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一、優化設計

1目標函數工況分析可知，欲保證閥門在中法蘭螺紋連接處的密封可靠性，必須同時確保閥體耐壓強度σp和螺紋連接強度σsr，即：σp=σsr<[σs]（10）上式中，符號[σs]表示材料的許用屈服強度。2參數優化根據第四強度理論，推導螺紋連接處的抗拉應力為：σsr=0.554(d2-d''''2)pDzh2（11）式中，d''''為閥桿直徑，（mm）；d為閥體內徑，（mm）；p為閥門的設計壓力，（MPa）。殼體受內壓時的拉應力為：σp=(d2-d''''2)p(D-2h)2-d2（閥體）（12a）σp=(D2-d''''2)pD''''2-(D+2h)2（閥蓋）（12b）式中，D''''為閥蓋外徑，（mm）。閥體、閥蓋連接螺紋的螺距選擇和壁厚設計必須同時滿足式（11）和（12）。計算時先以式（12）確定最大允許壁厚（D-d）/2，然后根據計算結果依據式（10）、（11）、（12）選擇最優螺距P，最后將計算結果代入上述各式校核，確保各參數均滿足強度要求。此外，考慮到螺紋連接受力的不均勻性，螺紋的旋合長度一般為（5~10）P。

二、計算實例

熱采井口閘閥ZFK81-250/65的額定壓力為25MPa，閥體和閥蓋材料均為ZG310-570，其屈服極限為σs=310MPa。若取安全系數S=1.5，則材料的許用屈服強度[σs]=206.7MPa。設計壓力取p=50MPa。已知閥體螺紋大徑D=125mm，閥桿直徑d''''=28mm。初取螺距P=3mm，將上述數據帶入式（12a），得閥體內徑D=109.4mm。將此計算結果帶入式（10）計算所得螺距P=4.26，這與初選螺距相差太多，不合要求。重選螺距P=4.2333（即每英寸6牙），得閥體內徑d=108.1mm（取108mm），閥蓋外徑D''''=1453mm（取144mm），螺紋旋合長度為8P=34mm，此時的計算螺距為P=4.27，與初選螺距比較接近，即此數據符合等強度要求，且滿足了螺紋、殼體同強度要求。這比經驗法（按經驗法設計的相關參數：閥體內徑d=96，閥蓋外徑D=146，螺距P=4）更具理論依據，計算結果也更可靠、更符合設計要求。應用表明，優化了的閥門使用性能可靠，未發現在中法蘭處發生泄漏等異常現象。

三、結語

1）對螺紋的牙型和受力分析發現，相同螺距情況下，55°螺紋比60°三角螺紋具有更高的工作高度，更大的牙底，不僅螺紋面的利用率高，其螺紋抗剪、抗擠和抗彎強度也較高。2）從連接強度方面考慮，牙型角為55°的螺紋比60°的三角螺紋更適宜用于緊固連接。3）利用等強度理論，對井口閘閥中法蘭處的連接螺紋和閥門殼體壁厚進行了優化設計，結果表明，該設計方法更能滿足設計要求，且有利于節省成本，可靠性更高。4）該優化設計方法需反復試算，計算繁瑣，宜采用計算機編程方法計算。

作者：韓兵奇單位：中國石油大學機電裝備教學實廠