美标工业用栓接闸阀设计方法

朱东升 徐维普

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（1、南通市电站阀门有限公司，江苏 226572；2、上海市特种设备监督检验技术研究院，

上海，200333）

摘要:介绍了API 600美标工业用闸阀的设计思路，结合18″300Lb闸阀详细阐述了阀门设计时各参数的确定思路、具体方法和注意事项。

关键词：闸阀；美标；栓接；API 600；设计

Design of American standard bolted gate valves used in industry

Zhu dongsheng1 Xu weipu2

(1、Nantong Power-station Valve Co.,Ltd,Rugao 226572,Jiangsu ,China；2、Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Station, Shanghai 200333) Abstract：The paper Introduce the API 600 industrial design idea of gate valve. American standard combined with 18\"-300 lb gate valve design were introduced in detail, to determine the parameters when the train of thought, concrete methods and matters needing attention. Keywords：gate valve; American standard; bolted; API 600; design

1 我国阀门行业现状

随着中国制造业的发展，各行业早已不再满足于技术含量不高的代加工，纷纷组建自己的研发团队，而中国的阀门行业经过多年的发展，企业数量已跃居世界第一，各种大小阀门企业约6000余家，为响应制造业转型升级、制造具有企业自身特色的产品、打造自己的品牌均离不开研发团队，因而市场对阀门研发人员的需求在不断增长，必将吸引更多的新人进入阀门研发这个行业，作为一名阀门企业从事研发工作多年的技术人员，在此就美标栓接闸阀为例分享一下自己的设计经验。

与制造受到严格的标准控制；我们都知道设计是源头，而风险控制必须从源头开始，作为一名承压设备研发工作者必须时刻遵守一条根本的设计理念：符合相关标准是大前提，其次综合考虑制造性及产品成本，因而阀门设计并非天马行空随意为之，许多参数都有相关标准限定。在着手开展具体型号产品的设计之前，应根据所需设计的产品判断其主要依据的设计标准，并熟悉相应标准，这就要求阀门设计者不断提高对国内外阀门设计标准的掌握度，如要求设计一套美标工业用栓接闸阀时，首先必须判定其设计主依据标准为由美国石油学会颁发的标准：API 600，掌握标准中对哪些参数做出了明确规定，并根据设计时的需求翻阅相关参照标准；以下以美标API 600手动栓接闸阀18″300Lb为例，阐述一个产品的具体设计思路。

2 阀门设计理念

阀门作为承压设备的一种，承载一定的压力，其内部和外部的压力差具有潜在的危险，在承压设备的发展历史上，许多安全事故都因为设计、制造和使用不当而发生，因此其设计

第一作者简介：朱东升(1984.11-)，男，学士，研发工程师，主要从事各种工业类阀门研发。 1 / 5

3 阀门设计思路及注意事项

设计遵守先有装配图再有零部件图的原则，而一套阀门装配图的生成顺序通常按：自中心到左右、自下而上，按此设计步骤我们首先需确定阀门的通道内径尺寸，根据API 600中5.3.3.1条的规定查阅ASME B16.34附表A-1得到18″300Lb阀门的最小通道直径为φ431.8mm，圆整为φ432mm，根据最小通道尺寸结合中国标准出版社出版，陆培文、高凤琴主编的第二版阀门设计计算手册（以下简称阀门计算手册），按阀门计算手册表3-15密封面计算比压的公式反推密封面的宽度。依据：密封面必须比压≤密封面计算比压≤密封面许用比压的原则确定密封面宽度范围[5]

。由于密封面较宽时阀门启闭力矩大，而密封面较窄时密封面寿命短，依据以上原因，设计时我们通常取中间值，得出密封面宽度为6mm；根据API 600中5.6条的规定选取一体楔式弹性闸板结构，楔角选取较常规的单边5°。按阀门计算手册表3-41单闸板单面强制密封闸板厚度计算式反推闸板厚度，取闸板最小厚度61mm。在API 600的5.6.5条中对闸板的最小磨损行程做出了详细规定，查API 600表4可得18″-300Lb闸板最小磨损行程为9.7mm。结合以上数据绘制该型号阀门图纸可得出如下图1所示的结构图。

图1 阀座结构图

由上图可见，闸板上半部分结构仍未完

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成，此时需要结合阀杆来确定其尺寸，根据API 600中5.及表5的规定，选取阀杆直径为2英寸（φ50.8mm）。然后结合阀门计算手册表3-29闸阀阀杆头部强度验算式，确定阀杆头部尺寸及闸板T型槽尺寸，至此已完成阀芯部分的结构图，见下图2所示： 图2 阀芯结构图

在后续的结构布置中可以看出，阀芯部分结构布置完成后该阀门的其余零部件尺寸将大多受阀芯尺寸的，阀芯是一套阀门构建的源头，是重中之重。后续其它零部件的构造都将围绕着阀芯展开，假设你在完成一套阀门结构的构建后发现阀芯部分需要修改，那你将非常可能需要修改整套产品结构图。因而，为更高效的完成一套高品质的产品结构图的布置，正确合理的确定阀芯结构和尺寸至关重要。

按照自中心到左右、自下而上的顺序，我们将开始布置阀体的结构图，根据API 600中5.3条的规定，阀门结构长度按标准ASME B16.10的规定执行、阀门端部为法兰连接时按标准ASME B16.5的规定执行。阀门端部为对焊端连接时按标准ASME B16.25的规定执行。通过翻阅以上标准可确定阀体左右端尺寸。根据API 600中5.1条的规定查表1得阀体最小壁厚为25.4mm。综合以上数据完成阀

体左右端尺寸图，此时需要注意闸板在全关位置到阀体底部的距离不得小于最小磨损行程并留有一定的余量，以阀门端部为法兰连接型式为例绘制图纸，见下图3所示：

图3 阀体结构图

至此整套阀门左右结构已布置完成，后续开始按自下而上的原则布局，由图3可见下一步需要确定阀体的中腔尺寸，而阀体的中腔内径尺寸需根据闸板和阀座尺寸来确定，以确保

闸板和阀座可以顺利的装配、闸板可上下运动为准。通过绘制闸板、阀座俯视最大截面图和阀座装配演示图可设定和验证阀体中腔内径尺寸，见下图4所示：

闸板俯视最大截面图阀座俯视最大截面图图4

阀座装配演示图

阀体中腔内径取闸板、阀座俯视最大截面圆直径的较大值，并预留一定的空间余量，由上图4得出18″-300Lb阀体中腔最小内径可定为φ536mm。为了确定整个阀体的结构尺寸，我们需要设计阀体中法兰的尺寸。中法兰确定需要的参数有：中法兰厚度、螺栓孔分布圆直径、螺栓孔直径、螺栓数量等。对于刚开始设计阀门的技术人员来说，这些参数的预设定是比较困难的。

在此跟大家分享一下本人一个较简单的

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方法：根据阀体中腔内径值预定螺栓孔分布圆直径，再查ASME B16.5中同压力级法兰尺寸的螺栓孔分布圆直径值中最接近预定值的法兰尺寸，将其初定为中法兰尺寸。再根据阀门计算手册表3-57、表3-58、表3-59、表3-71验算中法兰螺栓强度及阀体中法兰强度，根据计算结果调整设计给定参数直至所有验算合格，据此绘制阀体结构图。再根据阀体的整体结构按需求设置加强筋、按ASME B16.34图1设置辅助连接凸台，见下图5所示：

图5 带辅助连接结构图

在图5的基础上继续向上布置阀门的阀盖结构。阀盖壁厚与阀体壁厚相同，阀盖中法兰尺寸基本同阀体中法兰尺寸，仅注意设计一下阀盖的止口尺寸。需要注意的有三点，第一，填料函处壁厚应符合API 600表2的规定；第二，在API 600中5.6.2条明确规定阀门在全开启状态时，闸板必须全部脱离开阀座通道，这就要求在布置阀盖倒密封位置时考虑此要求；第三，验证阀门在全开位置时，阀盖部分可容闸板通过。其余加强筋及辅助连接凸台的设计原理同阀体，阀盖强度的验算按阀门计算手册表3-80蝶形开孔阀盖强度验算式，综合以上，阀盖布局见下图6所示：

图6 阀盖图

图6所示标注尺寸475为阀门的启闭行程，449为闸板完全离开阀座通道所需的行程，可见上密封座的高度设计合理，满足标准对阀门全开位置时闸板完全脱离阀座通道的要求。 4 / 5

由于该阀门为较大口径阀门，一体式阀盖结构尺寸较大，铸造和机加工均较困难，故设计为两段式，即阀盖加支架的结构。阀盖与支架连接部分尺寸根据阀门计算手册表3-87两段支架阀盖平板部分弯曲验算式推算，支架加强筋根据阀门计算手册表3-88两段支架T形

加强筋支架部分强度验算式推算。根据计算结果调整设计给定参数直至验算结果为合格，并完成支架结构图的绘制，至此该规格的阀门结构图已大体完成。

其余需要注意的有：在设计阀杆时需要注意API 600中5.8.13条规定了阀门在关闭时阀杆的螺纹露出阀杆螺母之外的最小长度、检查阀杆梯形螺纹在全关时是否进入填料部位、验证阀杆的梯形螺纹在阀门全开时是否仍有余量、阀杆与阀杆螺母的旋合长度不得低于1.5倍的阀杆直径等。

其余细小零件的设计具有较大的随意性，按照满足产品性能、成本最低的原则进行设计即可，在此不再细述，综合以上，绘制该产品结构图，见下图7所示：

图7 成品结构图

4 结语

一个产品装配图完成后，接下来需要分解装配图，分解过程中还有许多要学习的东西，例如：哪些尺寸需要严格控制时需标注公差、零件各部位的粗糙度、配合尺寸的配合公差、

各零部件的使用材料等，工艺方面也需要掌握：铸造工艺、机加工工艺、热处理工艺和焊接工艺，一个产品设计的再完美，若无法制造就没有意义，这些知识和经验都需要在工作中不断的学习和积累。

参考文献

1、API 600,Steel Gate Valves-Flanged and Butt-welding Ends,Bolted Bonnets[S]. 2015. 2、ASME B16.34,Valves-Flanged,Threaded,and Welding End[S].2013. 3、ASME B16.5,Pipe Flanges and Flanged Fittings[S].2013

4、ASME B16.10,Face-to-Face and End-to-End Dimensions of Valves[S].2009 5、陆培文，高凤琴.阀门设计计算手册[M].北京：中国标准出版社，2009.

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