DN2400PN10特大型活塞式調(diào)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

丁昌斌，李志鵬

（1.博納斯威閥門股份有限公司，天津 301802；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

人多水少，水資源時(shí)空分布不均，水資源供求矛盾突出是我國(guó)的基本國(guó)情。興建必要的引調(diào)水工程是優(yōu)化我國(guó)水資源配置戰(zhàn)略格局，緩解資源性缺水矛盾，提高水資源安全保障能力的重要措施。近幾年，我國(guó)引調(diào)水工程在數(shù)量上呈現(xiàn)逐漸增多以及逐漸加快的趨勢(shì)，規(guī)模上也呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，而調(diào)流閥在引調(diào)水工程中的運(yùn)用也越來(lái)越多，并且口徑也越來(lái)越大，在黃水東調(diào)二期工程中就需要配套DN2400mm、PN10bar特大型活塞式調(diào)流閥。本文結(jié)合工程中對(duì)調(diào)流閥的具體要求，對(duì)黃水東調(diào)二期工程中全球最大口徑的DN2400mm、PN10bar活塞式調(diào)流閥進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，以滿足工程工況調(diào)節(jié)流量的要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)流閥采用活塞軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，介質(zhì)流道呈流線紡錘形設(shè)計(jì)，出口處介質(zhì)向軸心收縮，閥體內(nèi)置雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)活塞?；钊秸{(diào)流閥安裝于調(diào)控閥井處，閥門口徑DN=2400mm，公稱壓力PN=10bar，閥門前后壓差△P=10m，流量調(diào)節(jié)范圍Q=0-5m3/s。

1.1 閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型調(diào)流閥的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度一般取值為1.5DN，具體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定。DN2400調(diào)流閥結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度初步確定為3600mm，由于閥體的長(zhǎng)度太長(zhǎng)，無(wú)法加工閥體端法蘭及內(nèi)腔，則需要將閥體分段設(shè)計(jì)。而閥體分段的設(shè)計(jì)方案有三種形式，具體型式如圖1所示。

圖1 閥體三種分段形式

型式（a）中分別在閥體上游端和下游端分段，分為進(jìn)水閥體、中間體和出水閥體三個(gè)部件，進(jìn)水閥體長(zhǎng)度為900mm，中間體長(zhǎng)度為1900mm，出水閥體長(zhǎng)度為1000mm，總長(zhǎng)為3800mm。進(jìn)水閥體、中間體和出水閥體之間采用法蘭連接形式，加工有定位止口定位，法蘭連接面設(shè)置有兩道O形密封圈保證法蘭面密封。分段后長(zhǎng)度滿足加工設(shè)備的加工范圍。

型式（b）中在閥體上游端分段，分為進(jìn)水閥體和出水閥體兩個(gè)部件，進(jìn)水閥體長(zhǎng)度為900mm，出水閥體長(zhǎng)度為2700mm，總長(zhǎng)為3600mm。進(jìn)水閥體和出水閥體之間采用法蘭連接形式，加工有定位止口定位，法蘭連接面設(shè)置有兩道O形密封圈保證法蘭面密封。分段后長(zhǎng)度滿足加工設(shè)備的加工范圍。

型式（c）中在閥體下游端分段，分為進(jìn)水閥體和出水閥體兩個(gè)部件，進(jìn)水閥體長(zhǎng)度為2700mm，出水閥體長(zhǎng)度為1000mm，總長(zhǎng)為3700mm。進(jìn)水閥體和出水閥體之間采用法蘭連接形式，加工有定位止口定位，法蘭連接面設(shè)置有兩道O形密封圈保證法蘭面密封。分段后長(zhǎng)度滿足加工設(shè)備的加工范圍。

將閥體分段的三種型式進(jìn)行比較，其中型式（a）的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度最長(zhǎng)，并且多一對(duì)連接法蘭，重量最重，成本最高，但易于加工；型式（b）結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度最短，重量最輕，并且閥體內(nèi)腔導(dǎo)軌部分沒(méi)有分段，能夠保證導(dǎo)軌的同軸度；型式（c）結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度比型式（a）短，比型式（b）長(zhǎng)，重量處于型式（a）和型式（b）之間，由于是閥體下游端分段，導(dǎo)軌部分也是分段加工，這樣閥體的整體加工精度沒(méi)有型式（b）好。通過(guò)以上三種型式的比較，選擇重量輕，成本低，并且易于保證閥體整體加工精度的型式（b）最合適，也能滿足閥門的設(shè)計(jì)要求。

1.2 閥體軸座部分設(shè)計(jì)

由于閥門口徑大，閥體最大外圓直徑達(dá)到了3240mm，則閥軸的長(zhǎng)度達(dá)到了2800mm，閥體內(nèi)支撐閥軸的軸座鏜孔深度達(dá)到了2630mm，鏜床無(wú)法加工。為了解決閥體軸座加工問(wèn)題現(xiàn)將閥體軸座部分設(shè)計(jì)為通孔式，如圖2所示。加工時(shí)，先加工中法蘭端的軸孔，然后將閥體旋轉(zhuǎn)180°，再加工對(duì)稱端的軸孔，以便于滿足閥體軸孔的加工要求。

圖2 閥體軸座

1.3 其他部件設(shè)計(jì)

為了便于調(diào)流閥鼠籠位置清理渣滓，在閥體下游端周圈設(shè)置有檢修孔，如圖3所示。其余部件設(shè)計(jì)采用常規(guī)設(shè)計(jì)方案，即可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 閥體下游端

2 主要部件有限元分析

三維有限元分析軟件采用多階高次方程幾何分析方式對(duì)三維模型進(jìn)行有限元分析，目的是為了檢驗(yàn)閥門主要受力部件（閥體、活塞、活塞架）剛強(qiáng)度性能是否滿足許用要求。

2.1 閥體有限元分析

根據(jù)實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)閥體壁厚計(jì)算公式：

式中，tB’為計(jì)算厚度，mm；P為計(jì)算壓力，10bar；Dn為閥體最大內(nèi)徑，3240mm；σL：許用拉應(yīng)力，58MPa；C為腐蝕余量，3mm。

計(jì)算得tB'=39.7mm，取閥體壁厚實(shí)際值=45mm，大于，滿足設(shè)計(jì)要求。

閥體分為進(jìn)水閥體和出水閥體兩部分，分別進(jìn)行有限元分析，全部采用多階高次方程曲線幾何劃分網(wǎng)格，在殼體試驗(yàn)壓力1.5MPa閥門處于全開狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力和形變仿真計(jì)算，其材料為QT450-10，屈服強(qiáng)度為310MPa，由于整個(gè)閥門屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在滿足仿真要求的基礎(chǔ)上取閥體的一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，應(yīng)力仿真結(jié)果如圖4所示，形變仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 進(jìn)水閥體應(yīng)力仿真圖

圖5 進(jìn)水閥體形變仿真圖

由進(jìn)水閥體應(yīng)力仿真圖可以看出進(jìn)水閥體應(yīng)力集中出現(xiàn)在進(jìn)水閥體的入口區(qū)域內(nèi)側(cè)。最大應(yīng)力值70.098MPa小于屈服強(qiáng)度（310MPa）的1/3(103MPa)，滿足設(shè)計(jì)要求。

由進(jìn)水閥體形變仿真圖可以得知最大形變出現(xiàn)在進(jìn)水閥體的中間區(qū)域，并向兩邊逐漸縮小。最大形變值為0.2869mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

得到出水閥體應(yīng)力仿真云圖如圖6所示，形變仿真云圖如圖7所示。

圖6 出水閥體應(yīng)力仿真圖

圖7 出水閥體形變圖

由出水閥體應(yīng)力仿真圖可以得知，其應(yīng)力集中出現(xiàn)在出水閥體外殼內(nèi)側(cè)導(dǎo)流板附近區(qū)域和出水閥體外殼外側(cè)導(dǎo)流板之間的區(qū)域。最大應(yīng)力值101.96MPa小于屈服強(qiáng)度（310MPa）的1/3(103MPa)，滿足設(shè)計(jì)要求。

由出水閥體形變圖可以看出，最大形變集中出現(xiàn)在出水閥體外殼導(dǎo)流板之間的區(qū)域，并由區(qū)域中心向四周逐漸縮小。最大形變值為0.54617mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 活塞有限元分析

對(duì)活塞部分進(jìn)行有限元分析，全部采用多階高次方程曲線幾何劃分網(wǎng)格，在密封試驗(yàn)壓力1.1MPa閥門處于全關(guān)狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力和形變仿真計(jì)算，其材料為06Cr19Ni0，屈服強(qiáng)度為205MPa，由于活塞屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在滿足仿真要求的基礎(chǔ)上取活塞的一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到其應(yīng)力仿真如8圖所示，變形如圖9所示。

圖8 活塞應(yīng)力仿真圖

圖9 活塞形變仿真圖

由活塞應(yīng)力仿真圖可以看出其應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在導(dǎo)軌與活塞相接觸部分的內(nèi)側(cè)面。最大應(yīng)力值43.122MPa小于屈服強(qiáng)度（205MPa）的1/3(68MPa)，滿足設(shè)計(jì)要求。

由活塞形變仿真圖可以看出活塞的最大形變出現(xiàn)在活塞與水直接接觸的各個(gè)面，并由各個(gè)面的中心向四周逐漸縮小。最大形變值為0.081996mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）閥門結(jié)構(gòu)型式合理，且重量最輕，成本最低，滿足設(shè)計(jì)、制造要求。

（2）閥門主要部件經(jīng)過(guò)有限元分析，從應(yīng)力分布云圖上可以看出，主要部件局部應(yīng)力和平均應(yīng)力均滿足許用要求，剛強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。