高温高压闸阀法兰自紧密封计算优化

高温高压阀门通常采用楔形垫组合自紧密封结构（伍德密封结构）（见图2-6）和楔形密封垫结构（见图2-7）。

图2-6 楔形垫组合自紧密封结构（伍德密封结构）

1—预紧螺栓 2—支承环 3—四合环 4—拉紧螺栓 5—楔形密封垫 6—阀体顶部 7—阀盖

图2-7 楔形密封垫结构

阀盖和楔形密封垫之间按线接触密封设计，楔形密封垫的外锥面上开有1～2条环形沟槽。楔形密封垫的锥角分别为：α＝30°～35°；β＝5°；γ＝5°～10°。

（1）载荷计算 内压引起的总轴向力为

式中 F——内压引起的轴向力（N）；

D_c——密封接触圆直径（mm）；

p——设计压力（MPa）。预紧状态时，楔形密封垫密封的轴向分力，即预紧螺栓的载荷为

式中 F_a——楔形密封垫密封力的轴向分力（N）；

q₁——线密封比压，对碳素钢、低合金钢取q₁＝200～300N/mm；

ρ——摩擦角，钢与钢接触ρ＝8°30′；钢与铜接触ρ＝10°31′；钢与铝接触ρ＝15°。

（2）支承环的设计计算 支承环结构如图2-8所示。

支承环结构尺寸确定后，需对作用于纵向截面的弯曲应力和a—a环向截面的当量应力进行强度校核。

纵向截面的弯曲应力校核：

式中 σ_m——弯曲应力（MPa）；

D_a——a—a截面的直径（mm）；

D_b——螺栓孔中心圆直径（mm）；

D₃——支承环外径（mm）；

D₁——支承环内径（mm）；

d_K——螺栓孔直径（mm）；

δ——支承环厚度（mm）；

图2-8 支承环

［σ］_t——设计温度下元件材料的许用应力（MPa）。

a—a环向截面的当量应力校核：

式中 σ₀——当量应力（MPa）；

σ_ma——a—a环向截面的弯曲应力（MPa），；

τ_a——a—a环向截面的切应力（MPa），；

h——厚度（mm），见图2-8。

（3）四合环的设计计算 四合环由四块元件组成，每块元件均有一个径向螺孔，如图2-9所示，计算时视为一个圆环。

对作用于a—a环向截面的切应力校核：

式中 D_a——a—a截面直径（mm）；

d_K——拉紧螺栓孔直径（mm）；

n——拉紧螺栓数量（mm）；

h——厚度（mm），见图2-9。

（4）预紧螺栓的设计计算 预紧螺栓光杆部分直径计算：

式中 d₀——预紧螺栓光杆部分直径（mm）；

［σ］_b——常温下螺栓材料的许用应力（MPa）；

n——螺栓数量。

（5）阀盖的设计计算 阀盖的结构如图2-10所示。

图2-9 四合环

图2-10 阀盖

阀盖的结构尺寸确定后，对作用于纵向截面的弯曲应力和a—a环向截面的当量应力进行强度校核。

纵向截面的弯曲应力校核：

式中 M——纵向截面的弯矩（N·mm）；

Z——纵向截面抗弯截面系数（mm³）。

M按下式计算：

Z按下述方法确定：

当时，

当时，

式中 Z_c——纵向截面形心离截面最外端距离（mm）；

δ——阀盖高度（mm）；

D_c——密封接触圆直径（mm）。

a—a环向截面的当量应力校核：

式中 σ_ma——弯曲应力（MPa）；

τ_a——切应力（MPa）；

σ_ma按下式计算：(www.xing528.com)

式中 D₅——a—a环向截面的平均直径（mm）。

D₅按下式计算：

τ_a按下式计算：

（6）阀体顶部的设计计算 阀体顶部结构如图2-11所示。

阀体顶部的结构尺寸确定后，需对作用于a—a和b—b环向截面的当量应力进行强度校核。

1）a—a环向截面的当量应力校核：

σ_oa＝σ_a＋σ_ma≤0.9［σ］_t

式中 σ_oa——a—a环向截面的当量应力（MPa）；

σ_a——拉应力（MPa）；

σ_ma——弯曲应力（MPa）。

σ_a按下式计算：

式中 D₀——外直径（mm）；

D₇——直径（mm），见图2-11。

σ_ma按下式计算：

式中 S——a—a环向截面处厚度（mm）。

图2-11 阀体顶部

M_max——作用于a—a环向截面单位长度上的最大弯矩（N·mm/mm）；

M_max按下列步骤计算：

①F＋F_a引起的弯矩M按下式计算：

M＝（F＋F_a）H

式中 M——F＋F_a引起的弯矩（N·mm）；

H——力臂（mm），H＝S₀＋0.5h；

S₀——阀体顶部中性面Y—Y离直径D₇的距离（mm）：

当时，

当时，

②中性面单位长度的弯矩：

式中 M₁——中性面单位长度的弯矩（N·mm/mm）；

D_n——阀体顶部中性面Y—Y的直径（mm），D_n＝D₇＋2S₀。

③计算系数β：

式中 β——计算系数（mm^－1）；

μ——平均壁温下材料的泊松比、当缺乏数据时，可取μ＝0.3。

④根据βl₁值查图2-12，得值和值。

图2-12 及与βl₁的关系

⑤计算系数C：

⑥根据βl₁及C值查图2-13得的值。

⑦沿中性面Y—Y单位长度上的径向载荷q_r：

式中 q_r——沿中性面Y—Y单位长度上的径向载荷（N/mm）；

Q_r——密封反力引起的径向载荷（N），

⑧计算弯矩M_r：

式中 M_r——计算弯矩（N·mm/mm）。

图2-13 与βl₁的关系

⑨最大弯矩M_max取下式中绝对值较大者：

2）b—b环向截面的当量应力校核：

式中 σ_0b——b—b环向截面的当量应力（MPa）；

σ_mb——弯曲应力（MPa）；

τ_b——切应力（MPa）。

σ_mb按下式计算：

τ_b按下式计算：