一種節(jié)流截止放空閥的設(shè)計(jì)研制*

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

1 研究內(nèi)容與研究方案

按照中石油技術(shù)條件與產(chǎn)品有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，開發(fā)高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥—24”-900LB 整體設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)圖紙（含設(shè)計(jì)文件），并成功試制高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥1 臺，完成要求的檢驗(yàn)與試驗(yàn)，全面達(dá)到國產(chǎn)化試制的技術(shù)條件和試驗(yàn)大綱的要求，并滿足石油、天然氣長輸管線的用戶使用要求[1-2]。

1）主要研究內(nèi)容如下：①高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥—24”-900LB 原理方案設(shè)計(jì)、關(guān)鍵參數(shù)初步設(shè)計(jì)；②利用ANSYS 軟件根據(jù)不同工況對閥體關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力與變形分布進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)閥門產(chǎn)品開發(fā)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、計(jì)算和驗(yàn)證[3]；③試制高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥，并對整機(jī)性能試驗(yàn)。

2）主要技術(shù)方案如下：①采用法蘭連接、節(jié)流、截止、放空、電動(dòng)結(jié)構(gòu)；②閥門密封采用硬密封結(jié)構(gòu)；③填料密封采用上密封、填料密封、加緊急注脂密封的多重密封結(jié)構(gòu)；④控制流量時(shí)能連續(xù)的平穩(wěn)操作技術(shù)，閥門開關(guān)靈活技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；⑤閥桿防飛出結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度、抗外力[4]。

2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 創(chuàng)新點(diǎn)

1）本設(shè)計(jì)的閥門采用多級節(jié)流設(shè)計(jì)，如圖1 所示。在閥門剛開啟時(shí)通過閥瓣錐度對介質(zhì)流量進(jìn)行初步節(jié)流，隨著閥瓣遠(yuǎn)離閥座，則通過節(jié)流套對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)閥門達(dá)到全開時(shí)，可實(shí)現(xiàn)介質(zhì)放空。

圖1 閥門的多級節(jié)流設(shè)計(jì)

2）閥瓣與閥座采用硬密封錐面密封結(jié)構(gòu)型式，如圖2所示。閥瓣的長錐度密封面具有初步節(jié)流功能，同時(shí)利于閥門利用介質(zhì)吹掃附在密封面上的臟物；閥瓣與閥座采用特殊工藝噴涂密封面，耐腐蝕、耐沖刷、耐磨損，保證閥門長期密封可靠。在控制流量時(shí)能連續(xù)的平穩(wěn)操作，閥瓣在關(guān)閉時(shí)能達(dá)到零泄漏的要求。

圖2 閥瓣與閥座的密封設(shè)計(jì)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

1）閥芯的節(jié)流設(shè)計(jì)。閥門以閥芯節(jié)流套的節(jié)流為主要節(jié)流手段，節(jié)流套采用鍛造不銹鋼加工而成，在節(jié)流套外徑均布細(xì)長形節(jié)流槽，節(jié)流槽的面積經(jīng)過科學(xué)、精確的計(jì)算，使閥門具有更精準(zhǔn)的節(jié)流性能、污物通過性、降低介質(zhì)通過時(shí)的噪音，同時(shí)通過對節(jié)流槽表面進(jìn)行淬火處理，提高其耐沖刷性、耐磨損性能[5]。如圖3 所示。

圖3 閥芯的節(jié)流設(shè)計(jì)

2）先進(jìn)的研磨技術(shù)。大口徑、高壓力節(jié)流截止放空閥的閥瓣與閥座為保證密封性能，在完成精磨削加工后需再采用“配對”精密研磨加工。由于閥瓣和閥座的硬度比較高，故先采用進(jìn)口的磨料、工藝、工裝，在引進(jìn)和改制的精密磨床上進(jìn)行第一遍精磨削加工，后采用專門研制的研磨工裝對閘板與閥座進(jìn)行“配對”精密研磨，最終密封效果可達(dá)“零”泄漏[6]。

3 閥體在不同工況壓力載荷下強(qiáng)度與變形分析

3.1 閥體的網(wǎng)格模型

閥體沿流道軸線與閥桿運(yùn)動(dòng)軸線所在平面對稱[7]，以對稱面為基準(zhǔn)分析，在Solidworks 中生成三維模型，如圖4 所示。

圖4 閥體實(shí)體模型

對閥體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用自動(dòng)網(wǎng)格生成，并對閥體流道處進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格加密精度為中等。網(wǎng)格模型如圖5 所示。

圖5 閥體網(wǎng)格分布圖

3.2 工況分析

對閥體關(guān)閉狀態(tài)下的應(yīng)力與變形分布進(jìn)行分析。施加約束主要考慮閥體兩端的流道約束以及閥外支座的支撐作用，對流道左端面施加固定約束A，對流道右端面施加位移約束B。前視基準(zhǔn)面施加對稱約束。

1）設(shè)計(jì)壓力工況。根據(jù)設(shè)計(jì)壓力15MPa 工況，對閥體關(guān)閉狀態(tài)下的應(yīng)力與變形分布進(jìn)行分析。閥體應(yīng)力，通過模擬計(jì)算得到閥體的等效應(yīng)力分布云圖，最大等效應(yīng)力為211MPa，分布內(nèi)孔對稱面的邊緣處。閥體內(nèi)壁變形，閥體內(nèi)壁變形分布如圖6 所示，由于閥體結(jié)構(gòu)左右對稱，因此閥體變形量也基本左右對稱。最大變形分布在上蓋內(nèi)孔相交處。閥體外壁變形，閥體外壁變形分布經(jīng)計(jì)算，閥體外壁最大變形分布在上蓋與閥體貫穿處。

2）密封試驗(yàn)工況。根據(jù)密封試驗(yàn)壓力為16.5MPa 工況，對閥體關(guān)閉狀態(tài)下的應(yīng)力與變形分布進(jìn)行分析。

3）強(qiáng)度試驗(yàn)工況。根據(jù)密封試驗(yàn)壓力為22.5MPa 工況，對閥體關(guān)閉狀態(tài)的應(yīng)力與變形分布進(jìn)行分析。

4）閥門擠壓工況。管道和袖管在管道介質(zhì)力作用下，由于管道末端封堵在戒指軸向力作用下對閥體和袖管施加擠壓力，分析其擠壓力作用下應(yīng)力分布。對閥體一端施加固定約束C，管道另一端施加壓力，此外對該端施加軸向均布擠壓力D，載荷及約束如圖6 所示。

圖6 閥體施加約束圖

5）閥門拉伸工況。管道在管道介質(zhì)力作用下，由于管道末端封堵在戒指軸向力作用下對閥體和袖管施加拉伸力，分析其拉伸力作用下應(yīng)力分布。

4 后續(xù)研究建議

1）高壓大口徑節(jié)流截止放空閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍需要得到進(jìn)一步優(yōu)化。通過對壓力容器、壓力管道和閥門相關(guān)行業(yè)及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工藝的對比研究，探索更多的更優(yōu)化、更合理的閥門結(jié)構(gòu)，以達(dá)到高壓大口徑節(jié)流截止放空閥使用性能良好、安全可靠、使用壽命延長之目的。

2）閥瓣和閥座噴焊密封面仍需要得到進(jìn)一步的探索和優(yōu)化，以提高涂層的一次探傷合格率。通過焊接設(shè)備、焊接工藝參數(shù)、焊材和焊工技能等多方面的改進(jìn)，確保閥瓣和閥座一次探傷合格率達(dá)到100%，從而保證閥門安全性能的進(jìn)一步提高和閥門制造成本的降低。

5 結(jié)語

高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥是石油、天然氣長輸管線的基礎(chǔ)設(shè)備、關(guān)鍵設(shè)備，在石油、天然氣長輸管線中，市場需求迫切，市場潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊。通過高壓大口徑節(jié)流截止放空閥的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研的合作，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)圖紙，解決了高壓大口徑節(jié)流截止放空閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析計(jì)算、大口徑閥體加工、閥瓣噴焊及加工、閥座的噴焊及加工等研究試驗(yàn)及高壓大口徑閥門裝配、檢驗(yàn)與試驗(yàn)等難題，合作單位應(yīng)用全新的先進(jìn)工藝、設(shè)備和檢測試驗(yàn)儀器，為高壓大口徑節(jié)流截止放空閥批量生產(chǎn)做好了技術(shù)、裝備和專業(yè)人才的準(zhǔn)備，為高壓大口徑節(jié)流截止放空閥推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。