新型截止阀阀瓣导向结构的设计

2018-04-24蒋威

现代制造技术与装备 2018年3期

蒋威

（福建省特种设备检验研究院，福州 350000）

作为最重要的截断类阀门之一，截止阀被广泛应用于石油、化工、航空航天和核电等重要领域。截止阀对其所在的管路中的介质起着切断和节流的重要作用。其密封是通过对阀杆施加扭矩，阀杆在轴向方向上向阀瓣施加压力，使阀瓣密封面和阀座密封面紧密贴合，从而起到介质截断作用。截止阀在开启和关闭过程中，由于其阀瓣进口侧承受高速流动介质的冲击力（见图1），会使阀瓣向阀门出口侧发生一定的歪斜。

对于大口径和高压力等级的截止阀，过大的介质冲击力将使阀瓣被流体推向侧面，导致阀瓣与阀座无法密封；阀瓣密封面与阀座密封面产生的歪斜量过大，强行关闭后，密封面贴合不严密，密封副产生不均匀磨损和表面擦伤；阀杆、阀杆螺母和阀瓣组件受力不均匀，阀门启闭卡涩，在极端条件下，还会造成阀杆弯曲损坏的现象，影响阀门密封性能和使用寿命。因此，对于大口径和高压力等级的截止阀，在设计过程中应充分考虑降低介质冲击力对阀瓣歪斜量影响的方法，以提高阀门的密封可靠性和使用寿命。基于以上原因，笔者设计了如图2所示的阀瓣双导向结构。

图1 截止阀阀瓣开启后承受的侧向冲击

图2 双导向阀瓣结构

1 结构特点

该截止阀阀瓣有两处导向结构：密封面以上的导向环以及密封面以下的三爪导向结构（见图3）。双导向结构能大大改善阀瓣的对中性，降低介质冲击力对阀瓣歪斜量的影响。特别对于高磅级截止阀，即使高速度或高压力差对阀瓣侧向产生冲击力，也能保证阀瓣与阀座密封面的正常位置，提高了阀门的密封可靠性及使用寿命。

图3 双导向阀瓣

2 阀瓣歪斜量计算分析

对于大口径和高压力等级的截止阀，在设计过程中有必要对其阀瓣的歪斜量进行计算和分析，以明确介质冲击对阀瓣位置变化的影响，从而改善导向设计，优化产品结构。图4为简化的阀瓣歪斜示意图，表示在极限条件下，阀瓣在即将完全关闭时的歪斜情况。

图4中，φDmax为导向孔最大极限尺寸，φdmin为阀瓣外圆最小极限尺寸，φd1为阀瓣小头尺寸，α为阀瓣歪斜角度，L1为阀瓣总高，L2为阀瓣有效导向长度，L3为阀瓣头偏斜后与中心线最远距离，L4为阀瓣头歪斜量，L5、L6、L7为中间过程计算量。

为了使阀瓣在发生歪斜后仍能实现其基本的密封性能，必须满足：

由图4可得：

以J41W-1600LB截止阀为例，当其阀瓣形状为图1和图2所示时，分别计算其阀瓣歪斜量。

图4 阀瓣歪斜示意图

2.1 图1所示单导向阀瓣歪斜量

其中，导向孔最大极限尺寸φDmax=106.22mm，阀瓣外圆最小极限尺寸φdmin=105.4mm，阀瓣小头尺寸φd1=89mm，阀瓣总高L1=170mm，阀瓣有效导向长度L2=73mm，阀座孔直径φD1=92mm。将以上数据代入式（1）、式（2）、式（3）可得：L3=45.99mm＜0.5φD1=46mm，满足要求。

2.2 图2所示双导向阀瓣歪斜量

其中，导向孔最大极限尺寸φDmax=106.22mm，阀瓣外圆最小极限尺寸φdmin=105.4mm，阀瓣小头尺寸φd1=89mm，阀瓣总高L1=170mm，阀瓣有效导向长度L2=L1=170mm，阀座孔直径φD1=92mm。将以上数据代入式（1）、式（2）、式（3）可得：L3=44.91mm＜0.5φD1=46mm，满足要求。

对比两种阀瓣导向结构的阀瓣歪斜量计算结果可知，在相同条件下，图2所示的双导向结构阀瓣具有更小的歪斜量，对中性能更好。对于单导向阀瓣，其实际导向长度要达到73mm才能满足歪斜量要求（经计算，当L2＜73mm时，L3＞0.5φD1，在极限条件下，阀瓣密封面将与阀座密封面脱离，密封失效）；而双导向结构阀瓣为全程导向，阀瓣总高即为实际有效导向长度，在考虑其强度和磨损余量的基础上可以大大缩短上导向环的宽度，更小的上导向尺寸也能大大节省阀体中腔的空间，优化了阀体结构。

3 设计优缺点

3.1 优点

一是双导向结构能有效地降低介质冲击力对阀瓣歪斜量的影响，能大大改善阀瓣的对中性，确保阀瓣在运动时不会倾斜或翘起而导致密封副不均匀磨损和泄露。二是阀瓣导向与阀体精密配合，保证了阀瓣与阀座的同轴度要求，还可防止在阀杆上产生侧面推力。双导向结构可以确保阀杆受力均衡，阀门启闭灵活，不会发生卡涩现象。三是该结构能在一定程度上优化阀体结构，降低整机重心，提高抗震性能。