在阀门产品设计及阀门承压件的设计中，目前尚无阀门承压件的最小壁厚计算公式，在计算时一般都暂用压力容器壁厚计算公式来代用。但是，经计算得出的数值比实际选用的要小得多，也就是说，用压力容器壁厚计算公式来计算阀门承压件的最小壁厚是不适宜的。科学的确定阀门承压件最小壁厚方法和合理的选用计算公式，使阀门承压件最小壁厚符合我国阀门现有的设计、制造和使用水平是十分必要的。

    2 设计准则

    阀门是压力管道重要附件。由于其功能的特殊性，受力的复杂性，所以其设计准则也有着特殊性。经研究证明，其设计过程是基于亚比例失效准则。亚比例失效是认为承压件只有完全处于亚比例状态时才是安全的，一旦承压件某一点设计的最大应力使承压件产生变形超出亚比例范围，就认为这个承压件已失效。亚比例状态是承压件因受力产生比例变形，其变形量达到最大比例变形量的一半时的变形状态。

    阀门在工作中受到介质压力作用同时还受到密封副之间挤压力的作用，在这些作用力作用下，阀门阀座和阀瓣等承压件因受力而变形，当其变形量超出亚比例变形范围时阀门密封副因过大变形而产生泄漏，于是阀门失效。此时，亚比例极限是当试棒受拉产生最大比例变形的一半变形量时的抗拉强度，即σy=0.5σP（图1）。材料比例极限、弹性极限和屈服极限相差不大，可近似地取σP≈σe≈σs，安全系数n取2，于是阀门承压件不能发生失效的许用应力[σ]为

       式中　σs———屈服极限，MPa 

       σe———弹性极限，MPa 

       σP———比例极限，MPa

       σy———亚比例极限，MPa

       σb———强度极限

       n———安全系数

图1 亚比例变形范围

    3 强度理论

    阀门承压件壁厚强度理论采用的是最大主应力理论。最大主应力规定，杆件无论在什么应力状态下，当三个主应力中有一个达到了在简单拉伸中发生失效的数值时，此杆件便认为是已经失效。因此，在阀门承压件壁厚强度校核时，只需考虑三个主应力中最大的拉应力。用σ表示三个主应力中最大的主应力，用[σ]表示许用应力，于是，阀门承压件不发生失效的条件为

     σ≤[σ]

    4 最大拉应力

    图2为承压件简单模型图，设内径为D，壁厚为t，内腔介质压力为P，长度为L。A点为需要分析的单位受力块。假设通过A点，垂直承压件回转中心线将承压件剖开，用Fz代替切去那部分承压件给留下承压件的施力效果（图3）。根据受力平衡原理得

图2 承压件模型

图3 用Fz代替切去那部分承压件给留下承压件的施力效果 

    切面应力为

    所以单位受力块的

    假设通过A点，经过回转中心线将承压件剖开，用Fx代替切去那部分承压件给留下承压件的施力效果（图4）。根据受力平衡原理得

图4 用Fx代替切去那部分承压件给留下承压件的施力效果

      Fx=DLP

    切面应力为

    所以单位受力块的

    假设通过A点，平行于回转中心线，垂直于图4切面剖开，用Fy代替切去那部分承压件给留下承压件的施力效果（图5）。根据受力平衡原理得

图5 用Fy代替切去那部分承压件给留下承压件的施力效果

    Fy=0

    切面应力为 

    所以单位受力块的σy=0。

    根据承压件的受力分析得出，单位受力块的三个方向应力分别为

    对应的三个变应力分别为

    所以承压件最小壁厚处最大拉应力是σ1，则有

    根据阀门承压件最小壁厚强度理论得

    整理得

    5 计算公式

    根据上面论述，初步确定阀门承压件最小壁厚计算公式为

    由于阀门毛坯为铸件或锻件，经一系列机加工后装配成阀门，所以，阀门承压件壁厚受到铸造、锻造和机械加工过程误差的影响，阀门工作时受到介质腐蚀影响。为了防止因铸造、锻造、机械加工误差和介质腐蚀引起壁厚局部过薄，公式中引入了附加量C，以此保证实际壁厚不小于最小壁厚。

    阀门的密封必须比压计算公式为

    随着压力变化，必须比压也随之变化，但必须比压变化率比压力变化率要慢，也就是说低压时密封力和压力比值比高压时密封力和压力比值要大，在计算阀门承压件最小壁厚时要加以考虑。同时，受铸造工艺影响，壁厚薄的铸件内部致密性比厚的铸件内部致密性要差，在确定壁厚时要加以考虑。综合多种因素的分析，在公式中引入一个质量-比压系数k。阀门最小壁厚计算公式调整为

    式中　tmin———阀门承压件最小壁厚，mm

    D———阀门内腔直径，mm

    P———阀门介质压力，MPa

    k———质量-比压系数（P=0115～0125MPa，

    σs———材料的屈服强度，MPa

    C———铸造、锻造、机械加工误差和介质腐蚀

    6 数据库

    经计算，当阀体承压件材料为WCB（σs=200MPa）时，各种压力和口径所对应的阀门承压件最小壁厚见表1。 

    表1 阀门承压件最小壁厚（部分） mm

    续表1　阀门承压件最小壁厚（部分） mm

    7 结语

    经阀门承压件最小壁厚计算公式设计计算的阀门，到目前为止尚未出现因壁厚而失效的质量问题。同时计算数值与GB/T12224标准中最小壁厚相似，和压力容器最小壁厚计算公式相比较，此公式更接近于产品实际情况。因此，相关的设计准则、强度理论和亚比例极限等理论具有实际意义，符合阀门承压件受力失效实际工况。