旋塞阀的结构改进和强度校核

作 者： 康喜 李悦钦
摘 要： 旋塞阀是用带通孔的塞体做为启闭件，通过塞体与阀杆的转动实现启闭动作的阀门。旋塞阀结构简单，启闭迅速，流体阻力小。本文对钻井中使用的旋塞阀出现的问题进行了一些改进和强度计算。

    旋塞阀的启闭件是一个有孔的圆柱体，绕垂直于通道的轴线旋转，从而达到启闭通道的目的。旋塞阀主要供开启和关闭管道和设备介质之用。旋塞阀主要优点有：适用于经常操作，启闭迅速、轻便。流体阻力小。结构简单，相对体积小，重量轻，便于维修。密封性能好不受安装方向的限制，介质的流向可任意。无振动，噪声小。但钻井中使用的旋塞阀往往出现关闭后不容易打开的问题，本文就此问题进行了一系列的探讨和改进。

旋塞阀的结构改进： 

    采用在阀体下部开通道的方法使两侧压力基本平衡，使阀门开启和关闭都很方便，解决了原有旋塞阀的问题，改进结构如下图所示。

改进后旋塞阀强度计算如下：

1 壳体基准应力计算

A、球阀孔中心截面3-3

a、拉伸

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2 应力集中分析

A、球阀截面3-3

a、拉伸

    由《化工设备设计手册》第5章压力容器设计，查得圆柱壳开孔的最大应力发生在径向孔边沿切向方向与周向平行的点上，应力集中系数=2.5，即单独受拉伸时的应力集中系数取2.5。

在应力集中点附近要发生屈服。但小于2, 故安定。

b、扭转

    由《化工设备设计手册》第5章压力容器设计中开孔附近的应力分析可知，具有小孔的受扭转作用的薄壁圆柱壳，最大拉应力出现在孔边与轴成的截面上，小孔的受扭转作用的圆柱壳其应力集中系数取4。

不会发生屈服。

♂

c、内压p=105MPa作用

由《应力集中系数手册》查得筒壁开有小孔的厚壁圆筒承受内压时，可得应力集中系数A=3.03

在应力集中点要发生屈服, 但安定。

B、卡环截面2-2处

a、拉伸

由《应力集中》书中诺谟图查得A= 2. 8

在应力集中点(在圆角与内壁交接点) 附近要发生屈服。但是安定的。

b、扭转

由《应力集中》书中诺谟图查得A= 1. 8

不会发生屈服。

c、内压p= 105M Pa 作用

根据《化工容器》，不同壁厚圆筒对接处局部应力计算方法，在薄壁侧最大应力（为经向应力）

C、锥阀孔截面4-4处

a、拉伸

由《化工设备设计手册》第5章压力容器设计，查得圆柱壳开孔的最大应力发生在径向截面上，应力集中系数A=2。5即单独受拉伸时的应力集中系数取2.5。

在应力集中点附近要发生屈服。但安定

b、扭转

由《化工设备设计手册》第5章压力容器设计中开孔附近的应力分析可知，具有小孔的受扭转作用的薄壁圆柱壳的应力集中情况，最大拉应力出现在与轴成45°的截面上，有小孔的受扭转作用的圆柱壳其应力集中系数取4。

不会发生屈服。

截面1- 1

a、拉伸

由《化工设备设计手册》第5章压力容器设计，查得圆柱壳开孔的最大应力发生在径向孔边沿切向方向与周向平行的点上，应力集中系数A=2.5，即单独受拉伸时的应力集中系数取2.5。

在应力集中点附近要发生屈服。安定。
♂
b、扭转

由《化工设备设计手册》第5章压力容器设计中开孔附近的应力分析可知，具有小孔的受扭转作用的薄壁圆柱壳，最大拉应力出现在孔边与轴成的截面上，小孔的受扭转作用的圆柱壳其应力集中系数取4。

不会发生屈服。

3、1 内压105MPa作用

由《应力集中系数手册》查得筒壁开有小孔的厚壁圆筒承受内压时，可得应力集中系数A= 3. 03

4 结论

不会发生屈服。

从以上应力分析，可以得出以下几点结论：

4.1 在三种给定载荷作用下，拉伸载荷作用下的应力最高，安全系数最小。因此，拉伸载荷下的强度条件是主要矛盾。

4.2 拉伸以常用旋塞阀材料40CrMnMo计算，安全系数为1.71>1.5，能够满足强度要求。

4.3 拉伸载荷下旋钮孔口处的应力集中较大，在应力集中点都达到了材料的屈服极限，按照新的强度准则，应力集中点的最大值935.75MPa<2MPa，满足安定条件。

4.4 在拉伸时内沟槽出的基准应力和应力也较大，但能够满足强度要求。在设计时应注意减小此处的应力集中。

4.5 在给定扭转和内压载荷作用下，各危险截面的安全系数都很大，可以不考虑其强度问题。

（参考文献）

（1） 航空工业部。应力集中系数手册（M）。
（2） 朱有庭，曲文海，于浦义。化工设备设计手册（M）。化学工业出版社，2005，（6）。
（3）诺埃伯。应力集中（M）。
（4）丁伯民，黄正林。化工容器（M）。化学工业出版社，2002，（12）。