一种多功能阀门设计与分析

孟 路，黄亚军，陈允锋，李 林

（1.海装驻上海地区第九军事代表室，上海 201206；2.上海阀门厂股份有限公司，上海 201814）

随着系统化、集成化、小型化等需求的提出，多功能阀门的需求越来越大，利用一个阀门可以替代原来的2 个、3 个甚至更多个阀门，这样既可以缩小系统装置的尺寸，又节约了大量的原材料。

1 基本情况

本文设计的多功能阀门的技术参数如下：公称尺寸DN15，公称压力PN64，设计温度164 ℃，安全等级SC-2，抗震类别1A，工作介质带固体颗粒的废水、海水，驱动方式为电动驱动。

该多功能阀门由阀体、阀瓣、弹簧、阀杆、阀盖、填料、填料压盖、防转板、紧固件和电动装置等零部件组成，如图1 所示。

图1 多功能阀门结构图

2 工作原理

多功能阀门是一种可起截止阀和止回阀的3 种作用的阀门。该阀门是把阀杆和阀瓣的连接设计成可以脱开的结构，电动装置输出转矩带动阀杆作升降动作，阀杆处于关闭位置时，阀杆可顶住阀瓣，作截止阀使用，阀门起管道介质的隔离功能；阀杆处于止回位置时，阀瓣可以自由活动，作止回阀使用，阀门起防止介质倒流的功能；当继续开启阀门，阀杆处于全开位置时，阀瓣被强制提起，作截止阀使用，阀门起接通管路中介质的功能。同时，电动装置可以把这3 个位置信号（开位、止回位、关位）远程传输给上一级系统。

3 结构特点

3.1 阀体的设计

阀体通道采用全尺寸通道，密封面设计成平面，降低介质通过密封面时的压力损失。因阀瓣置于阀体内腔中，影响介质流通性能，所以采用增大阀体内腔设计，避免介质在通道内产生涡流、紊流；阀瓣最大开启高度达到了通道尺寸的1/2 以上，其帘面积大于通道面积，这样的组合设计可以减小阀门的流阻。阀体结构如图2 所示。

图2 阀体结构图

3.2 阀座密封系统设计

阀体密封面和阀瓣密封面采用金属材料本体，不存在电位腐蚀产生的内漏现象，阀体密封面宽度小于阀瓣密封面的宽度，解决了加工、装配过程累计公差带来的阀瓣不同心的问题，杜绝了阀体和阀瓣不同心带来的内漏现象；弹簧零件的设计，使阀瓣可以自动复位，阀瓣密封面贴合阀体密封面，在止回压力较低的情况下，也能实现内漏密封，同时也解决了阀门任意角度安装，阀瓣的自动复位功能；仍然保留了阀杆零件，可实现阀瓣的强制关闭，截止密封可做到零泄漏。阀座密封系统如图3 所示。

图3 阀座密封系统结构

3.3 阀体与阀盖之间密封结构的设计

阀体和阀盖之间采用可靠的缠绕垫片密封结构，通过对柔性石墨氯、硫、氟含量的控制，处于辐照环境下也能长期保持缠绕垫片的回弹率，密封可靠，有效地保证了承压边界的完整性。

3.4 阀杆密封系统设计

阀杆密封采用成熟的柔性石墨填料密封结构，通过对柔性石墨氯、硫、氟含量的控制，处于辐照环境下也能长期保持柔性石墨的回弹率，密封可靠，阀杆在使用过程中仅做上下升降动作，延长了阀杆密封的寿命。

3.5 可靠性设计

阀体和阀瓣密封面采用平面密封结构，在关闭的瞬间，不存在相互旋转的情况，磨损较小，可靠性寿命可达3 000 次以上。

3.6 强制开启阀瓣设计

在截止、止回功能的基础上，通过拆除限位板，阀杆可以带动阀瓣继续运动，此时阀瓣被强制开启，流通尺寸与管道内径相同，可以实现介质的快速排放。

4 流阻分析计算

4.1 计算软件

几何模型的绘制采用Solidworks 软件，网格划分软件为ANSYS Workbench Mesh，流场计算软件为FLUENT。

4.2 网格划分

采用ANSYS Workbench Mesh 软件进行网格划分，网格划分采用四面体网格，并对壁面进行网格加密，设置网格边界层。止回开度模型划分后的网格节点数为952 347，单元数为2 869 667，如图4 所示。全启开度模型划分后的网格节点数为939 175，单元数为2 786 686，如图5 所示。

图4 止回开度模型网格节点

图5 全启开度模型网格节点

4.3 流场计算与分析

4.3.1 计算条件

介质：常温水。

边界条件：设置进口流速3 m/s，设置自由出口。

收敛条件：迭代残差小于1×10-4。

4.3.2 流场计算

止回开度模型下流场计算的压力云图如图6 所示，速度云图如图7 所示，速度矢量如图8 所示，迭代残差如图9 所示。

图6 压力云图

图7 速度云图

图8 速度矢量图

图9 迭代残差曲线图

全启开度模型下流场计算的压力云图如图10 所示，速度云图如图11 所示，速度矢量如图12 所示，迭代残差如图13 所示。

图10 压力云图

图11 速度云图

图12 速度矢量图

图13 迭代残差曲线图

4.4 流阻计算结果

参照GB/T 30832—2014《阀门 流量系数和流阻系数试验方法》7.4 节流阻系数公式（6）ζ=（2 000×ΔPv）/（ρ×v2），ΔPv为被试验阀门的净差压，单位为kPa；v为试验管道内水的平均流速，单位为m/s；ρ为水的密度，单位为kg/m3。

止回开度模型流阻，模型进口压力P1=-3 674.2 Pa，出口压力P2=-30 226.8 Pa，净差压ΔPv=26 552.6 Pa；试验管道内水的平均流速v=3.66m/s；水的密度ρ=998.2kg/m3；流阻系数ζ=（2 000×ΔPv）/（ρ×v2）≈4.0。

全启开度模型流阻，模型进口压力P1=1 445.2 Pa，出口压力P2=-23 871.0Pa，净差压ΔPv=25 316.2 Pa；试验管道内水的平均流速v=3.66m/s；水的密度ρ=998.2kg/m3；流阻系数ζ=（2 000×ΔPv）/（ρ×v2）≈3.8。

5 应力分析计算

5.1 使用载荷限制

该多功能阀门属于安全二级阀门，且需满足可运行性的要求，故进行应力计算时，按B 级准则级别校核（表1）。

表1 O 级、A 级、B 级、C 级和D 级使用限制

5.2 设计条件下阀体交叉区域的应力计算

流体面积和金属面积示意图如图14 所示。

图14 流体面积和金属面积示意图

5.2.1 按ASME BPVC-III—2004《核设施部件建造规则》NB-3545.1 计算一次薄膜应力

式中：1）PO=PS=6.4 MPa（PS为260 ℃下的标准计算压力）；

2）采用压力面积法求得下述数据。

LA取0.5d-Tb=0.5×（36+2×5）-（34.5-5）=-6.5 mm和Tr=15-5=10 mm 中的大者，

式中：a.颈部内径d=36 mm，考虑5 mm 腐蚀余量；

b.颈部壁厚Tb=34.5 mm，考虑5 mm 腐蚀余量；

c.阀体流道壁厚Tr=15 mm，考虑5 mm 腐蚀余量；

d.阀体颈部交叉半径r2=4 mm；

e.用作图法得到流体面积Af=1 094 mm2，金属面积Am=1 297 mm2；

f.阀体材料为TA22，查试验数据用插值法求得260 ℃下的许用应力S=116.4 MPa。

5.2.2 按ASME BPVC-III—2004《核设施部件建造规则》NB-3545.1 计算总体薄膜应力加弯曲应力

式中：1）总体薄膜应力σmO，即

式中：a.阀体拐角区的内半径ri，ri=15/2+5=12.5 mm；

b.阀体流道壁厚Tr=15 mm，考虑5 mm 腐蚀余量。

2）由管道反作用力引起的弯曲应力σb，即

式中：a. 管道材料未知，依据ASME BPVC-III—2004《核设施部件建造规则》NB-3545.2 中S'=200 MPa。

b.管道弯曲模数，Fb取Fb1和Fb2中的较大值，则

式中：管道的实际内径为de=15 mm。

内径稍大于de的壁厚系列40 管道的断面模数，

式中：D'=26.7 mm（内径稍大于de的标准40 管道外径）；

d'=20.9 mm（内径稍大于de的标准40 管道内径）；

ri'=10.45 mm（内径稍大于de的标准40 管道流道半径）；

Tr'=2.88 mm（内径稍大于de的标准40 管道壁厚）。

c.弯曲负荷应力系数取下述两者的较大值，Cb取0.335（r/Tr）2/3=0.335（30/10）2/3=0.697 或1，则Cb=1，

式中：拐角区阀体壁的平均半径r=30 mm。

d.阀体截面弯曲模数，即

式中：I=π（D4-d4）/64=198 804；

截面外径D=15+15×2=45 mm；

阀体流道直径d=15 mm。

5.3 A 级服役工况阀体交叉区域的应力计算

5.3.1 一次薄膜应力计算

式中：1）PA=PS=6.4 MPa（PS为260 ℃下的标准计算压力）；

2）其余参数参照5.2.1 节。

5.3.2 一次薄膜应力加弯曲应力计算

式中：1）总体薄膜应力σmA，即

2）其他参数参照5.2.1 节。

5.4 B 级服役工况阀体交叉区域的应力计算

5.4.1 一次薄膜应力计算

式中：1）PB=1.1PS=1.1×6.4=7.04 MPa（PS为260 ℃下的标准计算压力）；

2）其余参数参照5.2.1 节。

5.4.2 一次薄膜应力加弯曲应力计算

式中：1）总体薄膜应力σmB，即

2）其余参数参照5.2.1 节。

5.5 C 级服役工况阀体交叉区域的应力计算

5.5.1 一次薄膜应力计算

式中：1）PC=1.2PS=1.2×6.4=7.68 MPa（PS为260 ℃下的标准计算压力）；

2）其余参数参照5.2.1 节。

5.5.2 一次薄膜应力加弯曲应力计算

式中：1）总体薄膜应力σmC，即

2）其余参数参照5.2.1 节。

5.6 D 级服役工况阀体交叉区域的应力计算

5.6.1 一次薄膜应力计算

式中：1）PD=1.5PS=1.5×6.4=9.6 MPa（PS为260 ℃下的标准计算压力）；

2）其余参数参照5.2.1 节。

5.6.2 一次薄膜应力加弯曲应力计算

式中：1）总体薄膜应力σmD，即

2）其余参数参照5.2.1 节。

6 中法兰螺栓分析

6.1 按《核设施部件建造规则》附录Ⅺ-3221 确定螺栓负载

6.1.1 按《核设施部件建造规则》附录XI-3221.1 确定设计工况的螺栓负载

设计工况的螺栓负载

式中：1）中法兰密封面中径G=44.5 mm；

2）中法兰密封面的有效密封宽度b=7.5/2=3.75 mm；

3）垫片系数m=3；

4）设计压力P=6.4 MPa。

6.1.2 按《核设施部件建造规则》附录XI-3221.2 计算垫片压紧工况下的螺栓负荷

垫片压紧工况下的螺栓负载Wm2=3.14bGy=3.14×3.75×44.5×69=36 155 N，

式中：1）垫片最小设计压紧应力y=69 MPa；

2）其他数据同6.1.1 小节。

6.2 按《核设施部件建造规则》附录XI-3222 计算所需的和实际的螺栓总面积

6.2.1 设计工况所需的螺栓总面积计算

设计工况所需的总面积Am1=Wm1/Sb=30 070/140=214 mm2，

式中：1）设计工况的螺栓负载Wm1=30 070 N；

2）螺栓材料为TA31，在常温时的许用应力Sb=140 MPa；

6.2.2 垫片密封所需的螺栓总面积计算

垫片密封所需的螺栓总面积Am2=Wm2/Sb=36 155/140=258 mm2，

式中：1）用于垫片密封的螺栓负载Wm2=36 155 N；

2）螺栓材料为TA31，在常温时的许用应力Sb=140 MPa。

6.2.3 实际螺栓总面积

实际螺栓总面积Ab=π/4×（d-1.226 8p）2n=305 mm2≥Am2=258 mm2≥Am1=214 mm2【合格】，

式中：1）中法兰螺柱直径d=12 mm；

2）螺柱螺距p=1.75 mm；

3）螺柱个数n=4。

7 密封面上的总作用力及计算比压

7.1 必需比压的计算

式中：1）P=6.4 MPa（公称压力）；

2）bM=3 mm（阀体密封面的宽度）。

7.2 密封面上总作用力的计算

式中：1）密封面上密封力QMF=π（DMN+bM）bMqMF=3 405 N；

2）密封面上介质力QMJ=（DMN+bM）2p=2 010 N；

3）密封面内径DMN=17 mm；

4）密封面的宽度bM=3 mm；

5）必需比压qMF=18.07 MPa；

6）公称压力p=6.4 MPa。

7.3 计算比压的计算

7.4 计算比压校核

qMF=18.07 MPa

式中：密封面材料的许用比压[q]=150 MPa。

8 阀瓣最低开启压力计算

阀瓣处介质作用力

弹簧力

最后计算得阀瓣最低开启压力

式中：QT=10 N（弹簧作用力）。

9 阀杆强度校核

9.1 阀杆转矩计算

9.1.1 阀杆与填料摩擦力的计算

式中：1）填料系数查表ψ=0.73；

2）阀杆直径dF=14 mm；

3）填料宽度bT=4 mm；

4）公称压力p=6.4 MPa。

9.1.2 防转板摩檫力的计算

式中：1）阀杆中心到摩擦面中心距R=30.5 mm；

2）键槽与防转键间摩擦因数fJ=0.3；

3）关闭时螺纹摩擦半径RFM=1.76 mm。

9.1.3 关闭时阀杆总轴向力的计算

式中：关闭时弹簧力QMT=10 N。

9.1.4 开启时阀杆总轴向力的计算

9.1.5 关闭时阀杆总转矩的计算

9.1.6 开启时阀杆总转矩的计算

式中：开启时螺纹摩擦半径R'FM=1.37 mm。

9.2 阀杆强度验算

阀杆截面图如图15 所示。

图15 阀杆截面图

I-I 断面的截面积为AI=0.785×10.52=86.5 mm2；

II-II 断面的截面积为AII=90 mm2；

III-III 断面的截面积为AIII=0.785×142=154 mm2；

IV-IV 断面的截面积为AIV=0.785×102=78.5 mm2。

经分析，仅需对IV-IV 断面进行验算。

9.2.1 IV-IV 断面处的压应力计算

式中：1）关闭时阀杆总轴向力F'FZ=5 787 N；

2）IV-IV 断面的截面积为AIV=0.785×102=78.5 mm2；

3）阀杆材料为TA31，其许用压应力[σY]=154 MPa。

9.2.2 IV-IV 断面处的扭转应力计算

式中：1）关闭时阀杆总转矩M'FZ=10 185 N·mm；

2）IV-IV 断面的截面系数为WIV=π×103/16=196mm3；

3）阀杆材料为TA31，其许用扭转应力[τN]=93 MPa。

9.2.3 IV-IV 断面处的合成应力计算

10 阀瓣强度验算

阀瓣截面图如图16 所示。

图16 阀瓣截面图

10.1 Ⅰ-Ⅰ断面处的切应力计算

式中：1）密封面上总作用力QMZ=5415 N；

2）阀瓣内径d=15 mm；

3）阀瓣厚度tB=9 mm；

4）阀瓣腐蚀余量c=5 mm；

5）阀瓣材料为TC4，许用切应力[τ]=93 MPa。

10.2 Ⅰ-Ⅰ断面处的弯曲应力计算

式中：1）系数K2根据DMP/D 查表，得K2=0.135；

2）密封面平均直径DMP=DMN+bM=17+3=20 mm；

3）阀瓣尾部外径D=27 mm；

4）阀瓣材料为TC4，许用弯曲应力[σW]=186 MPa。

11 结束语

本文介绍了一种多功能阀门的设计与分析，在满足使用功能的基础上，进行了结构优化，可有效对带固体颗粒的废水、海水介质进行接通或切断。通过应力分析和校核计算，阀门的最大应力值远小于材料的许用应力值，安全系数较高，保证了工况下的完整性和可运行性。