新版閥門API設計標準

                                 上海申弘閥門有限公司

之前介紹HTDQ96P1W電動超高溫蝶閥技術參數，現在介紹新版閥門API設計標準解讀了API 6D和ASME B16.34新版中閥門設計標準的變化。提出了閥體按照ASME第Ⅷ卷鍋爐壓力容器的規定進行應力分析與強度設計的理念。

1、新版閥門API設計標準概述

美國石油協會標準API 6D 和美國機械工程師學會標準ASME B16. 34 是閥門設計中常用的標準，為了適應科學技術進步的需要，標準在不斷的更新，本文主要解讀API 6D - 2008 和ASME B16. 34- 2009 標準的變化。

2、API 6D -2008 分析

ANSI /API 6D -2008( 第23 版) 一個重大的變化是在第7. 1 節設計標準和計算方法中規定，承壓元件的設計和計算方法應按照上認可的設計規范或標準的規定，同時考慮到管子負荷，操作力等等。標準的選用按協議規定。同時注明，上認可的設計規范或標準，例如ASME 第Ⅷ卷的*冊或第二冊、ASME B16. 34、EN12516 -1 和EN13445 -3。與第22 版比較，第23 版中的設計標準除保留了ASME B16. 34 之外，還增加了上認可的規范，ASME 第Ⅷ卷*冊或第二冊、EN12516 - 1 和EN13445 - 3。這些標準或規范是完整的，各自獨立的，賣方可以自選一個標準進行閥門設計，買方也可以要求按某一標準設計。例如殼牌公司在閥門采購中明確規定，產品設計可以按照ASMEB16. 34，或者ASME 第Ⅷ卷*冊或ASME 第Ⅷ卷第二冊。

API 6D 第23 版標準作出修訂的原因是其分體式和上裝式球閥的結構型式( 圖1) 不符合ASMEB16. 34 中關于閥體頸部zui小壁厚( 圖2) 的規定，是一種無閥頸的結構。增加ASME 第Ⅷ卷*冊或第二冊是將閥體看作為鍋爐或壓力容器的一個筒體來考慮。按照第Ⅷ卷的規范計算，彌補了分體式球閥閥體結構和上裝式閥體結構與ASME B16. 34 的不一致。API 是美國石油學會（American Petroleum Institute）的英文縮寫，建于 1919 年，是美國*家的商業協會。API 的一項重要任務，就是負責石油和天然氣工業用設備的標準化工作，以確保該工業界所用設備的安全、可靠和互換性。

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 標準適用于API 6D，在ASME B16. 34 - 2009 的第6. 1. 2( C) 節中規定，對于多段閥體結構的閥門，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左、右閥體構成的。對于兩個左、右閥體，其內徑d 值應符合6. 1. 2( a) 節的要求( 注: 即按流道的zui小直徑選取zui小壁厚) 。對于主閥體，其內徑d 值應是主閥體的內徑。如果主閥體上有軸向孔，無論是直通的或者螺紋的盲孔，孔兩側壁厚應滿足規定尺寸的要求( 圖4) 。

ASME B16. 34 標準的這些規定在閥門制造企業無法執行，因為主閥體的實際壁厚是按舊標準設計壁厚的1. 5 倍。舊標準閥體的d 值是指閥門流道的直徑，而主閥體內徑近似是流道直徑的1. 5 倍。歐洲很多閥門公司不執行這一規定，而另有自己的設計標準。如英國標準BS EN12516 -2《工業閥門- 殼體設計強度第2 篇: 鋼制閥門殼體的計算方法》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、設計標準的變化

在20 世紀的五六十年代，我國閥門設計是按照原蘇聯的閥門設計手冊操作。閥體要進行截面Ⅰ -Ⅰ、Ⅱ -Ⅱ和Ⅲ—Ⅲ( 圖5) 的強度計算，連接法蘭端的法蘭計算，閥蓋連接處端部法蘭的計算，閥蓋強度計算，以及螺栓強度計算等。如果涉及高溫、高壓，厚壁閥門，設計的工作量更大，且容易出現因強度不足而造成的事故。在60 年代末期，美國機械工程師協會( ASME) 成立了ASME B16. 34 分會，負責起草一份閥門的設計標準，規范閥門的設計。原美國閥門的設計相關標準分散在鍋爐壓力容器第Ⅲ卷和有關的管法蘭標準中，是不完整的。在20 世紀70 年代中期，出版了ASME B16. 34《法蘭端、螺紋端和焊接端閥門》標準。

閥體強度計算

圖5 閥體強度計算

對于閥門閥體的壁厚給出一個統一的標準值是一件十分困難的事。由于壁厚與閥門的結構種類( 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、工作介質和外部載荷等有關，即閥體壁厚= f( 閥門類別、閥體結構、材料、壓力、溫度、通徑、工作介質和外部載荷等)ASME B16. 34 定義了閥門的壓力等級( ASME Rating Class) ，給出了壓力等級系列( 如Class150、Class300、Class400……等) ，然后對應不同的材料組別，給出一個閥門壓力等級與閥門工作壓力和溫度的關系。這樣，對于某一閥門材料，在ASME B16. 34 中可以找到一組表格，表示壓力等級與工作壓力、工作溫度間的函數關系為閥門壓力等級= f( 工作壓力，工作溫度)定義了閥門壓力等級后，閥門可以按壓力等級設計制造，然后根據不同的工作溫度，給出不同的使用工作壓力。標準給出的壁厚不考慮閥門類型和閥體結構型式。對于介質的腐蝕余量和可能發生外載荷，標準提示制造商應予以考慮。這樣，閥體的zui小壁厚tm僅是閥門通徑d 和壓力等級的函數( 這一函數關系可以在ASME B16. 34 標準的列表中找到) 。

tm = f( 閥門通徑d，閥門壓力等級)ASME B16. 34 標準給閥門的設計帶來了方便，簡化了產品的計算，合理給出閥體的壁厚，保障閥門的安全運行，對于閥門制造業的推動是巨大的。但是，標準指出，應該注意，這是一個“保守的上限值”。這個上限值對于中小口徑閥門其質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的提高，這個值的影響逐漸加大，這一問題已經引起閥門制造業的深切關注。所以，歐洲體系的閥門設計很多不遵循這一規范，而采用鍋爐壓力容器規范。例如一個Class900 壓力級，口徑48in.( 1 200mm) 的全焊接球閥，德國舒克公司按德國AD 2 000 壓力容器設計，一個球形閥體全焊接管線球閥，其質量為19t，而按ASME B16. 34 設計的筒狀全焊接管線球閥，其質量為28. 5t。鑒此，閥門制造業按ASME 第Ⅷ卷鍋爐壓力容器標準設計是勢在必行。

至于閥體螺栓強度，ASME B16. 34 即采用墊片有效外周邊所限定的面積Ag與螺栓抗拉應力總有效面積As之比乘以閥門壓力額定等級，給出一個限定值。對于閥體流體通道上的螺栓，其限定值為7 000，對于閥蓋螺栓限定值為9 000。這種簡易的方法，其本質是不考慮螺栓材料的差異，而是按螺栓材料zui低強度計算，也不考慮密封形式、法蘭形式的差異。因此，也是一個保守的上限值。

5、設計規范

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥API 6D - 2008 明確規定了ASME 第Ⅷ卷*冊或第二冊是上認可的設計規范，殼牌公司亦認同可以選用上認可的標準中任何一個標準設計產品。因此，按ASME 第Ⅷ卷規范設計是閥門制造業設計的重大變革。英國BS EN12516 - 2 標準就是鑒于閥門發展的需要提出的。標準將ASME第Ⅷ卷的規則法用于閘閥、球閥、截止閥等閥體設計計算，包括閥體壁厚用計算法替代查表法，采用開孔補強的法則，以及閥體法蘭強度的計算規則，填料壓蓋的計算，螺栓的強度計算等。

6、結語

隨著CAD 輔助設計、三維造型以及計算機有限元分析方法的進步，不僅可以快速進行零部件強度的計算和校核，解決復雜結構的應力分析問題，也進一步優化了產品設計。閥門制造業應盡快理解和掌握ASME 第Ⅷ卷鍋爐壓力容器*冊與第二冊，及有限元數值的分析方法，以提高中國閥門制造業的整體水平。與本文相關的產品有：加長桿蝶閥安裝注意事項