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西華大學畢業(yè)設計說明書 目 錄 摘 要 ......................................................................I ABSTRACT .....................................................................II 1 前言 .........................................................................1 1.1 本畢業(yè)設計的目的及意義 ...............................................1 1.2 本次畢業(yè)設計的任務與要求 .............................................1 2 閥門概述 ...................................................................3 2.1 閥門的功用 ..............................................................3 2.2 閥門的分類 ..............................................................3 2.3 國內閥門行業(yè)現狀 .......................................................5 3 安全閥的設計與計算 .....................................................7 3.1 安全閥主要零件選材 ....................................................7 3.2 閥門主要參數設計計算 .................................................14 3.3 安全閥的結構設計 ......................................................19 3.4 安全閥閥體與閥蓋連接形式的設計 .....................................21 3.5 安全閥關閉件的密封結構的設計 .......................................23 4 閥門驅動裝置的選擇 ....................................................24 4.1 閥門手動裝置 ..........................................................24 4.2 閥門電動裝置 ..........................................................25 4.3 閥門的氣動裝置 ........................................................27 4.4 閥門液動裝置 ..........................................................28 5 安全閥三維建模及其工程圖 ............................................30 5.1 SOLIDWORKS軟件簡介 .....................................................30 5.2 安全閥閥體三維建模及其工程圖 .......................................30 5.3 安全閥主要零件的三維建模及其工程圖 ................................33 5.4 安全閥總裝配的三維建模與工程圖 .....................................40 II 熱電站用安全閥 CAD 設計 5.5 三維建模的心得體會 ...................................................41 6 閥門的質量檢驗.性能測試及安裝維護 ..............................43 6.1 閥門的質量檢驗 ........................................................43 6.2 閥門的質量檢驗要求 ...................................................45 6.3 閥門的試壓項目及標準 .................................................46 6.4 閥門的安裝 .............................................................48 6.5 閥門的維護 .............................................................50 6.6 安全閥常見故障處理 ...................................................51 總結與體會 ..................................................................53 致謝詞 ........................................................................54 參考文獻 .....................................................................55 I 西華大學畢業(yè)設計說明書 熱電站用安全閥的 CAD 設計 摘 要 閥門是各種流體裝置中不可缺少的控制設備，在國民經濟各個部門中有著 廣 泛的應用。隨著市場需求的不斷發(fā)展，對閥門產品的要求也越來越高。為了適 應市場快速變化的要求并使企業(yè)在競爭中求得發(fā)展，閥門制造廠家都紛紛從產 品設計入手，廣泛用計算機輔助設計系統(tǒng)進行閥門設計，從而縮短產品設計周 期。因此，基于 CAD 的產品設計具有十分重要的現實意義。 本設計通過調查研究，在收集和分析大量文獻資料的基礎上，對熱電站用 安全閥進行設計、計算和結構設計，并基于 SOLIDWORKS 軟件對安全閥進行計算 機輔助結構設計。完成了給定條件下的安全閥三維建模和工程圖。同時對閥門 驅動裝置的選擇、閥門的檢驗與試驗與閥門的使用與維護提出要求和建議。 本次設計的熱電站用安全閥可用于 50-300MW 機組鍋爐汽包或過熱器集箱上， 控制介質工作壓力并對外排汽泄壓，以保證鍋爐和過熱器安全運行。本畢業(yè)設 計具有重要的應用價值。 【關鍵詞】 熱電站； 安全閥；閥門； Solidworks； 三維建模 II 熱電站用安全閥 CAD 設計 Abstract Valve is one of necessary control device of liquid mechanism. It is applied in many kinds of field. With the development of valve market, higher level of valve quality is required. In order to shorten the time of production, Computer-aided design technology is used in manufacturing industry. Therefore, valve design base on CAD software is extremely important. Through investigation, collecting and analyzing many documents and materials, a safety valve for steam power plant was designed. Calculations and structural design of safety valve were made. Base on Solidworks, three- dimensional models of safety valve as well as its parts were built. The mechanical drawings are produced based on these models. At the same time selection of drivers for the valve and test of the valve as well as usage and maintenance were analyzed in this B.S thesis. The safety valve designed in the thesis may used in the 50-300MW unit boiler steam and super heater collection box. It can be used to control medium working pressure and the output gas and decompression. Consequently safety valve guarantees the boiler and the super heater under the safe operation. The work in the thesis has great values in application. 【Keywords】 Steam Power plant, Safety valve, valve, Solidworks, Three- dimensional modeling 1 西華大學畢業(yè)設計說明書 1 前 言 1.1 本畢業(yè)設計的目的及意義 高等院校的畢業(yè)設計（論文）教學過程是實現本科培養(yǎng)目標要求的重要培 養(yǎng)階段，畢業(yè)設計（論文）是大學期間，學生畢業(yè)前的最后學習階段，是學習 深化與升華的重要過程，是學生學習、研究與實踐成果的全面總結；是學生綜 合素質與工程實踐能力培養(yǎng)效果的全面檢驗，是學生畢業(yè)及學位資格認證的重 要依據，是衡量高等學校教育質量和辦學效益的重要評價內容。 本畢業(yè)設計課題來源某企業(yè)的實際應用項目，閥門在現代工業(yè)中用大量的 應用，并且隨著市場經濟的發(fā)展，國內外對閥門的需求越來越大，用戶對產品 的質量要求越來越高，這必將使得閥門設計制造在機械設計制造中扮演更重要 的角色，因此對于即將畢業(yè)參加工作的機械設計制造行業(yè)的學生來說，能對工 廠的實際應用課題進行研究訓練是個難得的機會，它不僅能促使我們綜合應用 大學四年來所學的各種知識，是對自己以前所學的一個綜合考察，全面總結， 也是一個將所學專業(yè)知識全面提高的機會，通過這個設計更將使我們能更好的 適應即將投入的工作中，所以本次設計課題意義重大。 1.2 本次畢業(yè)設計的任務與要求 本畢業(yè)設計題目為熱電站用安全閥 CAD 設計，本題目基于 SOLIDWORKS 對 熱電站常用閥門――安全閥進行計算機輔助結構設計。完成給定條件下的安全 閥三維建模和工程圖。 1. 適用介質：蒸汽 2. 工作壓力：17～20MPa 3. 工作溫度：555℃ 4. 開啟高度：20mm 5. 閥座當量內徑：82.5mm 6. 排氣常數：0.33 7. 公稱通徑： DN=176-250mm 8. 配管尺寸：φ234mm 本設計任務結合科研課題，主要培養(yǎng)學生進行調查研究，收集、分析和加 工整理文獻資料，正確使用設計手冊進行工業(yè)閥門產品設計計算、應用 CAD 軟 件進行計算機輔助三維設計、工程制圖、技術文件編寫的能力。要求學生綜合 2 熱電站用安全閥 CAD 設計 運用所學知識，獨立分析和解決問題，完成設計任務。 1. 文獻檢索，查閱和收集資料文獻檢索，收集、查閱文獻資料 10 篇以上， 記錄、分析整理資料。 2. 了解熱電站安全閥類型、特點、用途和工作原理，掌握熱電站安全閥 的設計方法和步驟。 3. 安全閥主要零部件強度計算。 4. 應用 SOLIDWORKS 進行安全閥零部件和裝配三維設計。 5. 安全閥主要零部件和裝配體工程圖 （全部圖紙折合為零號圖紙不少于 3 張） 6. 畢業(yè)設計說明書一份（2 萬字左右，有英文題目和摘要） 7. 翻譯與課題有關的外文資料，譯文不少于 3000 字。 8. 制作 10 分鐘內的畢業(yè)答辯多媒體課件。 本畢業(yè)設計的技術路線： 1. 了解設計要求及設計目的，查找安全閥相關資料及考察實物，對熱電 站用安全閥知識有全面的認識； 2. 認真分析設計任務，確定安全閥的功能和用途，根據《實用閥門設計 手冊》的設計步驟.設計要求及計算公式計算設計出安全閥各部分的結 構.尺寸，確定各零件的材料，元件的選擇等。 3. 應用 SOLIDWORKS 繪制安全閥零部件的零件圖，然后組裝完成總的裝配 圖，最后在裝配圖的基礎上生成工程圖，完善工程圖的標注等，并翻 譯與課題有關的外文資料，譯文不少于 3000 字，用 PowerPoint 制作 10 分鐘內的畢業(yè)答辯多媒體課件，最終完成設計任務。 3 西華大學畢業(yè)設計說明書 2 閥門概述 熱電站用安全閥 CAD 設計，是以閥門作為研究對象的，在此，首先簡單介 紹一下閥門。 閥門在國民經濟各個部門中有著廣泛的應用。在石油、天然氣、煤炭和礦 石的開采，提煉加工和管道輸送系統(tǒng)中;在化工產品、醫(yī)藥和食品生產系統(tǒng)工程 中;在水電、火電和核電的電力生產系統(tǒng)中;在船舶、車輛、飛機以及各種運動 機械的流體系統(tǒng)中，都大量地使用閥門。此外，在國防生產系統(tǒng)中和航天等新 技術領域里也使用著各種性能特殊的閥門。因此，閥門是我國實現國民生產中 不可缺少的重要機械產品。 用于流體控制的閥門，從簡單的截斷裝置到極為復雜的自控系統(tǒng)，其品種 和規(guī)格繁多。閥門可以控制空氣、水、各種腐蝕性化學介質，泥漿、液態(tài)金屬 和放射性物質等各種類型的流體的流動。 2.1 閥門的功用 閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，主要功能有導流、截流、調節(jié)、節(jié)流、 防止倒流，分流或溢流卸壓等功能。具體來講，它有以下幾種用途: （1） 接通或切斷管路各段的介質，如:閘閥、截止閥、止回閥、球閥等。 （2）調節(jié)管路的流量和壓力，如節(jié)流閥、安全閥、減壓閥等。 （3）改變介質的流動和方向，如:分配閥、三通旋塞等。 （4） 指示和調節(jié)液面，如:液面指示器、液面調節(jié)器等。 （5）其它特殊用途，如:阻氣排水閥、溫度調節(jié)器等。 2.2 閥門的分類 對閥門分類，首先應明確，類是將事物進行邏輯劃分的基本概念，也就是 要對事物進行分類，必須從事物的最基本特征出發(fā)，即應從閥門的最基本概念 和要素出發(fā)。 閥門的種類繁多，可以按各種方法分類: 2.2.1 按用途和作用分類 （1）截斷閥類—主要用于截斷或接通介質流。包括閘閥、截止閥、隔膜閥、 4 熱電站用安全閥 CAD 設計 旋塞閥、球閥和蝶閥等。 （2）調節(jié)閥類—主要用于調節(jié)介質的流量，壓力等。包括調節(jié)閥、節(jié)流閥 和減壓閥等。 （3）止回閥類—用于阻止介質倒流。包括各種結構的止回閥。 （4）分流閥類—用于改變灌錄中介質流動的方向，起分配，分離和混合介 質的作用。包括各種結構的分配閥和疏水閥等。 （5）安全閥類—用于超壓安全保護，排放多余介質，防止壓力超過規(guī)定數 值。包括各種類型的安全閥。 2.2.2 按主要參數分類 1. 按壓力分類 (1) 真空閥—工作壓力低于標準大氣壓的閥門。 (2) 低壓閥—公稱壓力 PN 450℃的閥門。 (2) 中溫閥 120℃ ≤t≤450℃的閥門。 (3) 常溫閥 -40'C≤t≤120℃的閥門。 (4) 低溫閥 -100℃ ≤t≤-40℃的閥門。 (5) 超低溫閥 t<-100℃的閥門。 3. 按閥體材料分類 (1) 非金屬材料閥門—如陶瓷閥門、玻璃鋼閥門、塑料閥門。 (2) 金屬材料閥門—如銅合金閥門、鋁合金閥門、鉛合金閥門、鈦合金閥 門、蒙乃爾合金閥門、鑄鐵閥門、鑄鋼閥門、低合金鋼閥門、高合金鋼閥門。 (3) 金屬閥體襯里閥門—如襯鉛閥門、襯塑閥門、襯搪瓷閥門。 4. 按公稱通徑分： (1) 小口徑閥門-- 公稱通徑 DN1200mm 的閥門。 5. 按與管道連接的方式分： (1) 螺紋連接閥門-- 閥體上帶有內螺紋或外螺紋，與管道采用螺紋連接。 5 西華大學畢業(yè)設計說明書 (2) 法蘭連接閥門-- 閥體上帶有法蘭，與管道采用法蘭連接。 (3) 焊接連接閥門-- 閥體上帶有焊口，與管道采用焊接。 (4) 對夾連接閥門-- 用雙頭螺栓將閥門連接在管道上的法蘭之間。 (5) 夾箍連接閥門-- 閥體上帶有夾口紋，與管道采用夾箍連接。 (6) 卡套連接閥門-- 采用卡套與管道連接。 2.2.3 通用分類法 這種分類方法即按原理、作用劃分，又按結構劃分，是目前國內、國際最 常用的分類方法。一般分為:閘閥、截止閥、旋塞閥、球閥、蝶閥、隔膜閥、止 回閥、節(jié)流閥、安全閥、減壓閥、疏水閥、調節(jié)閥。 2.3 國內閥門行業(yè)現狀 改革開放以來，我國閥門行業(yè)得到了快速發(fā)展，現己基本形成人才培養(yǎng)、 科學研究、產品開發(fā)設計和制造較為完善的體系，除少數的特殊閥門產品外， 現有的產品品種和數量基本能滿足國民經濟各部門的需要，但各類閥門的可靠 性和配套能力與國際水平仍有較大的差距。 2000 年全行業(yè)企業(yè)數 1308 個，其中合資企業(yè) 11 個。科研院所有機械工業(yè) 合肥通用機械研究、沈陽閥門研究所以及 12 個廠辦研究所，職工人數 18.5 萬 人，其中工程技術人數 9200 人。工業(yè)總產值 100 億，工業(yè)增加值 32 億，固定 資產原值 62.2 億，凈值 40.5 億，銷售收入 91.1 億，利稅總額 7.4 億，其中利 潤總額 2.3 億。全員勞動生產率 17297 元/人;主要出口值 1.5 億。機械系統(tǒng)閥 門協會會員企業(yè) 167 家，其中合資企業(yè) 5 個，科研院所 7 個。職工人數 8.5 萬 人，其中工程技術人員 5500 人。根據 1999 年協會會員廠資料統(tǒng)計，工業(yè)總產 值 42 億，工業(yè)增加值 9.7 億，固定資產原值 31.7 億，凈值 20.9 億，銷售收入 28.7 億，利稅總額 1.5 億，其中利潤總額 1958 萬。 國內閥門行業(yè)發(fā)展經過這些年的發(fā)展，已具有一定的優(yōu)勢，主要表現在以 下幾個方面: (1)我國閥門行業(yè)生產的品種規(guī)格大幅度增多; (2)改革開放以來，我們閥門行業(yè)引進大量設計制造技術，通過對引進技術 消化和借鑒合資企業(yè)的先進經驗，尤其是大幅度的采用國際和國外先進標準， 閥門行業(yè)己有 30 多家取得了工 509000 認證和 11 家取得了 AP 工認證，同時還 有十多家長期生產出口產品。我國閥門產品質量明顯提高，有的達到了發(fā)達國 6 熱電站用安全閥 CAD 設計 家水平; (3)通過“七五’ ， 、 “八五”的技術改造，閥門行業(yè)的技術裝備水平和生產 工藝也有較大提高和改善。不但降低了勞動強度，而且提高了零部件質量和勞 動效率; (4)目前閥門行業(yè)的技術標準體系己經比較完整，己有 184 項國家標準和行 業(yè)標準，有些主要基礎標準和產品標準己達到國際和國外先進水平; (5)閥門設計水平較過去有了較大的提高，基本實現了“三無”設計。 與國外閥門行業(yè)的差距： 國外的閥門產品在技術水平和質量方面優(yōu)于國內產品，我國閥門的生產和 技術水平與發(fā)達國家相比還有很大的差距，主要是在閥門設計水平和生產工藝 以及管理水平上主要表現在下述幾個方面： 1. 從勞動生產率比，按 1995 年資料，美國產值為 107 億美元，德國 79 億 馬克，法國 61 億法郎，日本 42 億美元。勞動生產率美國為 13.8 萬美元/人年， 德國 9.6 萬美元/人年，法國 8.8 萬美元/人年，日本 9.5 萬美元/人年。我國全 國平均只達 3 萬元人民幣/人年。 2. 從進出口來比，據資料稱，國際上各國出口閥門總額約 60 億美元。美 國出口 16.2 億美元，進口 16.8 億美元。德國出口 18.87 億美元，進口 11.32 億美元，日本出口 11.32 億美元，進口 4.03 億美元。我國 1996 年出口只有 1.264 億美元，進口 2.6 億美元。 3. 從產業(yè)結構和產品結構來比，發(fā)達國家的閥門廠，無論是生產品種、工 藝、規(guī)模都各有專長，其顯著特點是重復性很少。而國內行業(yè)廠家近 1500 家， 參加協會的 150 多家，絕大多數廠家都同時生產 Z41, J41 等普通閥門，裝備和 工藝也大同小異。而國家重大裝備需要的要求嚴，難度大的一些特殊閥門，基 本上依靠進口。行業(yè)的總體技術水平和質量水平一般，生產效率低，經濟效益 差?？梢?，我國閥門行業(yè)的生產和技術水平與發(fā)達國家相比還有很大的差距。 7 西華大學畢業(yè)設計說明書 3. 安全閥的設計與計算 3.1 安全閥主要零件選材 制造閥門零件材料很多，包括各種不同牌號的黑色金屬和有色金屬及其合 金、各種非金屬材料等。 制造閥門零件的材料要根據下列因素來選擇： 1. 工作介質的壓力、溫度和特性。 2. 該零件的受力情況以及在閥門結構中所起作用。 3. 有較好的工藝性。 4. 在滿足以上條件情況下，要有較低的成本。 3.1.1 閥體、閥蓋和閥板（閥瓣）的材料 閥體、閥蓋和閘板（閥瓣）是閥門主要零件之一，直接承受介質壓力，所 用材料必須符合“閥門的壓力與溫度等級”的規(guī)定。常用材料有下面幾種： （1） 灰鑄鐵：灰鑄鐵適用于公稱壓力 PN≤1.0MPa，溫度為－10℃～200℃ 的水、蒸汽、空氣、煤氣及油品等介質?；诣T鐵常用牌號為： HT200、HT250、HT300、HT350。 （2）可鍛鑄鐵：適用于公稱壓力 PN≤2.5MPa，溫度為－30～300℃的水、蒸 汽、空氣及油品介質，常用牌號有：KTH300—06、KTH330 —08、KTH350—10。 （3） 球墨鑄鐵：適用于 PN≤4.0MPa，溫度為－30～350℃的水、蒸汽、空 氣及油品等介質。常用牌號有：QT400—15、QT450— 10、QT500—7。 鑒于目前國內工藝水平，各廠參差不齊，用戶又往往不易檢驗。根據經 驗，建議 PN≤2.5MPa，閥門還是采用鋼制閥門為安全。 （4）耐酸高硅球墨鑄鐵：適用于公稱壓力 PN≤0.25MPa，溫度低于 120℃的 腐蝕 介質。 （5）碳素鋼：適用于公稱壓力 PN≤32.0MPa，溫度為－30～425℃的水、蒸 汽、空氣、氫、氨、氮及石油制品等介質。常用牌號有 WC1、WCB、ZG25 及優(yōu)質 鋼 20、25、30 及低合金結構鋼 16Mn。 （6）銅合金：適用于 PN≤2.5MPa 的水、海水、氧氣、空氣、油品等介質， 以及溫度－40～250℃的蒸汽介質，常用牌號為 ZGnSn10Zn2(錫青銅）， H62、Hpb59—1（黃銅）、QAZ19 —2、QA19—4(鋁青銅 )。 8 熱電站用安全閥 CAD 設計 （7）高溫銅：適用于公稱壓力 PN≤17.0MPA、溫度≤570℃的蒸汽及石油產 品。常用牌號有 ZGCr5Mo,1Cr5M0. ZG20CrMoV, ZG15Gr1Mo1V, 12CrMoV , WC6, WC9 等牌號。具體選用必須按照閥門壓力與溫度規(guī)范的規(guī)定。 （8）低溫鋼，適用于公稱壓力 PN≤6.4Mpa,溫度≥—196℃乙烯，丙烯，液 態(tài)天然氣，液氮等介質，常用牌號）有 ZG1Cr18Ni9 、0Cr18Ni9、 1Cr18Ni9Ti 、ZG0Cr18Ni9 （9）不銹耐酸鋼，適用于公稱壓力 PN≤6.4Mpa 、溫度≤200℃硝酸，醋酸 等介質，常用牌號有 ZG0Cr18Ni9Ti 、 ZG0Cr18Ni10 ，ZG0Cr18Ni12Mo2Ti 、ZG1Cr18Ni12Mo2Ti。 3.1.2 密封面材料 密封面是閥門最關鍵的工作面，密封面質量的好壞關系到閥門的使用壽命， 通常密封面材料要考慮耐腐蝕，耐擦傷，耐沖蝕，抗氧化等因素。 通常分兩大類： 1. 軟質材料 （1） 橡膠（包括丁睛橡膠，氟橡膠等）； （2） 塑料（聚四氟乙烯，尼龍等）。 2. 硬密封材料 （1） 銅合金（用于低壓閥門）； （2） 鉻不銹鋼（用于普通高中壓閥門）； （3） 司太立合金（用于高溫高壓閥門及強腐蝕閥門）； （4）鎳基合金（用于腐蝕性介質）。 3.1.3 閥桿材料 閥桿在閥門開啟和關閉過程中，承受拉、壓和扭轉作用力，并與介質直接 接觸，同時和填料之間還有相對的摩擦運動，因此閥桿材料必須保證在規(guī)定溫 度下有足夠的強度和沖擊韌性，有一定的耐腐蝕性和抗擦傷性，以及良好的工 藝性。 常用的閥桿材料有以下幾種。 1. 碳素鋼 用于低壓和介質溫度不超過 300℃的水、蒸汽介質時，一般選用 A5 普通碳 素鋼。 9 西華大學畢業(yè)設計說明書 用于中壓和介質溫度不超過 450℃的水、蒸汽介質時，一般選用 35 優(yōu)質碳 素鋼。 2. 合金鋼 用于中壓和高壓，介質溫度不超過 450℃的水、蒸汽、石油等介質時，一般 選用 40Cr（鉻鋼）。 用于高壓、介質溫度不超過 540℃的水、蒸汽等介質時，可選用 38CrMoALA 滲氮鋼。 用于高壓、介質溫度不超過 570℃的蒸汽介質時，一般選用 25Cr2MoVA 鉻鉬 釩鋼。 3. 不銹耐酸鋼 用于中壓和高壓、介質溫度不超過 450℃的非腐蝕性介質與弱腐蝕性介質， 可選用 1Cr13、2Cr13、3Cr13 鉻不銹鋼。 用于腐蝕性介質時，可選用 Cr17Ni2、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr18Ni12Mo3Ti 等不銹耐酸鋼和 PH15- 7Mo 沉淀硬化鋼。 4. 耐熱鋼 用于介質溫度不超過 600℃的高溫閥門時，可選用 4Cr10Si2Mo 馬氏體型耐 熱鋼和 4Cr14Ni14W2Mo 奧氏體型耐熱鋼。 3.1.4 閥桿螺母材料 閥桿螺母在閥門開啟和關閉過程中，直接承受閥桿軸向力，因此必須具備 一定的強度。同時它與閥桿是螺紋傳動，要求摩擦系數小，不生銹和避免咬死 現象。 1.銅合金 銅合金的摩擦系數較小，不生銹，是目前普遍采用的材料之一。對于 Pg<1.6Mpa 的低壓閥門可采用 ZHMn58-2-2 鑄黃銅。對于 Pg16-6.4Mpa 的中壓閥 門可采用 ZQAL9-4 無錫青銅。對于高壓閥門可采用 ZHAL66-6-3-2 鑄黃銅。 2.鋼 當工作條件不允許采用銅合金時，可選用 35、40 等優(yōu)質炭素鋼， 2Cr13、1Cr18Ni9、Cr17Ni2 等不銹耐酸鋼。 工作條件不允許指下列情況： 10 熱電站用安全閥 CAD 設計 1.用于電動閥門上，帶有瓜形離合器的閥桿螺母，需要進行熱處理獲得高 的硬度或表面硬度。 2.工作介質或周圍環(huán)境不適合選用銅合金時，如對銅有腐蝕的氨介質。 選用鋼制閥桿螺母時，要特別注意螺紋的咬死現象。 3.1.5 緊固件、填料及墊片材料 3.1.5.1 緊固件材料 緊固件主要包括螺栓、雙頭螺栓和螺母。緊固件在閥門上直接承受壓力， 對防止介質外流起關重要作用，因此選用的材料必須保證在使用溫度下有足夠 的強度與沖擊韌性。 根據介質壓力和溫度選擇緊固件材料時可按表 3-1 選擇。 表 3-1 緊固件材料選擇 選用合金鋼材料時必須經過熱處理。對緊回件有特殊耐腐蝕要求時，可選 用 Cr17Ni2、2Cr13、1Cr18Ni9 等不銹耐酸鋼。 3.1.5.2 填料材料 在閥門上，填料是用來充填閥蓋填料室的空間，以防止介質經由閥桿和閥 蓋填料室空間泄漏。 1、 對填料的要求 （1） 耐腐蝕性好，填料與介質接觸，必須能耐介質的腐蝕。 （2） 密封性好，填料在介質及工作溫度的作用下不泄漏。 （3） 摩擦系數小，以減小閥桿與填料間的摩擦力矩。 介 質 溫 度 （℃）公稱壓力 Pg (Mpa) 300 350 400 425 450 530 1.6-2.5 A3 35 30CrMoA _ 4.0-10.0 35 35CrMoA 25Cr2MoVA 螺栓 雙頭 螺栓 16.0-20.0 30CrMoA 35CrMoA 25Cr2MoVA 1.6-2.5 A3 30 35 _ 4.0-10.0 30 35 35CrMoA 螺母 16.0-20.2 35 35CrMoA 11 西華大學畢業(yè)設計說明書 2、 填料的種類 填料可分為軟質填料及硬質填料兩種： （1）軟質填料：系由植物質，即大麻、亞麻、棉、黃麻等，或由礦物質， 即石棉纖維或由石棉纖維內夾金屬絲和外涂石墨粉等編織的線繩，也有壓成的 成型的填料，以及近年來新發(fā)展的柔性石墨填料材料。植物質填料較便宜，常 用于 100℃以下的低壓閥門；礦物質填料可用于 450-500℃的閥門。 近年來使用橡膠 O 型圈做填料的結構在逐步推廣，但介質溫度一般限制在 60℃以下。高溫高壓閥門上的填料也有采用純石棉加片狀石墨粉壓緊而成的。 （2）硬質填料：即由金屬或金屬與石棉、石墨混合而成的填料以及聚四氟 乙烯壓合燒結而成型的填料，金屬填料使用較少。 （3） 填料的選擇 選擇填料要根據介質、溫度和壓力來選擇，常用的材料有以下幾種： 1） 油浸石棉繩，可按表 3-2 選擇。 2） 橡膠石棉繩：可按表 3-3 選擇。 3） 石墨石棉繩：石棉繩上涂有石墨粉，可用溫度 450℃以上，壓力可以 達到 16Mpa，一般適用于高壓蒸汽上。近后來又逐步采用了壓成人字型填料， 單圈放置，密封性好。 4） 聚四氟乙烯：這是一種目前使用較廣的一種填料。特別適用腐蝕性介 質上，但溫度不得起過 200℃。一般采用壓制或棒料車制而成 表 3-2 油浸石棉繩材料填料表 名 稱 牌 號 形 狀 規(guī) 格 （直徑或方形邊長） 適用極限 壓力 kgf/cm2 適用極限 溫度 （℃） 用途 F 3.4.5.6.8.10 13.16.19.22.25 Y 5.6.8.10.13 16.19.22.25 油 浸 石 棉 繩 YS450 N 3.5.6.8.10.13 16.19.22.25 60 450 用于 水蒸 氣、 空氣、 12 熱電站用安全閥 CAD 設計 YS350 F、 Y、 N 3.5.6.8.10.13 16.19.22.25. 45 350 YS250 F、 Y、 N 3.5.6.8.10.13. 16.19.22.25 45 250 石油 產品 注：形狀代號 F 表示方的，穿心或一至多層編結；Y 表示圓的，中間是一扭制芯子，外 邊是一至多層編結；N 表示扭制的。 表 3-3 橡膠石棉繩材料填料表 名 稱 牌 號 規(guī) 格 （直公式或方形邊 長） 適用極限壓 力 kgf/cm2 適用極限溫 度 （℃） 用 途 XS450 60 450 XS350 45 350 橡膠 石棉 盤根 XS250 3 . 4 . 5 . 6 . 8 10 . 13 . 16 . 19 22 . 25 . 28 45 250 用于蒸 汽 、石油 產 品 3.1.5.3 墊片材料 墊片是用來充填兩個結合面（如閥體和閥蓋之間的密封面）間所有凹凸不 平處，以防止介質從結合面間泄漏。 1、對墊片的要求 墊片材料在工作溫度下具有一定的彈性和塑性以及足夠的強度，以保證密 封。同時要具有良好的耐腐蝕性。 2 . 墊片材料的種類和選擇 墊片可分為軟質和硬質兩種，軟質一般為非金屬材料，如硬紙板、橡膠、 石棉橡膠板，聚四氟乙烯等。硬質一般為金屬材料或者金屬包石棉、金屬與石 棉纏繞的等。 13 西華大學畢業(yè)設計說明書 墊片的形狀有很多，有扁平的、圓形的、橢圓形的、齒形的、透鏡式的以 及其他特殊形狀的。 金屬墊片的材料一般用 08、10、20 優(yōu)質碳素鋼和 1Cr13、1Cr18Ni9 不銹鋼， 加工精度和表面光潔度要求較高，適用于高溫高壓閥門。 非金屬墊片材料一般塑性較好，用不大的壓力就能達到密封。適用于低溫 低壓閥門。 墊片材料可按表 3-4 選擇。 表 3-4 不同材料墊片的適用介質及應用范圍 應用范圍墊 片 材 料 介 質 壓力 （Mpa） 溫度（℃） 厚紙板 水、油類 ≤10 40 油浸紙板 水、油類 ≤10 40 橡膠板 水、空氣 ≤6 50 石棉板 蒸汽、煤氣 ≤6 450 聚四氟乙烯 腐蝕性介質 ≤25 200 橡膠石棉板 XB-450 水蒸汽、空氣、煤 氣 ≤60 450 XB-350 水蒸汽、空氣、煤 氣 ≤40 350 XB-200 水蒸汽、空氣、煤 氣 ≤15 200 耐油橡膠石棉板 油類 160 30 08 鋼與 XB-450 充填 蒸汽 100 450 08 鋼與 XB-350 充填 蒸汽 40 350 1Cr13、0Cr13 石棉充 填 蒸汽 100 600 08 鋼與耐油橡膠石棉 充填 油類 100 350 銅 水蒸汽、空氣 100 250 鋁 水蒸汽、空氣 64 350 10 鋼、20 鋼 水蒸汽、油類 200 450 1Cr13 蒸汽 200 550 1Cr13Ni9 蒸汽 200 600 依據以上原則選取的安全閥的主要零部件的材料如下： 14 熱電站用安全閥 CAD 設計 表 3-5 安全閥主要零件的選材 零件代號 零件名稱 零件材料 A8125.1101 下 閥 體 12Cr1Mov A8125.1102 閥 瓣 12Cr1Mov A8125.1103 閥 桿 20Cr1Mo1v1A A8125.1104 閥瓣螺母 25Cr2Mo1vA A8125.1105 閥 座 12Cr1Mov A8125.1106 上 閥 體 2Si5CrMov A8125.1107 閥 蓋 12Cr1Mov A8125.1108 緩 沖 室 2Si5CrMov A8125.1109 螺 母 套 2Cr13 A8125.1110 上 閥 桿 20Cr1Mo1v1A A8125.1111 彈 簧 60Si2MnA A8125.1112 緩沖活塞 3Cr13 A8125.1113 緩沖室蓋 25 A8125.1114 墊 圈 2Cr13 A8125.1115 壓緊螺母 2Cr13 A8125.1116 螺 栓 20Cr1Mo1v1A A8125.1117 活 塞 2Cr13 A8125.1118 銘 牌 L2 A8125.1119 擋 銷 35 A8125.1120 墊 圈 25 A8125.1121 碟形彈簧 60Si2MnA A8125.1122 活 塞 套 2Cr13 A8125.1123 小壓板 35 A8125.1124 螺 栓 30CrMoA A8125.1125 小 彈 簧 65Mn A8125.1126 管 接 頭 35 A8125.1127 填料壓蓋 35 A8125.1128 連接螺母 25Cr2MoVA A8125.1129 防松墊圈 1Cr18Ni9Ti A8125.1130 壓 板 12Cr1Mov A8125.1131 墊 圈 1Cr18Ni9Ti A8125.1132 活 塞 套 2Cr13 GB71-85 螺釘 M6×10 35 TM1032- 88（170） 齒形襯墊 25 GB898- 88（M36） 雙頭螺栓 25 GB93-85（10） 墊 圈 65Mn 15 西華大學畢業(yè)設計說明書 注：其他 GB 標準件和 DG 廠家標準件分別按國標和廠家標準選用，在此不再 贅述。 3.2 閥門主要參數設計計算 閥門參數說明如表 3-6 表 3-6 閥門參數表 參數 符號 數值 適用介質 蒸汽 工作壓力 P 17～20MPa 工作溫度 F 555.C 開啟高度 h 20mm 閥座當量內徑 d 82.5mm 排氣常數 c 0.33 配管尺寸 Φ Φ234mm 公稱通徑 DN 176—250mm 安全閥設計包括了閥體厚度、閥體密封面上總作用力及計算比壓、閥瓣密 封面總作用力及計算比壓、圓周力的計算。 3.2.1 閥體厚度 閥體分了三種類型： 鋼及合金鋼閥體（圓形） 、鑄鐵閥體（圓形） 、鑄鐵閥體（橢圓形） 。 計算鋼及合金鋼閥體（圓形）閥體厚度和鑄鐵閥體（圓形）閥體厚度時不 輸入圖示 a 。 計算鑄鐵閥體（橢圓形）閥體厚度是不輸入計算內徑 Dn 。 注：表中所指查表都是指陸培文所著《實用閥門設計手冊》中對應的表，即參考文獻 [2]。 表 3-7 厚度計算（鋼及合金鋼閥體） 序號 名稱 公式或索引 單位 1 計算壓力 p PN 設計給定 MPa 2 計算內徑 Dn 設計給定 mm 16 熱電站用安全閥 CAD 設計 3 許用拉應力 [σL] 查表 3-3（或 表 3-5） MPa 4 腐蝕余量 C 設計給定 mm 5 圖示 a 設計選定 mm 6 實際厚度 SB 設計選定 mm 7 計算厚度 SB' [P×Dn / (2.3×[σL] – p)]+C mm 注：1、SB≥ SB'，為合格。 2、管路附件壓力-溫度額定值是根據材料相應溫度下的許用應力而制定的， 故不進行高溫核算。 通過計算我們我們確定壁厚為 25mm 的橢圓形閥體，如圖 3.1，引自參考文 獻[2]。 圖 3.1 鑄鐵閥體 圖 3.2 橢圓形截面閥體 17 西華大學畢業(yè)設計說明書 帶防轉鍵手輪總轉矩及圓周力 表 3-8 總轉矩及圓周力 序號 名稱 公式或索引 單位 1 關閉時總轉矩 Mε′ MFL′+M TJ (不帶滾珠軸承)M FL′+M KZ（帶滾珠軸承） N·mm 2 開啟時總轉矩 Mε″ MFL″+M TJ′ (不帶滾珠軸承) MFL″+M KZ（帶滾珠軸承） N·mm 3 MFL′ 表 5-96 序號 20 N·mm 4 閥桿 螺母 凸肩 摩擦 力矩 MFL″ 表 5-96 序號 21 N·mm 5 閥桿 螺母 摩擦 力矩 MTJ 表 5-139 序號 20 N·mm 3.2.2 閥體密封面上總作用力及計算比壓 表 3-9 密封面上總作用力及計算比壓（M1） 序號 名稱 公式或索引 單位 1 密封面上總作用力 Q MZ QMJ+QMF N 2 密封面處介質作用力 Q MJ ((DMN+bM)2) ×p×π/4 N 3 密封面內徑 D MN 設計給定 mm 4 密封面寬度 b M 設計給定 mm 5 計算壓力 p PN 設計給定 MPa 6 密封面必需比壓 q MF 查 表 3-10 MPa 7 密封面上密封力 Q MF (DMN+bM) π×b M×qMF N 8 密封面計算比壓 q QMZ / [π(D MN+bM) ×b M] MPa 9 密封面許用比壓 [q] 查 表 3-11 MPa 注：q MF<=q<=[q]，為合格。 18 熱電站用安全閥 CAD 設計 圖 3.3 平面密封 3.2.3 閥瓣密封面總作用力及計算比壓 表 3-10 封面總作用力及計算比壓 序 號 名稱 公式或索引 單位 1 密封面上總作用力 QMZ QMF+QMJ N 2 密封面上密封力 QMF 表 5-78 序號 7 N 3 密封面處介質作用力 QMJ [( (DMN+bM)2 ) -dF×dF] ×p×π/4 N 4 密封面內徑 D mn 設計給定 mm 5 密封面寬度 b M 設計給定 mm 6 閥桿直徑 d F 設計給定 mm 7 計算壓力 p 設計給定 MPa 8 密封面計算比壓 q QMZ / [π(D MN+bM) ×bM] MPa 9 密封面必需比壓 qMF 查表 3-10 MPa 10 密封面許用比壓 [q] 查表 3-11 MPa 注：q MF<=q<=[q]，為合格。 19 西華大學畢業(yè)設計說明書 圖 3.4 帶有卸壓的平面密封結構 根據以上原則，查手冊并計算得出安全閥主要外形連接尺寸如下表： 表 3-11 安全閥主要外形連接尺寸 主要結構尺寸 (mm) 型號 公稱 通徑 DN (mm) L H D1 D2 D’ D” DI Z-d 流通 面積 (cm2) 重量 (kg) 備注 A69Y- P55。5 17V 125 660 1576 380 320 180 127 123 12- φ34 53.46 574 300MW 3.3 安全閥的結構設計 3.3.1 安全閥設計的基本項目 安全閥作為管道系統(tǒng)中的一個重要組成部分，應保證安全可靠的執(zhí)行管道 系統(tǒng)對截止閥提出的使用要求。因此，截止閥設計必須滿足工作截止閥的壓力、 溫度、腐蝕、流體特性及其操作、制造、安裝、維修等方面對安全閥提出的全 部要求。 安全閥設計不許明確給定的技術數據，即“設計輸入” ，在此基礎上方可完 成設計。 安全閥“設計輸入”必須具備的基本數據： 1. 安全閥的用途或種類； 2. 介質的工作壓力； 20 熱電站用安全閥 CAD 設計 3. 介質的工作溫度； 4. 介質的物理、化學性能（腐蝕性、易燃易爆性、毒性、物態(tài)等） ； 5. 公稱通徑； 6. 結節(jié)長度； 7. 與管道的連接形式； 截止閥的操作方式在截止閥技術的工作圖設計時應當掌握的數據和技術要 求有： 1. 安全閥的流通能力和流體阻力； 2. 安全閥啟閉速度和啟閉次數； 3. 驅動裝置能源特性（交流電或直流電，電壓，空氣壓力等；） 4. 外形尺寸的限制； 5. 重量的限制； 6. 抗地震要求。 3.3.2 安全閥閥體的結構設計 由于閥門有多種類型，同類型的閥門結構形式又分成許多類別，因此，閥 體的形狀千變萬化。盡管如此，由于閥體在受力和功能面基本相似，故在結構 上也有共性，在此將重點介紹閥體結構設計中最具代表性的閥門閥體和閘閥閥 體的結構設計。 截止閥閥體結構設計的原則適用于節(jié)流閥、調節(jié)閥、安全閥、減壓閥、柱 塞閥以及止回閥等閥體的結構設計。 1. 閥體的流道 截止閥閥體的流道可分為直通式、直角式和直流式三種，如圖 3.5（5- 229）所示： 21 西華大學畢業(yè)設計說明書 圖 3.5 閥體的流道形式 a)直通式 b)直角式 c)直流式 閥體流道設計的原則如下： 閥體端口必須為圓形，介質流道應盡可能設計成直線形或流線型，盡可能避免 介質流動方向的突然改變和通道形狀和截面積的急劇變化，以減少流體阻力， 腐蝕和沖蝕。 （1） 在直通式閥體設計時應保證通道喉部的流通面積至少等于閥體端口的 截面積。 （2） 閥座直徑不得小于閥體端口直徑（公稱通經）的 90%。 （3） 直流式閥體設計時，閥瓣啟閉軸線（閥桿軸線）與閥體流道出口端軸 線的夾角通常為 45—60 度。 2. 閥體的結構 （1） 鑄造閥體 鑄造閥體圖 3.6（圖 5-230）是目前應用最廣泛的一種結構 形式。其最大優(yōu)點是通過鑄造件造型，既能夠達到所要求的合理的幾何形狀， 特別是流道形狀，又可少受重量方面的限制。 圖 3.6 鑄造閥體圖 （2）鍛造閥體 鍛造閥體一般都用于小口徑閥門，特別是用于公稱通經小于 或等于 50mm 的高溫、高壓閥門。 （3）鍛焊與鑄焊閥體 若鍛造重量受到限制或由于工藝上的原因，可以考慮 采用這種形式。 （4）焊接閥體 焊接閥體有鋼管焊接和鋼板焊接兩種。這種結構既接受材料 又能獲得理想流道。對于清潔要求較高的大口徑閥門，這種結構也是比較理想 的。 3.4 安全閥閥體與閥蓋連接形式的設計 閥體與閥蓋的連接形式有螺紋連接、法蘭連接、夾箍連接、焊接連接、自 22 熱電站用安全閥 CAD 設計 動緊式密封結構的連接。 1. 螺栓的間距 螺栓的最小間距應滿足扳手操作空間的要求。 2 .法蘭密封面形式 根據法蘭密封面形式，可分為光滑式、凹凸式、梯形槽式、透鏡墊式分別 采用平墊片、纏繞式墊片、橢圓形墊片、透鏡墊、金屬環(huán)墊片等密封。 3. 自緊密封工作原理及應用范圍 表 3-12 閥體與閥蓋的連接形式 連接方式 簡圖 特點 應用范圍 螺紋連接 螺紋連接可分為內 羅紋和外螺紋兩種。其 結構簡單，緊湊；但螺 紋易銹蝕，且銹蝕后拆 卸困難 用于低 壓，較小 口徑截止 閥 法蘭連接 法蘭通常是與殼體 制成一體的，法蘭連接 結構雖然尺寸較大，但 拆卸方便，密封可靠 用于 各種壓力 的大小口 徑的截止 閥 夾箍連接 是一種不帶法蘭的 連接。夾箍連接用的螺 栓僅有二個，因此裝卸 方便，可以實現快速裝 卸。而且比法蘭結構緊 湊，但結構較復雜，加 工困難，因此這種形式 很少采用 用于 中、高壓， 中、大口 徑的截止 閥 23 西華大學畢業(yè)設計說明書 焊接連接 是一種不可拆卸的 連接，連接密封可靠， 但截止閥內件損壞，導 致內漏時，無法拆卸進 行維修 適用 于對密封 性要求嚴 格，而不 需經常拆 卸的場合 自緊式密 封結構的 連接 利用介質自身的壓 力來達到密封的目的， 因此介質壓力越高，密 封效果越好 適用 于高溫、 高壓截止 閥 結構設計主要結果如下： 1.整個閥門由上閥體、下閥體及緩沖室組成，閥門進口為焊接連接，出口 為法蘭連接； 2.閥瓣內平面倒密封結構，密封面堆焊硬質合金，硬度高，抗沖刷性強； 3.閥瓣開啟靠脈沖閥來的汽源推動活塞，關閉靠彈簧及介質作用力； 4.上閥體與緩沖室之間采用中法蘭密封結構； 3.5 安全閥關閉件的密封結構的設計 安全閥的密封件主要分為： 1. 平面密封—便于加工、研磨和修復、應用廣泛。 2. 錐形密封—通常適用于高壓小口徑的場合。為避免卡住，密封面錐角一 般不小于 90。 3. 彈性密封—其閥瓣帶有彈性密封唇。作用在密封唇上的介質壓力起到一 定的壓力密封作用。由于密封唇較薄、熱傳導較快，故密封面前后的溫差較小； 當發(fā)生微泄露時，由于介質膨脹降溫而產生的溫差也較小。從而減小了溫差變 形，提高了在高溫條件下的密封性。 4. 雙密封面彈性密封--同上。其閥瓣密封面被一個環(huán)形槽分割為兩部分， 外側部分與閥座密封面成一個小的傾角，或者被適當磨低一些。內側密封面起 密封作用，而外側密封面起保護內側密封面作用。 24 熱電站用安全閥 CAD 設計 5 .軟密封之一—閥座密封面由壓入閥座的氟塑料等彈性非金屬材料構成， 閥瓣密封面為刀形金屬密封面。 6 .軟密封之二—閥座為刀形或平面形金屬封面，彈性非金屬材料的密封圈 嵌入閥瓣槽內并用壓緊墊圈固定。 25 西華大學畢業(yè)設計說明書 4 閥門驅動裝置的選擇 閥門驅動方式的選擇 選用依據： （1）閥門的形式、規(guī)格與結構。 （2）閥門的起閉力矩、推力。 （3）最高環(huán)境溫度與流體溫度。 （4）啟閉速度與時間。 （5）閥桿直徑、螺距、旋轉方向。 4.1 閥門手動裝置 4.1.1 手輪 1. 手輪材料 手輪可采用可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵或鋼、也有采用鋁合金或塑料等材料。 2 .手輪直徑 手輪直徑按下式確定： Dn=2∑M/Q （4- 1） 式中 Dn--------手輪直徑（mm） ∑M-------閥桿上的最大力矩（N·mm） Q-----------手輪上的圓周力（N） 3. 手輪旋向 關閥：順時針；關閥：逆時針 4.1.2 遠距離操縱手動裝置 遠距離操縱手動裝置是用機械手段克服由于閥門安裝位置限制帶來的操作 不便而采用的一種裝置。該裝置可以配合手動閥門安裝，也可以配合電動閥門 安裝，通常在閥桿頂部采用方向聯軸節(jié)過渡。 4.1.3 齒輪傳動手動裝置 26 熱電站用安全閥 CAD 設計 齒輪傳動手動裝置分兩種，一種是在閥門支架上設置齒輪減速機構，一種 是齒輪減速箱式手動裝置。前者大多為一級齒輪減速，后者又可分為多回轉手 動裝置。 減速箱式手動裝置設有開度指示和調整機構。手動裝置與閥門