300；d为内径（mm），按流道的最小直径选取，但不得小于阀门端部基本内径的90%；S为阀体材料的许用应力，S=7000。

式（3-12）是以薄壁圆筒为基础得出的。所承受内压，对于Class150～Class2500，其壁厚值大50%；对于Class4500，其壁厚值大35%。

ASMEB16.34—2013阀体最小壁厚表3A中所列出的数值，是按式（3-12）的计算值，再增加“附加裕量”0.9～9.3mm列出的。

API600—2015标准中，表中所列出的阀体最小壁厚数值，是按式（3-12）的计算值，再增加一定的附加裕量列出的。

5）日本的计算方法。日本石油学会JPI7S-67—2000《石油工业用阀门基础标准》附录了阀门的基本设计中，关于阀体壁厚的计算式为

式中，t为阀体最小壁厚的计算值（mm）；p_c为压力额定等级代号相当的压力（MPa），如Class150相当于150×0.006895=1.034MPa；d为流道的最小直径（mm），但不得小于阀门端部基本内径的90%；S_o为许用应力，压力温度基准时，S_o=48.3N/mm²。