碳钢闸阀、截止阀的阀杆推力、操作扭矩及手轮圆周力的简易计算

1．前言

阀杆推力、操作扭矩、手轮圆周力是决定阀门操作的三个重要的参数，本文将给出碳钢闸阀、截止阀简便的计算公式来确定这三个参数，通过下面的计算，可以得到不同压差下的输出扭矩、阀杆推力等数据。本文的公式适用于工作温度≤425℃的闸阀、截止阀的阀杆推力、操作扭矩、手轮圆周力的计算。

2．推力

阀门阀杆推力主要作用在阀门阀座上和脱开阀座上的力，推力主要由三部分组成，公式如下：

F——阀杆推力，(N)牛顿；

f₁——作用在阀座上的推力，(N)牛顿；

f₁=阀门阀座孔面积×阀门最大压差×阀门系数=M×△P×阀门系数，

阀门阀座孑L面积一(阀座孔直径)²×3.14／4=d²×3.14／4，mm²平方毫米，

如果不知道阀座孔直径d，可以用阀门流道直径来作为估计值。阀门阀座孔面积见表1中M。

阀门最大压差△P=P₁-P₂，P₁为阀门上游压力，P₂为阀门下游压力值，单位为MPa；如果不知道P₁，P₂值，△P可取表1中压力值(MPa)。

阀门系数见表2。

f₂——阀杆载荷(阀杆的活塞效应)，(N)牛顿；

f₂——阀杆面积×阀门上游最大最压力P₁=df²×3.14／4，mm²平方毫米；

df为阀门阀杆最小直径，见表3；

表1 阀门阀座孔面积

通径 in	压力等级MPa(psig)														通径 mm
	PN2.0 (285)		PN5.0 (740)		PN6.8 (990)		PN10.0 (1480)		PN15.0 (2220)		PN25.0 (3705)		PN42.0 (6170)
	d	M	d	M	d	M	d	M	d	M	d	M	d	M
1/2	13	132.7	13	132.7	13	132.7	13	132.7	13	132.7	13	132.7	13	132.7	15
3/4	19	283.5	19	283.5	19	283.5	19	283.5	19	283.5	19	283.5	19	283.5	20
1	25	490.9	25	490.9	25	490.9	25	490.9	25	490.9	25	490.9	25	490.9	25
1-1/4	32	804.2	32	804.2	32	804.2	32	804.2	32	804.2	32	804.2	32	804.2	32
1-1/2	38	1134.1	38	1134.1	38	1134.1	38	1134.1	38	1134.1	38	1134.1	38	1134.1	40
2	49	1885.7	49	1885.7	49	1885.7	49	1885.7	49	1885.7	49	1885.7	42	1385.4	50
2-1/2	62	3019.1	62	3019.1	62	3019.1	62	3019.1	62	3019.1	62	3019.1	52	2123.7	65
3	74	4300.8	74	4300.8	74	4300.8	74	4300.8	74	4300.8	74	4300.8	62	3019.1	80
4	100	7854.0	100	7854.0	100	7854.0	100	7854.0	100	7854.0	100	7854.0	87	5944.7	100
5	127	12667.8	127	12667.8	127	12667.8	127	12667.8	127	12667.8	111	9676.9	92	6647.6	125
6	150	17671.5	150	17671.5	150	17671.5	150	17671.5	150	17671.5	144	16286.0	131	13478.2	150
8	201	31730.9	201	31730.9	201	31730.9	201	31730.9	201	31730.9	192	28952.9	179	25164.9	200
10	252	49875.9	252	49875.9	252	49875.9	252	49875.9	252	49875.9	239	44862.7	223	39057.1	250
12	303	72106.6	303	72106.6	303	72106.6	303	72106.6	303	72106.6	287	64692.5	265	55154.6	300
14	334	87615.9	334	87615.9	334	87615.9	334	87615.9	322	81433.2	315	77931.1	241	45616.7	350
16	385	116415.6	385	116415.6	385	116415.6	385	116415.6	373	109271.7	360	101787.6	274	58964.6	400
18	436	149301.0	436	149301.0	436	149301.0	436	149301.0	423	140530.5	371	108103.0	311	75964.5	450
20	487	186272.1	487	186272.1	487	186272.1	487	186272.1	471	174233.5	415	135265.2	343	92401.3	500
22	538	227328.8	538	227328.8	538	227328.8	538	227328.8	522	214008.4	457	164029.6	378	112220.8	550
24	589	272471.1	589	272471.1	589	272471.1	589	272471.1	570	255175.9	498	194781.9	413	133964.6	600
26	633	314700.4	633	314700.4	633	314700.4	633	314700.4	617	298992.4	540	229022.1	448	157632.6	650
28	684	367453.2	684	367453.2	684	367453.2	684	367453.2	665	347322.7	584	267864.8	483	183224.8	700
30	735	424291.7	735	424291.7	735	424291.7	735	424291.7	712	398152.9	625	306796.2	517	209928.3	750
32	779	476611.8	779	476611.8	779	476611.8	779	476611.8	760	453646.0	-	-	-	-	800
34	830	541060.8	830	541060.8	830	541060.8	830	541060.8	808	512758.2	-	-	-	-	850
36	874	599946.8	874	599946.8	874	599946.8	874	599946.8	855	574145.7	-	-	-	-	900
38	925	672006.3	925	672006.3	925	672006.3	925	672006.3	-	-	-	-	-	-	950
40	976	748181.4	976	748181.4	976	748181.4	976	748181.4	-	-	-	-	-	-	1000
42	1020	817128.2	1020	817128.2	1020	817128.2	1020	817128.2	-	-	-	-	-	-	1050
48	1166	1067792.7	1166	1067792.7	1166	1067792.7	1166	1067792.7	-	-	-	-	-	-	1200
54	1312	1351940.4	1312	1351940.4	1312	1351940.4	1312	1351940.4	-	-	-	-	-	-	1350
56	1360	145267.4	1360	145267.4	1360	145267.4	1360	145267.4	-	-	-	-	-	-	1400
60	1458	1669571.1	1458	1669571.1	1458	1669571.1	1458	1669571.1	-	-	-		-	-	1500

表2 阀门系数

阀门类型	液体		气体
	400℃以下	400℃以上	400℃以下	400℃以上
平行式闸阀和弹性楔式闸阀或双闸板	0.25	0.3	0.35	0.45
刚性楔式闸阀	0.35	0.4	0.45	0.5
2″（50毫米）以上截止阀	1.15	1.15	1.15	1.15
2″（50毫米）以下截止阀	1.5	1.5	1.5	1.5

如果不知道阀门上游最大最压力P₁值(如管道压力不大于6.89MPa时，阀杆载荷f₂可忽略不计)，可取表1中压力值(MPa)来进行计算。

f₃——阀杆填料摩擦力，具体数据见表4，(N)牛顿。

表4 填料摩擦推力和转矩以及阀杆的活塞效应

摩擦推力 （升降杆）	阀杆直径	1〃（25毫米） 以下	1〃～2〃 （25～50毫米）	2〃（50毫米） 以上
	推力	4450牛顿 N	6670牛顿 N	11120牛顿 N
活塞效应 （眀杆阀阀杆载荷）	如果管道压力超过6.897MPa，应加入介质对阀杆的推力（活塞效应），介质对阀杆的推力=管道压力×阀杆面积（通过填料压盖处）
摩擦转矩 （旋转杆）	摩擦转矩=摩推力×阀杆半径（在填料压盖处的半径）

注：(1)填料给升降阀杆增加摩擦推力。给旋转阀杆增加转矩。

(2)管道压力作用于阀杆(通过填料压盖处)的截面积上，有开启阀门的趋势。对于管道压力在6.897MPa以上的明杆闸阀，这个活塞效应的影响是很大的。

(3)对于截止阀，阀杆面积已包括在阀瓣面积中，所以活塞效应可以忽略。

3．扭矩

扭矩是一个转动的力，闸阀和截止阀的阀杆通过驱动螺母上30°的梯形螺纹，驱动阀杆作升降运动。扭矩是由阀杆的推力转化而来的，它是利用螺纹的机械旋转产生直线运动，阀杆系数有通过梯形螺纹把阀杆推力转换为扭矩的作用，即通常我们所讲的梯形螺纹的摩擦半径。一旦获得阀杆推力，就可以通过公式(2)计算得到扭矩值。

M——扭矩，N·M(牛顿·米)

阀杆系数，见表5。

反之，知道扭矩，也可以通过上面的公式计算阀杆推力。

表5 梯形螺纹的阀杆系数

阀杆尺寸 直径×螺距	阀杆系数	阀杆尺寸 直径×螺距	阀杆系数	阀杆尺寸 直径×螺距	阀杆系数
19.0×6-s	0.0020104	44.4×4-s	0.0042389	76.2×2-s	0.0071362
19.0×5-s	0.0021191	44.4×3-s	0.0045084	79.4×2-s	0.0075602
22.2×6-s	0.0022543	47.6×3-s	0.0047531	82.6×2-s	0.0075912
22.2×5-s	0.0026088	50.8×4-s	0.0047310	88.9×2-s	0.0080442
25.4×5-s	0.0028519	50.8×3-s	0.0049988	95.2×2-s	0.0085020
28.6×5-s	0.0030155	54.0×3-s	0.0051133	101.6×2-s	0.0089629
28.6×4-s	0.0030983	57.2×3-s	0.0053531	108.0×2-s	0.0094228
31.8×5-s	0.0032610	60.3×3-s	0.0055878	114.3×2-s	0.0098851
31.8×4-s	0.0035069	63.5×3-s	0.0058234	127×2-s	0.0107980
34.9×4-s	0.0037523	66.7×3-s	0.0060619
31.8×4-s	0.0042747	69.8×3-s	0.0062988
43.3×3-s	0.0042389	73.0×3-s	0.0065351

注：(1)表中阀杆系数为单头螺纹系数，单位N·m／N。

①对于暗杆阀，阀杆系数要乘以1.5；

②对于水闸，阀杆系数要乘以1.25，并确保估算的推力至少为阀门重量的3倍。

(2)表中6—S表示每英寸6牙，以此类推。

(3)对于29o 梯形螺纹的阀杆系数由公式DFL／2×(cosΨtgα+μ)／(cosΨ-tgα×μ)求得。其中，DFL=名义直径D-O.5×螺距；梯形螺纹牙形角Ψ=14.5o，摩擦系数μ=O.15；tga=导程／πDFL。

4．手轮圆周力

有些闸阀、截止阀是通过手轮操作来实现阀门的开启和关闭，而标准也对施加在手轮轮毂边缘上的力作出了规定。利用上面计算得到的扭矩，通过公式(3)可以计算到手轮上的圆周力，并可以判定其是否符合标准要求，或手轮大小选择是否合理。

Fs——手轮圆周力，牛顿(N)；

R——手轮半径，毫米mm。

5．应用示例

有一AP1600弹性楔式闸阀，通径为DNl50，管道压力为PN5.OMPa(压力等级CLASS300)，蒸汽阀门，求阀门操作扭矩及手轮圆周力。

(1)计算推力

A：查表l，查得阀门的阀座孔面积为17671.5mm²；

B：取压差

阀门工作的恶劣情况是全管道压力下开启，故压差取5.0MPa；

C：查表2得阀门系数为0.45；

由上可计算阀座上的推力f₁=17671.5×5.0×0.45= 39760.88N

D：查表3，得阀杆直径31.8，计算f₂=(31.8)²×3.14／4×5.0=3969.12N(如管道压力不大于6.89MPa时，可不加入介质对阀杆的推力，因为此管道压力为5.0MPa，故不加。)

E：查表4，得阀杆填料摩擦力，f₃=6670N；

F：由上得阀杆推力F= 39760.88+6670=46430.88N。

(2)计算扭矩

A：查表5得阀杆系数0.0032610；

B：扭矩M=46430.88×0.0032610=151.4NM。

(3)计算手轮圆周力

假设阀门手轮直径457mm，手轮半径R=457／2=228.5mm=0.2285m；

手轮圆周力=151.4／0.2285=663N；

附单位换算：1in=25.4mm；

1lbf／in²=0.006894757MPa=1psig：

1lbf=4.44822N。

6．结束语

笔者在实际工作中体会到，主要是应对招投标的技术支持，特别是在外贸技术支持这方面，由于国外客户或招标文件对阀门参数及数据要求比较具体，按照上述简易计算公式，得到的结果比较正确，实际应用效果比较好；工作效率也得到了一定的提高，实用性比较强。在此，笔者愿与行业同仁共同分享!

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