单瓣旋启式止回阀阀盖厚度计算公式的分析与研究①

丁无极 姚舜刚 李 江 盛水平

(1.杭州市特种设备检测研究院；2.浙江省特种设备检验研究院；3.杭州宏伟压力容器制造有限公司)

近年来，石化行业、冶金部门、电力部门及城市建设等阀门使用大户对阀门的需求越来越大[1]，因阀门生产企业质量参差不齐而导致阀门破裂造成的生产事故也越来越多，如某聚氯乙烯生产企业发生氯乙烯单体单向止回阀阀盖突然破裂事故、某自来水厂多台止回阀阀体破裂等。

止回阀是应用较为普遍的一种阀门，阀门启闭件靠介质流动和力量自行完成开启或关闭，以防介质倒流。旋启式止回阀采用内装摇臂旋启式结构，阀门的所有启闭件都安装于阀体内部，不穿透阀体，除了中法兰部位用密封垫片和密封环外，整体没有外漏点，杜绝了阀门外泄的可能。阀盖是旋启式止回阀的重要部件之一，它既承受管道的工作压力，又承受管道中介质的冲击作用力(气浪、液锤等)。然而在阀门的设计计算中，人们往往只关注阀体与阀瓣的强度校核，而忽视阀盖的壁厚计算。阀盖作为阀门密封件，其受力引起的变形将直接影响阀门的工作可靠性[2]。为此，笔者在对常规阀盖计算公式结果进行分析的基础上对公式做了相应的改进，并采用有限元法对改进后的公式进行求解、分析与验证，通过对阀盖应力场的分析和研究揭示阀盖内部各向应力变化过程的基本规律，达到指导阀盖设计计算的目的。

1 常规阀盖计算公式

设计阀门时，各标准对旋启式止回阀阀体厚度都有明确的定义，而对于阀盖厚度的计算无论是国内外标准，还是阀门计算手册，都没有明确的定义和分类，阀门设计手册中旋启式止回阀阀盖厚度计算公式也仅适用于碟形阀盖。目前，大多数旋启式止回阀设计者多以阀体厚度公式来确定阀盖厚度，然而对于阀体形状为圆筒形或椭球形，阀盖形状为圆形平板的情况，显然利用阀体计算公式计算阀盖是不合理的。

图1 为单瓣旋启式止回阀结构示意图，阀盖材料为铸造铜合金ZCuZn4Pb2(阀门设计手册中其许用应力为50MPa)，公称压力1.6MPa，DN66mm，设计余量4mm，工作介质为水、油及气等，工作温度低于170℃。

阀门设计手册中给出的阀盖厚度计算公式为[3,4]：

(1)

式中C——考虑铸造偏差、工艺性能及介质腐

图1 单瓣旋启式止回阀结构示意图

蚀等因素而附加的裕量，mm；

DN——阀盖中腔最大内径(根据结构需要选定)，mm；

p——设计压力，通常取公称压力pN，MPa；

SB——考虑腐蚀余量的阀盖壁厚，mm；

[σL]——材料的许用拉应力，MPa。

图2是单瓣旋启式止回阀阀盖结构示意图。

图2 单瓣旋启式止回阀阀盖结构示意图

将数据代入式(1)，得到：

(2)

取C=4mm，则SB=4.93mm，阀门设计手册中给定的最小壁厚为5.50mm，大于计算值，因此计算结果符合要求。然而，笔者对此计算结果表示怀疑。

2 公式的改进

经查阅阀门设计手册，式(1)是钢和合金钢圆形阀体壁厚的计算式，是用于截面为圆筒形的钢质阀体的计算公式，属于经验公式。而单瓣旋启式止回阀阀盖为圆形平板，应该更适合用盲板公式确定其厚度。

基于塑性分析推导出的平盖厚度计算公式为[5]：

(3)

式中K——平盖结构特征系数，K=0.75；

φ——焊接系数，φ=1。

将相关数据代入式(3)，得到阀盖厚度SB=5.90mm。

3 分析与验证

3.1 建模

对单瓣旋启式止回阀阀盖进行ANSYS有限元建模，如图3所示。将阀盖看作平盖并简化为圆形平板，然后对其圆柱面施加全约束。

图3 圆形平板有限元模型

3.2 网格划分

网格划分是建模中非常重要的一个环节，网格划分的质量将直接影响计算结果的准确性和计算进度，网格划分严重不合理时将导致计算不收敛。根据该阀体的结构特点和载荷类型，选择单元类型为SOLID187，网格划分尺寸应不大于阀盖最小厚度值。笔者采用自由网格划分方法进行网格划分，结果如图4所示。

3.3 仿真与结果分析

单瓣旋启式止回阀阀体材料为ZCuZn40Pb2，抗拉强度110MPa，弹性模量和泊松比分别为90GPa和0.324[6]。

在模型的圆环面上施加位移约束，在圆形平板的一面施加面力载荷，载荷特征为均匀内压，根据阀体的试验压力，在阀体的内表面施加载荷1.5MPa[7]。

选择PCG迭代求解器，由计算机自动完成求解运算。由于本例属于静态结构分析，所以选用通用后处理器进行分析结果的检查，结果如图5、6所示。

图5 修正前后受均布力后的应力分布

图6 修正前后受均布力后的位移分布

由图5、6可知，应力分布呈现中间部位小、向阀体连接处逐渐增大的分布状态，应力主要集中在阀体与阀盖连接部位，此分布情况使连接处的应变较大，易产生缝隙发生介质泄漏，进而引发事故[8]。公式改进前，阀盖模型边缘应力超过110MPa的范围远大于改进后；改进前阀盖模型的最大位移量为0.022 147mm，而一般5～7mm厚的板材的允许厚度变形为0.022mm，可见改进前位移量已超出允许变形量[9]。改进后的计算厚度经分析验证，最大厚度位移量为0.013 586mm，小于允许值，因此满足设计要求。

4 结束语

笔者对单瓣旋启式止回阀阀盖厚度计算公式存在的不合理之处进行了分析改进，并利用ANSYS进行了有限元分析，计算结果证明笔者提出的单瓣旋启式止回阀阀盖厚度计算公式能够较准确地模拟几何初始缺陷和残余应力对构件整体稳定受力特性的影响，从而准确地计算阀盖的设计厚度，为阀门的整体设计提供了依据，降低了阀盖因刚度不足造成的泄漏风险，提高了阀门的安全性。

[1] 陈声坦.阀门壳体壁厚计算式的分析与研究[J].阀门,2010,(5):32～33.

[2] 李秀峰,陈宗华.低温阀门闸板应力场的数值计算及分析[J].化工机械,2005,32(1):27～31.

[3] 杨源泉.阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000:391～400.

[4] 陆培文.实用阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社,2007:300～411.

[5] GB 150.3-2011,压力容器第3部分:设计[S].北京:中国标准出版社,2011.

[6] 王飞,李世杰,汪开雄,等.轴流式止回阀设计有限元分析[J].油气储运,2016,35(8):860～864.

[7] 张光明,吴代建,蔺虹宾.数值模拟技术在阀盖铸件冒口设计中的应用[J].铸造技术,2013,34(10):1375～1377.

[8] 孟波,刘隆,王启.LNG低温阀门安全服役性能研究[J].化工机械,2015,42(5):701～705.

[9] 朱培元.止回阀设计技术及图册[M].北京:机械工业出版社,2014:201～285.