基于有限元分析的多路阀活阀座密封结构设计

张博文，郭玉生

（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100176）

0 引言

随着全球石油市场的动荡和石油价格的攀升，煤炭作为储量巨大并且可能替代石油的资源受到越来越多的重视，通过化学加工手段可以使煤转化为各种燃料和化工产品。悬浮床加氢工艺是煤直接液化的有效途径，可以将煤转化为各种气体燃料、人造石油以及化学产品等，其反应产物必须经过减压，减压站位于热高压分离器后，需将悬浮床热高压分离罐来的热高分油（含固）进行减压。减压站拥有独立入口，入口处安装有1 台2500 磅、8 英寸四通阀，1 入口3 出口，工作时阀门一路打开，两路备用，对其中一条备用路线进行加热保温（一开两备、一条热备、一条冷备）。由于使用条件苛刻，该四通阀长期依赖进口，阀门及备件价格十分昂贵。介质易燃易爆，温度高达425 ℃，其中夹杂有高硬度固体颗粒，阀门工作压力高达23 MPa，当管路切换时需要实现严密切断，恶劣的工况为阀门的密封系统提出了苛刻要求。在夹杂高硬度固体颗粒的恶劣的工况下，介质对阀座的冲刷较为严重，为便于日后密封面硬质合金的修复阀门采用活阀座设计，活阀座设计虽然便于后期更换及维修，但这相当于在阀体及阀座之间增添了一处漏点，在高温高压工况下零件容易发生变形，因此活阀座与阀体间的密封尤为重要。

1 活阀座缠绕垫密封系统简介

该阀门开关位均可做到强制密封，开位密封面与填料函为一体化设计，关位密封面位于活阀座处，转接法兰、填料函、与阀体3 者通过螺栓、螺母压紧，活阀座被填料函压紧在阀体内，填料函及活阀座处加工有缠绕垫沟槽用以安装缠绕垫，防介质泄漏至阀体阀座之间，槽深3.3 mm、槽宽7 mm，阀体外部包裹保温棉以减小阀门内外温差以及工况冷热交变对阀门的影响（图1）。

图1 阀门密封系统

2 缠绕垫沟槽深度设计

金属缠绕垫由缠绕钢带与各种填充料交替缠绕而成，石墨金属缠绕垫适用于高温、高压环境，缠绕垫沟槽的深度和各种操作条件下的压紧应力是影响缠绕垫密封性能的关键因素。

活阀座需承受来自柱塞杆的密封压力、热应力及介质压力，且零件整体外形接近薄壁圆筒，整体零件强度较低，因此要对其强度进行校核。在复杂工况下，零件和各个压紧螺栓由于受介质压力、温差产生的热应力、外力及弯矩的影响，可能产生不均匀变形，若变形量过大，则缠绕垫回弹亦无法满足密封压强，因此须对缠绕垫沟槽附近形变及缠绕垫上、下压紧面间位移进行分析。该阀门缠绕垫沟槽设计深度为3.3 mm，意味着在理想状态下，缠绕垫上下压紧面设计间距也为3.3 mm，在实际工况下保持好这一间距意味着缠绕垫才能有效密封。分别根据阀门开、热备、冷备3 种不同的操作状态对活阀座的强度及上、下压紧面沿轴向位移进行有限元分析。

2.1 活阀座强度校核

活阀座缠绕垫沟槽内壁厚度仅为10 mm，此处较为薄弱，分析3 种操作状态下此处内应力分布（图2）。

图2 阀座缠绕垫沟槽附近应力分布云图

阀门介质最高温度可达400 ℃，虽然阀体外表面大部分区域包覆保温棉，但保温棉并非完全绝热，且阀体法兰面、填料函、转接法兰均暴露于空气中，因此必须考虑阀门零件温差所带来的热应力。当阀门处于开位时，阀座处关位密封面不受来自柱塞的载荷，受阀门内外温差影响存在热应力，但整体应力较小，最大应力处仅为66 MPa，位于阀座圆筒薄壁处；在热备状态下，此支路阀门处于关位状态，关位密封面收到来自柱塞的载荷，同时也受热应力影响，其最大应力达到131 MPa；而在冷备状态此处应力分布与热备状态相近，密封面附近最大应力达到134 MPa。在热备状态下阀体及内件被加热到与介质相近的温度，虽然密封系统整体温度较高，但零件之间及零件内部温差较小，而在冷备状态下阀门内部与介质接触位置温度较高，而暴露于空气中的位置温度较低，整个密封系统温差较大，因此冷备状态下最大应力比热备状态下最大应力稍高。阀门开位及关位密封面处堆焊有特殊硬质合金，合金抗压耐冲蚀，硬度达到63 HRC，屈服强度＞909 MPa，且在400 ℃高温工况下强度不受影响，密封面处最大应力远小于其屈服强度，但此处应力状态较为复杂，将产生不均匀形变，若形变量过大将影响缠绕垫密封，因此有必要对沟槽的形变进行分析。

2.2 压紧面间距位移及压紧应力

重点分析在3 种状态下阀座处沟槽上、下压紧面间距离与理想状态下的偏差，此数据将直接影响缠绕垫的压紧力（图3）。

在3 种状态下两面间距离可通过测量两面间两点的轴向位移相减后与设计沟槽深度3.3 mm 相加获得，将结果列于表2，其中，两面间距离=沿轴向上压紧面位移-沿轴向下压紧面位移+3.3。测量图3种状态下上下压紧面间距如图4 所示，处于开位状态的一路阀门活阀座处密封面不受来自于柱塞的压力，此时仅靠螺母压紧转接法兰及填料函，从而压紧活阀座，受热膨胀及缠绕垫预紧反作用力的影响，两压紧面间距增大0.033 mm，较理想状态增大1%；处于热备状态的阀门活阀座处密封面被柱塞压紧，两压紧面间距仅增大0.007 mm，较理想状态增大0.22%，由此可见当阀门处于关位状态时，有利于活阀座处缠绕垫的密封；处于冷备状态的阀门活阀座处密封面被柱塞压紧两压紧面间距仅增大0.003 mm，较理想状态仅增大0.09%。对比3 种状态可以发现，受热膨胀影响，两压紧面间间距均有所增大，当阀门关闭时，即当其处于热备或冷备状态时受柱塞压紧关位密封面的影响增大值较小，在热备状态下此沟槽附近温度较冷备状态高，因此两面间距稍大。3 种状态下对比理想状态两面间距增大值均较小，根据文献［4］所提供回归方程得出计算压紧应力，在开位状态下其值最小，达到88 MPa，大于缠绕垫最小有效压紧应力70 MPa。因此从密封系统零件变形的角度考虑，该阀门三路密封系统均可对介质实现有效密封。

表2 压紧应力表

图3 上下压紧面

图4 3 种状态下上下压紧面间距测量图

3 试验验证

现阶段，带有缠绕垫和沟槽的活阀座的阀门样阀已完成生产装配，打水压46 MPa，试验结果通过API598 标准，说明按照上述理论设计缠绕垫沟槽深度的方法是可靠的。

4 结束语

介绍2500 Lb 四通阀门活阀座处缠绕垫的沟槽深度设计，通过理论计算及有限元分析得到此处应力云图、垫片压缩量并计算得出压紧应力，为缠绕垫沟槽的设计提供理论依据，该设计方法对阀门内部缠绕垫沟槽设计具有指导意义。