之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹美標(biāo)閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變化解讀了API 6D和ASME B16.34新版中閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變化。提出了閥體按照ASME第Ⅷ卷鍋爐壓力容器的規(guī)定進(jìn)行應(yīng)力分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理念。 1、美標(biāo)閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變化概述
美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 6D 和美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASME B16. 34 是閥門設(shè)計(jì)中常用的標(biāo)準(zhǔn)，為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的需要，標(biāo)準(zhǔn)在不斷的更新，本文主要解讀API 6D - 2008 和ASME B16. 34- 2009 標(biāo)準(zhǔn)的變化。
2、美標(biāo)閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變化API 6D -2008 分析
ANSI /API 6D -2008( 第23 版) 一個(gè)重大的變化是在第7. 1 節(jié)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法中規(guī)定，承壓元件的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法應(yīng)按照上認(rèn)可的設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，同時(shí)考慮到管子負(fù)荷，操作力等等。標(biāo)準(zhǔn)的選用按協(xié)議規(guī)定。同時(shí)注明，上認(rèn)可的設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，例如ASME 第Ⅷ卷的*冊(cè)或第二冊(cè)、ASME B16. 34、EN12516 -1 和EN13445 -3。與第22 版比較，第23 版中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)除保留了ASME B16. 34 之外，還增加了上認(rèn)可的規(guī)范，ASME 第Ⅷ卷*冊(cè)或第二冊(cè)、EN12516 - 1 和EN13445 - 3。這些標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范是完整的，各自獨(dú)立的，賣方可以自選一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閥門設(shè)計(jì)，買方也可以要求按某一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。例如殼牌公司在閥門采購中明確規(guī)定，產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以按照ASMEB16. 34，或者ASME 第Ⅷ卷*冊(cè)或ASME 第Ⅷ卷第二冊(cè)。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥API 6D 第23 版標(biāo)準(zhǔn)作出修訂的原因是其分體式和上裝式球閥的結(jié)構(gòu)型式( 圖1) 不符合ASMEB16. 34 中關(guān)于閥體頸部zui小壁厚( 圖2) 的規(guī)定，是一種無閥頸的結(jié)構(gòu)。增加ASME 第Ⅷ卷*冊(cè)或第二冊(cè)是將閥體看作為鍋爐或壓力容器的一個(gè)筒體來考慮。按照第Ⅷ卷的規(guī)范計(jì)算，彌補(bǔ)了分體式球閥閥體結(jié)構(gòu)和上裝式閥體結(jié)構(gòu)與ASME B16. 34 的不一致。
API 6D 定義的球閥( a) 分體式( b) 上裝式圖1 API 6D 定義的球閥 
3、ASME B16. 34 -2009 分析
為了使ASME B16. 34 標(biāo)準(zhǔn)適用于API 6D，在ASME B16. 34 - 2009 的第6. 1. 2( C) 節(jié)中規(guī)定，對(duì)于多段閥體結(jié)構(gòu)的閥門，如三段式球閥( 圖3) ，其中閥體是由主閥體和附屬于它的兩個(gè)左、右閥體構(gòu)成的。對(duì)于兩個(gè)左、右閥體，其內(nèi)徑d 值應(yīng)符合6. 1. 2( a) 節(jié)的要求( 注: 即按流道的zui小直徑選取zui小壁厚) 。對(duì)于主閥體，其內(nèi)徑d 值應(yīng)是主閥體的內(nèi)徑。如果主閥體上有軸向孔，無論是直通的或者螺紋的盲孔，孔兩側(cè)壁厚應(yīng)滿足規(guī)定尺寸的要求( 圖4) 。
ASME B16. 34 標(biāo)準(zhǔn)的這些規(guī)定在閥門制造企業(yè)無法執(zhí)行，因?yàn)橹鏖y體的實(shí)際壁厚是按舊標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)壁厚的1. 5 倍。舊標(biāo)準(zhǔn)閥體的d 值是指閥門流道的直徑，而主閥體內(nèi)徑近似是流道直徑的1. 5 倍。歐洲很多閥門公司不執(zhí)行這一規(guī)定，而另有自己的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN12516 -2《工業(yè)閥門- 殼體設(shè)計(jì)強(qiáng)度第2 篇: 鋼制閥門殼體的計(jì)算方法》等。ASME B16. 34 定義的閥頸厚度圖2 ASME B16. 34 定義的閥頸厚度 ASME B16. 34 定義的三段式球閥圖3 ASME B16. 34 定義的三段式球閥主閥體上孔的壁厚圖4 主閥體上孔的壁厚
4、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的變化
在20 世紀(jì)的五六十年代，我國閥門設(shè)計(jì)是按照原蘇聯(lián)的閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)操作。閥體要進(jìn)行截面Ⅰ -Ⅰ、Ⅱ -Ⅱ和Ⅲ—Ⅲ( 圖5) 的強(qiáng)度計(jì)算，連接法蘭端的法蘭計(jì)算，閥蓋連接處端部法蘭的計(jì)算，閥蓋強(qiáng)度計(jì)算，以及螺栓強(qiáng)度計(jì)算等。如果涉及高溫、高壓，厚壁閥門，設(shè)計(jì)的工作量更大，且容易出現(xiàn)因強(qiáng)度不足而造成的事故。在60 年代末期，美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)( ASME) 成立了ASME B16. 34 分會(huì)，負(fù)責(zé)起草一份閥門的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范閥門的設(shè)計(jì)。原美國閥門的設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分散在鍋爐壓力容器第Ⅲ卷和有關(guān)的管法蘭標(biāo)準(zhǔn)中，是不完整的。在20 世紀(jì)70 年代中期，出版了ASME B16. 34《法蘭端、螺紋端和焊接端閥門》標(biāo)準(zhǔn)。閥體強(qiáng)度計(jì)算圖5 閥體強(qiáng)度計(jì)算
對(duì)于閥門閥體的壁厚給出一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)值是一件十分困難的事。由于壁厚與閥門的結(jié)構(gòu)種類( 如球閥、蝶閥、截止閥、閘閥等) 、工作壓力、通徑、工作溫度、閥體材料、工作介質(zhì)和外部載荷等有關(guān)，即閥體壁厚= f( 閥門類別、閥體結(jié)構(gòu)、材料、壓力、溫度、通徑、工作介質(zhì)和外部載荷等)ASME B16. 34 定義了閥門的壓力等級(jí)( ASME Rating Class) ，給出了壓力等級(jí)系列( 如Class150、Class300、Class400……等) ，然后對(duì)應(yīng)不同的材料組別，給出一個(gè)閥門壓力等級(jí)與閥門工作壓力和溫度的關(guān)系。這樣，對(duì)于某一閥門材料，在ASME B16. 34 中可以找到一組表格，表示壓力等級(jí)與工作壓力、工作溫度間的函數(shù)關(guān)系為閥門壓力等級(jí)= f( 工作壓力，工作溫度)定義了閥門壓力等級(jí)后，閥門可以按壓力等級(jí)設(shè)計(jì)制造，然后根據(jù)不同的工作溫度，給出不同的使用工作壓力。標(biāo)準(zhǔn)給出的壁厚不考慮閥門類型和閥體結(jié)構(gòu)型式。對(duì)于介質(zhì)的腐蝕余量和可能發(fā)生外載荷，標(biāo)準(zhǔn)提示制造商應(yīng)予以考慮。這樣，閥體的zui小壁厚tm僅是閥門通徑d 和壓力等級(jí)的函數(shù)( 這一函數(shù)關(guān)系可以在ASME B16. 34 標(biāo)準(zhǔn)的列表中找到) 。
tm = f( 閥門通徑d，閥門壓力等級(jí))ASME B16. 34 標(biāo)準(zhǔn)給閥門的設(shè)計(jì)帶來了方便，簡化了產(chǎn)品的計(jì)算，合理給出閥體的壁厚，保障閥門的安全運(yùn)行，對(duì)于閥門制造業(yè)的推動(dòng)是巨大的。但是，標(biāo)準(zhǔn)指出，應(yīng)該注意，這是一個(gè)“保守的上限值”。這個(gè)上限值對(duì)于中小口徑閥門其質(zhì)量增加和材料消耗的影響不大，但是，隨著閥門口徑的增大和壓力等級(jí)的提高，這個(gè)值的影響逐漸加大，這一問題已經(jīng)引起閥門制造業(yè)的深切關(guān)注。所以，歐洲體系的閥門設(shè)計(jì)很多不遵循這一規(guī)范，而采用鍋爐壓力容器規(guī)范。例如一個(gè)Class900 壓力級(jí)，口徑48in.( 1 200mm) 的全焊接球閥，德國舒克公司按德國AD 2 000 壓力容器設(shè)計(jì)，一個(gè)球形閥體全焊接管線球閥，其質(zhì)量為19t，而按ASME B16. 34 設(shè)計(jì)的筒狀全焊接管線球閥，其質(zhì)量為28. 5t。鑒此，閥門制造業(yè)按ASME 第Ⅷ卷鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是勢(shì)在必行。
至于閥體螺栓強(qiáng)度，ASME B16. 34 即采用墊片有效外周邊所限定的面積Ag與螺栓抗拉應(yīng)力總有效面積As之比乘以閥門壓力額定等級(jí)，給出一個(gè)限定值。對(duì)于閥體流體通道上的螺栓，其限定值為7 000，對(duì)于閥蓋螺栓限定值為9 000。這種簡易的方法，其本質(zhì)是不考慮螺栓材料的差異，而是按螺栓材料zui低強(qiáng)度計(jì)算，也不考慮密封形式、法蘭形式的差異。因此，也是一個(gè)保守的上限值。
5、設(shè)計(jì)規(guī)范
API 6D - 2008 明確規(guī)定了ASME 第Ⅷ卷*冊(cè)或第二冊(cè)是上認(rèn)可的設(shè)計(jì)規(guī)范，殼牌公司亦認(rèn)同可以選用上認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)中任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。因此，按ASME 第Ⅷ卷規(guī)范設(shè)計(jì)是閥門制造業(yè)設(shè)計(jì)的重大變革。英國BS EN12516 - 2 標(biāo)準(zhǔn)就是鑒于閥門發(fā)展的需要提出的。標(biāo)準(zhǔn)將ASME第Ⅷ卷的規(guī)則法用于閘閥、球閥、截止閥等閥體設(shè)計(jì)計(jì)算，包括閥體壁厚用計(jì)算法替代查表法，采用開孔補(bǔ)強(qiáng)的法則，以及閥體法蘭強(qiáng)度的計(jì)算規(guī)則，填料壓蓋的計(jì)算，螺栓的強(qiáng)度計(jì)算等。
6、結(jié)語
隨著CAD 輔助設(shè)計(jì)、三維造型以及計(jì)算機(jī)有限元分析方法的進(jìn)步，不僅可以快速進(jìn)行零部件強(qiáng)度的計(jì)算和校核，解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析問題，也進(jìn)一步優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)。閥門制造業(yè)應(yīng)盡快理解和掌握ASME 第Ⅷ卷鍋爐壓力容器*冊(cè)與第二冊(cè)，及有限元數(shù)值的分析方法，以提高中國閥門制造業(yè)的整體水平。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥
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