GQ47H-DN370型轨道球阀阀座结构与密封特性分析

刘 惺，梅 静，陈 丽，吴 胜

(四川化工职业技术学院 机械工程学院，泸州 646000)

在石油、化工和长输管线等行业中，阀门是必不可少的控件，其中最常见的是球阀，它在管路中主要起到切断、分配及改变流向的作用[1]。对于操作压差大、开关频繁、要求阀门长期保持良好的密封等工况下，普通球阀无法满足使用要求。轨道球阀因具有启闭无摩擦、单阀座设计、低启闭扭矩及密封面自清结构等特点，弥补了普通球阀的不足，实现了快速发展。但由于轨道球阀一般都用于工况比较特殊的场合，因此要求其结构特性及密封性能具有更高的可靠性。目前，针对球阀密封特性的研究较多，还有部分学者对轨道球阀阀杆进行了失效分析及结构改进[2-3]，但是对于轨道球阀在整体装配后的密封特性研究相对较少。

GQ47H-DN370型轨道球阀在工作压力15 MPa下，阀座由于长期承受压力，导致阀座密封性能大大降低。针对这一问题，利用Ansys Workbench分析软件，结合接触有限元的理论知识，分析阀座受力和变形特性并判定轨道球阀的密封特性。

1 接触有限元与密封特性评价

1.1 接触有限元

接触有限元可从物理与数值分析角度进行观测。从物理角度来看，两个物体相互接触时，由于相互作用而产生接触压力，因此接触面间将产生摩擦力，阻碍了物体做切向运动。从数值分析角度看，进行接触分析时，其边界条件呈现出非线性关系，当两接触面相互接触时，将生成接触约束，若两接触面产生分离，约束即失效[4]。高度非线性的边界条件导致了接触问题的复杂性，选用增强拉格郎日(Augmented Lagrange)的接触算法进行分析[5]。Ansys Workbench使用增强型Lagrange法或罚函数法时，都需使用法向接触刚度(FKN)，产生一个小的穿透量(xpenetration>0)，以保证数值平衡，如图1所示。接触“弹簧”产生一个小的变形xp，法向接触刚度为kn，平衡方程如下：

图1 增强型Lagrange法向接触刚度Fig.1 Enhanced Lagrange normal contact stiffness

Fnormal=knormalxpenetration

(1)

接触单元不但可以传递法向压力，还可传递切向摩擦力。接触单元使用切向接触刚度(FKT)来确保切线方向的接触协调，如图2所示。ANSYS根据模型的几何特征、材料和用户定义的法向接触刚度(FKN)来计算接触刚度，切向接触刚度kt，平衡方程如下：

图2 增强型Lagrange切向接触刚度Fig.2 Enhanced Lagrange tangential contact stiffness

Ftangential=ktangenialxsliding

(2)

1.2 密封性能评价模型

在压力容器的设计中，其密封特性是满足设计要求的重要评价指标之一，而评价压力容器密封特性的重要参数是密封比压。阀门是特殊的压力容器，其相关设计也需要满足压力容器密封设计标准，因此，判定阀门密封性能是否可靠，需满足以下条件[6]：

qb

(3)

其中：qb表示轨道球阀密封的必需比压，单位为MPa；q表示轨道球阀密封的实际比压，单位为MPa；[q]表示轨道球阀密封的许用比压，单位为MPa。

轨道球阀密封的必需比压qb的计算，根据阀门设计手册查得其公式如下[6]：

(4)

其中：PN为轨道球阀所承受的公称压力，单位为MPa；bm为轨道球阀阀座与球体接触的密封面宽度，单位为mm。

2 轨道球阀的结构与材料属性

2.1 轨道球阀的结构

GQ47H-DN370型轨道球阀相较传统的球阀，具有可靠的密封、耐冲刷与腐蚀等特性，其结构如图3所示。工作原理是：阀门开启过程是利用阀杆斜面与导向槽的几何特性，实现球阀偏离阀座、阀口的不断增大及阀口全开等动作；阀门关闭时，利用阀杆斜面产生水平分力，使球阀与出口阀座紧密接触，即可产生所需的密封比压。从结构及工作原理可以看出，轨道球阀具有以下几个特点：单阀座设计与强制密封，可保证阀门具备双向密封功能；浮动阀芯、机械提升式阀杆使得球阀开关无磨损，低扭矩操作；阀杆下端的斜面提供机械楔紧力，保证持续的紧密封；硬性阀杆导向槽与导销控制阀杆的升降和转动，达到控制球体和实现无摩擦启闭。此外，轨道球阀阀体倾离出口阀座后，阀内流体会将阀腔内杂质冲洗干净，实现阀内自清洁作用并减小磨损[7]。

1-阀杆 2-导向销 3-密封压盖 4-阀盖 5-密封件6-阀盖衬套 7-吊耳 8-滚柱销钉 9-阀芯 10-阀座 11-阀体 12-法兰图3 轨道球阀结构简图Fig.3 Structure diagram of rail ball valve

2.2 轨道球阀的材料属性

GQ47H-DN370型轨道球阀工作压力为15 MPa，根据阀门常用材料与设计手册，轨道球阀阀体选用Ni-Cu-Mo低合金钢，其阀座、阀芯分别选用316不锈钢和1Cr12WMoV不锈钢，其材料机械性能如表1所示[8]。

表1 材料机械性能Tab.1 Mechanical properties of materials

3 有限元分析的前处理

3.1 建立有限元模型与边界条件

根据轨道球阀结构上的几何对称性、载荷对称性等特点，考虑到计算机硬件条件，轨道球阀的有限元分析采用1/2模型，保证计算精度的同时对模型进行了相应特征的简化。根据GQ47H-DN370型轨道球阀受力特点，阀门进出口端均增加7～10倍管口直径长的管道。运用Ansys Workbench对其进行有限元模型的建立与网格划分等前处理，获得轨道球阀数学模型如图4(a)所示。网格单元共计347 489个，节点552 172个，网格平均质量为0.854，如图4(b)所示。根据GQ47H-DN370型轨道球阀的工作压力，对其阀腔、管内等承压面施加15 MPa的载荷，sym面施加对称载荷，阀体下端面、进口端采用displacement位移约束，如图5所示。

图4 轨道球阀网格划分与网格质量Fig.4 Grid generation and grid quality of rail ball valve

图5 轨道球阀边界条件的施加Fig.5 Application of boundary conditions for rail ball valve

3.2 初始接触状态的调整

在静力学分析中，初始接触的好坏直接决定结果是否收敛和是否满足工程使用要求。如果两接触面存在间隙，会导致刚体位移而增加计算的收敛难度；相反，当两接触面存在穿透，则会造成计算结果偏大。可见，计算接触时必须对两接触面进行初始状态的判断及相应的调整。本次三维模型的建立是通过第三方软件SolidWorks进行的，由于存在数据的丢失，需要进行初始接触的调整。采用的接触调整方式为Adjust to Touch，利用Workbench中Contact tool工具进行检测，阀座与阀体的间隙量与渗透量分别如图6所示。从图6中可以看到，阀座与阀体两接触面间的间歇量基本为0，渗透量最大为2.6681x1014，满足计算要求[9]。

图6 阀座与阀体的间隙量与渗透量Fig.6 Clearance and permeability between valve seat and valve body

4 轨道球阀的结构与密封特性评定

4.1 仿真结果

通过对轨道球阀数学模型的分析求解，得出了该工作状况下阀座的等效应力应变云图，如图7、8所示。从图7可以看到，阀座的最大压力为175.48 MPa。结合图8的应变云图可以看出，由于阀芯与阀体之间相互挤压阀座，导致应力堆积的结果，为了进一步判定轨道球阀设计的合理性，后续将针对轨道球阀应力较大处，按照ASME进行安全性评价。

图7 球阀阀座的等效应力云图Fig.7 Equivalent stress nephogram of ball valve seat

图8 轨道球阀阀座的等效应变云图Fig.8 Equal effect nephogram of rail ball valve seat

4.2 轨道球阀阀座安全特性评定

由图7轨道球阀阀座的等效应力云图可知，其最大等效应力为175.48 MPa，通过对比材料的许用应力187 MPa，判断该处易发生屈服失效，因此，需对阀座进行进一步的强度评定。根据压力容器评定标准，进行以下步骤：通过等效应力最大节点，沿着厚度方向的最短距离设定路径；确定应力强度最大部位后，一个点在阀座壁内，一个点在阀座壁外，分类线通过分类应力最大区[10]，其评定路线1和2如图7所示。本次阀座安全特性评定采用ASME评价标准，具体参数如表2所示[11]。提取应力评定线上各节点的应力值，并计算不同类型的应力类型，得出路径1、2的S1和S2应力变化曲线，如图9、10所示。根据表2评定标准进行评定后，其结果如表3所示。

表2 压力容器ASME评价标准Tab.2 ASME evaluation standard for pressure vessel

图9 路径1的S1和S2Fig.9 S1 and S2 of path 1

图10 路径2的S1和S2Fig.10 S1 and S2 of path 2

表3 轨道球阀阀座应力强度评定结果Tab.3 Evaluation results of stress strength of rail ball valve seat

4.3 轨道球阀密封特性评定

确定轨道球阀出口阀座变形特点后，对其进行密封特性的分析。利用接触有限元数值模拟，得到轨道球阀出口阀座与阀芯的接触应力，如图11所示，其最大密封比压为136.44 MPa。根据式(3)提出的密封性评价模型、式(4)计算得到的必需比压1.76 MPa及阀座许用比压170 MPa，轨道球阀的密封性能评价结果如表4所示。

图11 密封面接触应力云图Fig.11 Contact stress nephogram of sealing surface

表4 密封性能评价Tab.4 Sealing performance evaluation

综上所述，GQ47H-DN370型轨道球阀在该工况条件下，能够满足密封要求，但是最大实际比压136.21 MPa，可见阀座所承受的压力很大，阀座容易被压溃。建议合理改进阀座结构，如增加其阀座厚度等。阀座的外圆表面由于外露承受了来自水的压力，导致阀座外圆面与阀体内孔面之间接触压力较小，建议适当增大两者间的过盈量。

4.4 密封试验

某阀门厂为了得到GQ47H-DN370型轨道球阀在该工况条件下的密封特性，通过样机试制与试验，按GB13927、GB26480、API 6D压力试验要求中最严格部分[12]，进行了空载动作、壳体强度、高压密封等试验。通过左端阀体注水→分级加压(13.2 MPa)→保压(保压时间按API 6D的规定)→密封性能判定等步骤，得到高压、低压气密性试验结果如表5所示。

表5 GQ47H-DN370型轨道球阀密封试验参数与结果Tab.5 Sealing test parameters and results of GQ47H-DN370 rail ball valve

结果表明：该GQ47H-DN370型轨道球阀的出口阀座完好无损，未出现可见的泄露，密封性可靠。

5 结论

利用接触有限元的相关知识进行计算，对阀座与阀体之间的接触形式进行了处理，在提交计算前对其过盈量与间隙量进行了相应的调整。在定义两接触对时，间歇量为0，渗透量为2.6681×1014，满足计算要求，拟仿真的结果更加可靠。

通过对GQ47H-DN370型轨道球阀进行有限元数值模拟，阀座密封面的最大实际比压136.21 MPa。分别采用压力容器ASME规范与密封性能评价模型，评价了阀座的强度及阀座与阀体间的密封性。结果表明，阀座满足设计要求，阀座与阀体间的密封性可靠。但是，由于实际比压136.21 MPa偏大，阀座所承受的压力较大，阀座容易被压溃，有可能导致密封面失效，出现泄漏。

通过对GQ47H-DN370型轨道球阀样机的试制和试验，其变形与仿真分析结果基本相符，说明该方法具有有效性与合理性，对今后改进GQ47H-DN370型轨道球阀结构和提高其密封性提供了一定的理论支撑，达到了优化设计的目的。