井口闸阀连接螺纹的优化设计

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一、优化设计

1目标函数工况分析可知，欲保证阀门在中法兰螺纹连接处的密封可靠性，必须同时确保阀体耐压强度σp和螺纹连接强度σsr，即：σp=σsr<[σs]（10）上式中，符号[σs]表示材料的许用屈服强度。2参数优化根据第四强度理论，推导螺纹连接处的抗拉应力为：σsr=0.554(d2-d''''2)pDzh2（11）式中，d''''为阀杆直径，（mm）；d为阀体内径，（mm）；p为阀门的设计压力，（MPa）。壳体受内压时的拉应力为：σp=(d2-d''''2)p(D-2h)2-d2（阀体）（12a）σp=(D2-d''''2)pD''''2-(D+2h)2（阀盖）（12b）式中，D''''为阀盖外径，（mm）。阀体、阀盖连接螺纹的螺距选择和壁厚设计必须同时满足式（11）和（12）。计算时先以式（12）确定最大允许壁厚（D-d）/2，然后根据计算结果依据式（10）、（11）、（12）选择最优螺距P，最后将计算结果代入上述各式校核，确保各参数均满足强度要求。此外，考虑到螺纹连接受力的不均匀性，螺纹的旋合长度一般为（5~10）P。

二、计算实例

热采井口闸阀ZFK81-250/65的额定压力为25MPa，阀体和阀盖材料均为ZG310-570，其屈服极限为σs=310MPa。若取安全系数S=1.5，则材料的许用屈服强度[σs]=206.7MPa。设计压力取p=50MPa。已知阀体螺纹大径D=125mm，阀杆直径d''''=28mm。初取螺距P=3mm，将上述数据带入式（12a），得阀体内径D=109.4mm。将此计算结果带入式（10）计算所得螺距P=4.26，这与初选螺距相差太多，不合要求。重选螺距P=4.2333（即每英寸6牙），得阀体内径d=108.1mm（取108mm），阀盖外径D''''=1453mm（取144mm），螺纹旋合长度为8P=34mm，此时的计算螺距为P=4.27，与初选螺距比较接近，即此数据符合等强度要求，且满足了螺纹、壳体同强度要求。这比经验法（按经验法设计的相关参数：阀体内径d=96，阀盖外径D=146，螺距P=4）更具理论依据，计算结果也更可靠、更符合设计要求。应用表明，优化了的阀门使用性能可靠，未发现在中法兰处发生泄漏等异常现象。

三、结语

1）对螺纹的牙型和受力分析发现，相同螺距情况下，55°螺纹比60°三角螺纹具有更高的工作高度，更大的牙底，不仅螺纹面的利用率高，其螺纹抗剪、抗挤和抗弯强度也较高。2）从连接强度方面考虑，牙型角为55°的螺纹比60°的三角螺纹更适宜用于紧固连接。3）利用等强度理论，对井口闸阀中法兰处的连接螺纹和阀门壳体壁厚进行了优化设计，结果表明，该设计方法更能满足设计要求，且有利于节省成本，可靠性更高。4）该优化设计方法需反复试算，计算繁琐，宜采用计算机编程方法计算。

作者：韩兵奇单位：中国石油大学机电装备教学实厂