夾板閥改型優(yōu)化設計

石巖

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.067

摘 要：為進一步改善和提高夾板閥在使用過程中操作安全性、工作效率以及后期維護易損件的快速互換性；通過收集和分析一線操作者的反饋信息對傳統(tǒng)夾板閥進行結構改型優(yōu)化設計；試驗表明啟閉功能完全能夠滿足使用需求且維護快捷，設計結構簡潔新穎、安全穩(wěn)定尤其是在造價成本上無論是改造還是重新加工制造都得到了節(jié)約，同時也為進一步設計和制造高技術含量管道夾板閥積累技術經驗，這對從事管道開孔、封堵施工作業(yè)能力的提高也具有一定幫助作用。

關鍵詞：夾板閥 旁通閥 互換性 浮動密封 強度計算

中圖分類號：TM304 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（b）-0067-02

夾板閥是石油天然氣管線維搶修、管線建設施工中開孔和封堵施工作業(yè)中的重要設備，配合三通、開孔機、封堵缸以及結合器完成管線開孔、封堵，從而進行旁通引流斷管改線等施工任務的專用閥門，其密封性、操作方式以及應急維護等方面的優(yōu)劣對管線施工有重要的影響。針對傳統(tǒng)夾板閥存在的一些潛在失效模式進行定性預定量分析，并結合力學模型進行校核計算，確定保證強度穩(wěn)定性機械幾何結構。

1 設計原理分析

1.1 技術背景

夾板閥又稱三明治閥，主要由閥體、閥芯及驅動閥芯啟閉的絲杠或液壓系統(tǒng)組成，目前經常使用的老式夾板閥主要以三片式結構為主，即由上下閥體和閥芯組成，密封形式是在閥芯兩側上加工凹槽通過壓圈固定O型圈，此種硬性密封僅能實現(xiàn)單向密封，也就是說，單側受壓力作用僅有一道密封起作用，當閥芯兩側壓力不能達到100%平衡時，驅動閥芯可能會導致受力側密封圈被剪切造成泄露風險；其次中腔未和上下閥腔壓力平衡孔連通也有可能存在憋壓現(xiàn)象，導致啟閉閥芯困難；再次針對一些進口的夾板閥，為防止在工作狀態(tài)下意外拆卸旁通閥造成事故，將旁通閥通過腔體平衡孔中的定位管鎖定，雖然提高了安全系數(shù)，但是在進行壓力試驗或是在施工現(xiàn)場當旁通閥O型密封圈出現(xiàn)損壞泄露時，需要拆卸整個閥體，才可以更換所以部件互換性較差，無形中增加勞動工作量尤其在緊急情況下嚴重影響工程進度。

還有一種比較常用的焊接式三片夾板閥，此種形式有值得學習和借鑒地方就是采用浮動雙向密封、雙道密封來防止由于密封圈剪切造成泄漏。但是浮動調節(jié)量基本是一個定值，不能實現(xiàn)線性可調控制彈簧壓縮量，其結構形式是用卡環(huán)片插入浮動環(huán)圓周槽內，通過螺釘固定在閥體凹槽內，在工作狀態(tài)下浮動環(huán)與閥芯密封的接觸間隙應為0.5mm，如此小的量值主要受彈簧的理論壓縮量計算值、浮動環(huán)厚度、閥體凹槽深度3個因素影響，變量因素較多，制造、裝配影響不便于精準控制。尤其是在裝配時測量所有均布彈簧壓縮高度值，若彈簧過長壓縮量過多浮動環(huán)與閥體件相互作用力過大導致閥芯啟閉困難密封圈受剪切損壞；若彈簧壓縮量過小，自身作用力未能起到支撐閥芯的目的，當閥芯受到管道中介質作用力抵消時大于彈簧力，導致受力側不能密封僅是未受力側單道密封。此外，旁通閥仍使用錐體硬機械密封且密封面在閥體本身，當閥體椎體密封面損壞時維修閥體的經濟成本也相當大，同時還需要考慮材料的可焊接性、無損檢測等方面采取嚴格有效的控制措施，因為有焊縫存在的地方就有可能存在一定潛在的風險，制造成本也相對較高。

1.2 設計幾何結構

首先，針對以上問題從整體結構重要功能性分析入手，考慮重量和加工成本確定為兩片式結構即由上下閥體和閥芯組成，由于夾板閥屬于非標元件，根據(jù)GB 150.3將其抽象成非圓形平蓋法蘭并當量成圓形平蓋法蘭進行閥體厚度計算（具體計算過程收錄在參考文獻[1]中）；同時結合有限元和彈性力學的理論，利用ANSYS軟件進行參數(shù)化建模，并通過帶有接觸關系的結構有限元分析來驗證常規(guī)算法；加工制造采用CNC整體加工成型，由于不存在焊接材料上選取許用應力較高鉻鉬鋼鍛造進行制造，盡可能在滿足安全可靠性的前提下降低結構重量。外觀形式符合目前無障礙功能操作設計理念，用于緊固上下閥體的雙頭螺柱六角螺母改型設計成開槽圓形螺母裝配入閥體表面沉孔中，既滿足閥體本身強度要求，又不影響實際施工作業(yè)中對使用工器具操作功能的障礙影響，吊裝設計一改傳統(tǒng)吊環(huán)螺釘?shù)跹b方式，增設專用吊具滿足施工現(xiàn)場整體水平、傾斜吊裝及二次搬運的安全性和便捷性。

其次，從安全角度考慮密封形式為浮動雙向雙道密封，具體結構上一版分析試驗樣圖首先采用依靠上下閥體嵌入式碟形彈簧來控制裝有密封圈的浮動環(huán)與閥芯間隙實現(xiàn)密封，碟形彈簧是在軸向上呈錐形并承受負載的特殊彈簧，在承受負載變形后，儲蓄一定的勢能，當浮動環(huán)與閥芯間隙過大時，碟形彈簧釋放部分勢能以保持壓力間隙達到密封要求。碟形彈簧應力分布由里到外均勻遞減，能夠實現(xiàn)低行程高補償力的效果。雖然結構形式簡單但是由于單片碟形彈簧負載變形特性曲線呈非線性關系，其變形量和負荷值往往不能滿足負載較大時夾板閥的使用要求，也就是說要微調控制其有效行程比較困難。經過二次分析論證最終采用常規(guī)圓柱螺旋壓縮彈簧，在浮動環(huán)徑向外側設有密封圈與閥體配合密封，一側端面加工鑲嵌密封圈凹槽并用密封壓環(huán)固定，另一側圓周均布設置安裝彈簧的螺紋孔，再將封裝彈簧放置入孔中蓋上旋帽通過旋轉外螺紋環(huán)調整彈簧至計算壓縮量的適當高度，最后將浮動環(huán)部件整體裝入閥體并用定位塊鎖定，此種方式僅需要控制調節(jié)彈簧旋帽高度即可，影響因素較少并且可控，即使存在一定加工精度誤差，通過調節(jié)也可彌補誤差，實現(xiàn)對彈簧線性連續(xù)微量調節(jié)。優(yōu)化設計后的浮動環(huán)結構將密封圈、彈簧及其調節(jié)件集成于一體，實現(xiàn)密封、可微調封裝式結構，確保閥芯兩側均一直處于均衡受力始終保持雙道密封狀態(tài)，導軌主要起到導向的作用這樣可以使閥芯啟閉順暢自如，不會出現(xiàn)卡塞現(xiàn)象。

最后，以便后期保養(yǎng)維護角度考慮，在壓力平衡裝置旁通閥的結構設計方面，將其設計成獨立密封結構，錐形閥針與其配合密封的錐形孔體通過雙層螺紋裝配，密封錐面單體零件便于在數(shù)控機床上加工制造及表面熱處理，當部件出現(xiàn)損壞時可以整體更換，從而不用在閥體上加工錐形密封面，降低加工難度，裝配時閥座從閥體內部圓形定位孔裝入，閥體及閥針從閥體外側裝入閥體定位孔中，旋轉端蓋螺母將閥座閥體擰緊，并將端蓋用螺釘緊固于閥體上。實際操作時在閥體外側旋擰閥針使上下閥體壓力平衡，同時也不會因機械震動導致螺紋松動或意外人為拆卸造成危險事故，進行壓力試驗及現(xiàn)場維護更換方便，不依賴整個閥體。

2 結語

通過前期試驗以及在石油天然氣管道開孔、封堵施工應用中的反饋信息表明，公稱通徑DN300以上均可采用改型后的兩片式浮動雙道密封夾板閥結構配合機械螺紋驅動，DN500以上考慮到受力較大不便于機械驅動，可采用液壓驅動性能良好，且適用于各種高、中、低壓的不同壓力等級，無論是靜態(tài)密封還是機械帶負荷運轉穩(wěn)定性等各項性能指標可以滿足使用要求，維修、拆裝方便，結構簡易，備件集成化程度高，互換性較好，大大提高了施工作業(yè)效率，反應效果良好。

參考文獻

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