一种楔式闸阀变形与密封研究及结构优化

2021-08-05杨鼎瑞吴业飞

化工机械 2021年3期

姜峰杨鼎瑞吴业飞

（1.兰州理工大学a.石油化工学院；b.温州泵阀工程研究院；2.凯喜姆阀门有限公司）

阀门作为一种流体管路附件，在工业领域中随处可见［1］。闸阀是阀门产品中常见的类型之一，因具有强制密封性好、抗振性高及流阻小等优点，可适应高温高压等工作环境，广泛应用于石油化工、煤化工等行业［2］。随着对能源的需求不断提升，为满足石油化工输送管线的发展需要，对管道部件阀门的需求日益突出［3］。

笔者以NPS8—Class300楔式闸阀为研究对象，在闸阀壳体力试验下分别分析了闸体变形和密封情况，并进行优化设计。

1 密封性能评价模型

楔式闸阀主要是通过介质压力挤压闸板，使闸板与流出端阀座贴合，从而截断流体介质。阀座与闸板在介质压力下接触形成的接触面起到主要的密封作用，闸阀密封结构如图1所示。

图1 闸阀密封结构

由于闸阀密封是通过闸板与阀座贴合形成密封面完成的，而阀座的尺寸远小于闸体和闸板，这导致闸阀的泄漏通常发生在闸板与阀座的密封面处。密封性能对于闸阀非常重要，也是阀门的重要技术标准，而密封比压则是判断阀门是否满足密封的重要指标。密封比压需满足［4］：

式中 q0——密封必须比压，MPa；

q——实际比压，MPa；

［q］——材料的许用比压，MPa。

在式（1）中，密封必须比压q0的计算公式为：

式中 a、c——密封材料系数，铸铁材料a=3，c=1；

b——密封面宽度，mm；

m——流体介质系数，m=1；

P——公称压力，MPa。

闸体材料为碳钢（WCB），故［q］=120.69MPa，阀座设计密封面宽度为6mm，Class300对应的公称压力P=5MPa，则q0=3.266MPa。

2 闸阀有限元仿真

一款阀门从设计到制作完成需要进行多次测试，其中壳体压力试验和密封压力试验是非常重要的两次试验［5］。以NPS8—Class300楔式闸阀的初始设计数据为基础，运用ANSYS有限元分析软件对闸阀闸体的变形、阀座和闸板密封性进行仿真模拟。

2.1 仿真参数

根据闸阀原始设计尺寸建模，闸阀整体结构具有对称性，分析时选用1/2结构模型（图2）以提高运算效率［6］。并且将阀盖上端支架、阀杆等部件进行省略，使它们不参与仿真分析。阀门设计主体材为是WCB，阀座材料为12Cr1MoV，具体材料性能见表1。

图2 闸阀1/2结构模型

表1 闸阀材料性能

2.2 接触设置

闸板与前后阀座挤压形成密封面，将密封接触面设置为Frictional（摩擦接触），摩擦系数设置为0.18［7］，进行接触面计算，探究密封情况。接触算法选用增广拉格朗日算法。增广拉格朗日算法通过改变罚函数控制求解拉格朗日乘子的迭代［8］，因此，算法的修正势能泛函数非常重要。计算式为：

式中 Π*——修正的泛函势能；

Π——泛函势能；

ΠC——接触势能；

ΠP——惩罚势能。

随着接触状态不断变化，由式（3）取变分及驻值，得到相对应的控制方程为：

式中 F——响应载荷向量；

G——位移约束矩阵；

g0——初始瞬态间隙值；

K——刚度矩阵；

U——位移矩阵；

λ——拉格朗日乘子。

根据算法的物理意义，拉格朗日乘子能够选用接触应力来代替该接触点，并通过迭代计算，提高收敛性，得到对应点解。

3 闸阀壳体压力试验仿真

壳体压力试验可测试阀体在超过一定限度工作压力下的变形情况，以确定阀体设计是否能够达到刚度要求，从而避免因为阀体变形过大导致的失效。

为探究闸阀变形情况，网格划分采用体网格法，根据闸阀部件大小确定不同网格尺寸。具体为：阀体为10mm，阀盖为5mm，密封圈为1mm。共划分节点数355 045，网格统计平均值0.829，约束条件为：阀门端法兰两端与管道连接设置为固定约束，阀体与阀盖中法兰添加13 898N螺栓力约束，模型剖面添加无摩擦约束以避免应力集中。

产品在设计中需要预留一定的使用余量，以避免在超过正常使用压力一定范围内出现极端变形情况，甚至阀体发生炸裂。阀门的壳体压力试验在阀门工作压力的1.5倍压力条件下进行。在壳体压力试验模拟中，闸阀与介质的接触面添加7.5MPa介质压力，压力试验变形情况结果如图3所示。

图3 闸阀壳体压力试验变形情况

由图3a可以看到，闸阀最大变形位于闸体两端侧面红色部分。此处受到介质压力直接作用，产生的变形量最大。阀体的最大变形量为0.091 175mm，不足0.1mm，闸体刚度满足材料使用性能，即闸体厚度满足压力等级下的使用要求。将产品样机进行壳体压力试验，与仿真结果进行对比，结果见表2，壳体试验测量闸阀中法兰处变形量为0.008mm。

表2 闸阀中法兰处变形量

通过壳体试验可以得到中法兰处变形量，与仿真分析中法兰上端、中间、下端3点变形平均值0.008 014mm（图3b）进行对比。模拟变形量与试验测量值几乎相同，模拟结果与实际情况相符，模拟结果可以接受。

4 闸阀密封压力试验及阀座优化

闸阀主要由5部分构成，包括阀杆、阀盖、阀座、闸板和阀体，其中闸板和阀座为闸阀密封元件。当闸阀处于关闭状态时，运输介质从上游流入阀体，并且通过上游侧闸体与阀座的接触面间隙进入阀腔。闸板受到流入侧介质压力作用产生微小轴向位移，进而挤压流出侧阀座。闸阀依靠阀座和闸板的接触面在介质压力和接触面摩擦力共同作用下形成密封面，达到密封效果。

4.1 密封试验分析

闸阀的密封是通过闸板与阀座挤压形成密封面来完成的，所以密封性能分析以闸板和阀座密封面为主［9］。

为探究闸阀密封情况，网格采用体网格加接触面加密网格，闸板为10mm，阀座为2mm，接触面加密网格为5mm，共产生节点81 954，网格质量为0.786。

为了避免正常工作压力的微小上升导致的阀门密封失效，密封压力试验同样需要将设计余量考虑在内进行测试。密封压力试验在工作压力1.1倍压力条件下进行。所以在与运输介质接触的面添加5.5MPa介质压力。密封压力试验仿真结果，最大密封比压为132MPa，在闸板上下两端（图4）。

图4 优化前密封比压分布

由图4可以看出，最大密封比压为132MPa，超过材料许用应力，可能产生裂纹甚至损坏。闸板与阀座在中间位置部分（深蓝色区域）密封比压小于必须比压3.266MPa，故该处密封比压不足。并且此处密封面中只有很小一部分满足密封比压，故该处容易产生内漏。

4.2 阀座密封优化

为防止密封比压不足产生的泄漏，对密封副部件阀座进行结构尺寸优化。文献［6，7］通过增大阀座厚度、密封面宽度等方式提升刚度，降低应力，研究多基于某一定值优化，没有探究其变化对密封的影响规律。

结合相关学者的研究，选择阀座结构尺寸中阀座厚度l、密封面宽度b、密封面起始高度d共3个参量作为优化对象。建模时对3个参量尺寸进行参数化定义，运用ANSYS Workbench软件Design Exploration功能，探究这3个参量对密封性能的影响。根据原始NPS8—Class300楔式闸阀设计，在原有尺寸基础的一定范围内，运用CCD试验方法探究结构参量对密封的影响。阀座结构参量取值见表3。

表3 阀座结构参量取值 mm

通过CCD试验法可以得到3个参量对密封比压的影响情况。其中阀座厚度和密封面起始高度对密封比压影响很小，与密封面宽度相比可以忽略不计。

在分析区间内，各参数对密封比压的影响如图5所示。可以看出，当密封面宽度大于7mm时，密封比压随着密封宽度的增加变化很小，此时的密封面应力分布较均匀，密封比压趋于稳定。当密封宽度较小时，密封比压随着密封宽度的减小迅速增大。这是由于密封宽度过小，导致密封面出现应力集中现象，密封比压迅速增加。尤其密封宽度在区间端点3mm时，密封比压已远远超过材料许用应力。