基于有限元分析的多路閥活閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張博文，郭玉生

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著全球石油市場(chǎng)的動(dòng)蕩和石油價(jià)格的攀升，煤炭作為儲(chǔ)量巨大并且可能替代石油的資源受到越來(lái)越多的重視，通過(guò)化學(xué)加工手段可以使煤轉(zhuǎn)化為各種燃料和化工產(chǎn)品。懸浮床加氫工藝是煤直接液化的有效途徑，可以將煤轉(zhuǎn)化為各種氣體燃料、人造石油以及化學(xué)產(chǎn)品等，其反應(yīng)產(chǎn)物必須經(jīng)過(guò)減壓，減壓站位于熱高壓分離器后，需將懸浮床熱高壓分離罐來(lái)的熱高分油（含固）進(jìn)行減壓。減壓站擁有獨(dú)立入口，入口處安裝有1 臺(tái)2500 磅、8 英寸四通閥，1 入口3 出口，工作時(shí)閥門(mén)一路打開(kāi)，兩路備用，對(duì)其中一條備用路線進(jìn)行加熱保溫（一開(kāi)兩備、一條熱備、一條冷備）。由于使用條件苛刻，該四通閥長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，閥門(mén)及備件價(jià)格十分昂貴。介質(zhì)易燃易爆，溫度高達(dá)425 ℃，其中夾雜有高硬度固體顆粒，閥門(mén)工作壓力高達(dá)23 MPa，當(dāng)管路切換時(shí)需要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密切斷，惡劣的工況為閥門(mén)的密封系統(tǒng)提出了苛刻要求。在夾雜高硬度固體顆粒的惡劣的工況下，介質(zhì)對(duì)閥座的沖刷較為嚴(yán)重，為便于日后密封面硬質(zhì)合金的修復(fù)閥門(mén)采用活閥座設(shè)計(jì)，活閥座設(shè)計(jì)雖然便于后期更換及維修，但這相當(dāng)于在閥體及閥座之間增添了一處漏點(diǎn)，在高溫高壓工況下零件容易發(fā)生變形，因此活閥座與閥體間的密封尤為重要。

1 活閥座纏繞墊密封系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該閥門(mén)開(kāi)關(guān)位均可做到強(qiáng)制密封，開(kāi)位密封面與填料函為一體化設(shè)計(jì)，關(guān)位密封面位于活閥座處，轉(zhuǎn)接法蘭、填料函、與閥體3 者通過(guò)螺栓、螺母壓緊，活閥座被填料函壓緊在閥體內(nèi)，填料函及活閥座處加工有纏繞墊溝槽用以安裝纏繞墊，防介質(zhì)泄漏至閥體閥座之間，槽深3.3 mm、槽寬7 mm，閥體外部包裹保溫棉以減小閥門(mén)內(nèi)外溫差以及工況冷熱交變對(duì)閥門(mén)的影響（圖1）。

圖1 閥門(mén)密封系統(tǒng)

2 纏繞墊溝槽深度設(shè)計(jì)

金屬纏繞墊由纏繞鋼帶與各種填充料交替纏繞而成，石墨金屬纏繞墊適用于高溫、高壓環(huán)境，纏繞墊溝槽的深度和各種操作條件下的壓緊應(yīng)力是影響纏繞墊密封性能的關(guān)鍵因素。

活閥座需承受來(lái)自柱塞桿的密封壓力、熱應(yīng)力及介質(zhì)壓力，且零件整體外形接近薄壁圓筒，整體零件強(qiáng)度較低，因此要對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。在復(fù)雜工況下，零件和各個(gè)壓緊螺栓由于受介質(zhì)壓力、溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力、外力及彎矩的影響，可能產(chǎn)生不均勻變形，若變形量過(guò)大，則纏繞墊回彈亦無(wú)法滿(mǎn)足密封壓強(qiáng)，因此須對(duì)纏繞墊溝槽附近形變及纏繞墊上、下壓緊面間位移進(jìn)行分析。該閥門(mén)纏繞墊溝槽設(shè)計(jì)深度為3.3 mm，意味著在理想狀態(tài)下，纏繞墊上下壓緊面設(shè)計(jì)間距也為3.3 mm，在實(shí)際工況下保持好這一間距意味著纏繞墊才能有效密封。分別根據(jù)閥門(mén)開(kāi)、熱備、冷備3 種不同的操作狀態(tài)對(duì)活閥座的強(qiáng)度及上、下壓緊面沿軸向位移進(jìn)行有限元分析。

2.1 活閥座強(qiáng)度校核

活閥座纏繞墊溝槽內(nèi)壁厚度僅為10 mm，此處較為薄弱，分析3 種操作狀態(tài)下此處內(nèi)應(yīng)力分布（圖2）。

圖2 閥座纏繞墊溝槽附近應(yīng)力分布云圖

閥門(mén)介質(zhì)最高溫度可達(dá)400 ℃，雖然閥體外表面大部分區(qū)域包覆保溫棉，但保溫棉并非完全絕熱，且閥體法蘭面、填料函、轉(zhuǎn)接法蘭均暴露于空氣中，因此必須考慮閥門(mén)零件溫差所帶來(lái)的熱應(yīng)力。當(dāng)閥門(mén)處于開(kāi)位時(shí)，閥座處關(guān)位密封面不受來(lái)自柱塞的載荷，受閥門(mén)內(nèi)外溫差影響存在熱應(yīng)力，但整體應(yīng)力較小，最大應(yīng)力處僅為66 MPa，位于閥座圓筒薄壁處；在熱備狀態(tài)下，此支路閥門(mén)處于關(guān)位狀態(tài)，關(guān)位密封面收到來(lái)自柱塞的載荷，同時(shí)也受熱應(yīng)力影響，其最大應(yīng)力達(dá)到131 MPa；而在冷備狀態(tài)此處應(yīng)力分布與熱備狀態(tài)相近，密封面附近最大應(yīng)力達(dá)到134 MPa。在熱備狀態(tài)下閥體及內(nèi)件被加熱到與介質(zhì)相近的溫度，雖然密封系統(tǒng)整體溫度較高，但零件之間及零件內(nèi)部溫差較小，而在冷備狀態(tài)下閥門(mén)內(nèi)部與介質(zhì)接觸位置溫度較高，而暴露于空氣中的位置溫度較低，整個(gè)密封系統(tǒng)溫差較大，因此冷備狀態(tài)下最大應(yīng)力比熱備狀態(tài)下最大應(yīng)力稍高。閥門(mén)開(kāi)位及關(guān)位密封面處堆焊有特殊硬質(zhì)合金，合金抗壓耐沖蝕，硬度達(dá)到63 HRC，屈服強(qiáng)度＞909 MPa，且在400 ℃高溫工況下強(qiáng)度不受影響，密封面處最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，但此處應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，將產(chǎn)生不均勻形變，若形變量過(guò)大將影響纏繞墊密封，因此有必要對(duì)溝槽的形變進(jìn)行分析。

2.2 壓緊面間距位移及壓緊應(yīng)力

重點(diǎn)分析在3 種狀態(tài)下閥座處溝槽上、下壓緊面間距離與理想狀態(tài)下的偏差，此數(shù)據(jù)將直接影響纏繞墊的壓緊力（圖3）。

在3 種狀態(tài)下兩面間距離可通過(guò)測(cè)量?jī)擅骈g兩點(diǎn)的軸向位移相減后與設(shè)計(jì)溝槽深度3.3 mm 相加獲得，將結(jié)果列于表2，其中，兩面間距離=沿軸向上壓緊面位移-沿軸向下壓緊面位移+3.3。測(cè)量圖3種狀態(tài)下上下壓緊面間距如圖4 所示，處于開(kāi)位狀態(tài)的一路閥門(mén)活閥座處密封面不受來(lái)自于柱塞的壓力，此時(shí)僅靠螺母壓緊轉(zhuǎn)接法蘭及填料函，從而壓緊活閥座，受熱膨脹及纏繞墊預(yù)緊反作用力的影響，兩壓緊面間距增大0.033 mm，較理想狀態(tài)增大1%；處于熱備狀態(tài)的閥門(mén)活閥座處密封面被柱塞壓緊，兩壓緊面間距僅增大0.007 mm，較理想狀態(tài)增大0.22%，由此可見(jiàn)當(dāng)閥門(mén)處于關(guān)位狀態(tài)時(shí)，有利于活閥座處纏繞墊的密封；處于冷備狀態(tài)的閥門(mén)活閥座處密封面被柱塞壓緊兩壓緊面間距僅增大0.003 mm，較理想狀態(tài)僅增大0.09%。對(duì)比3 種狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，受熱膨脹影響，兩壓緊面間間距均有所增大，當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，即當(dāng)其處于熱備或冷備狀態(tài)時(shí)受柱塞壓緊關(guān)位密封面的影響增大值較小，在熱備狀態(tài)下此溝槽附近溫度較冷備狀態(tài)高，因此兩面間距稍大。3 種狀態(tài)下對(duì)比理想狀態(tài)兩面間距增大值均較小，根據(jù)文獻(xiàn)［4］所提供回歸方程得出計(jì)算壓緊應(yīng)力，在開(kāi)位狀態(tài)下其值最小，達(dá)到88 MPa，大于纏繞墊最小有效壓緊應(yīng)力70 MPa。因此從密封系統(tǒng)零件變形的角度考慮，該閥門(mén)三路密封系統(tǒng)均可對(duì)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)有效密封。

表2 壓緊應(yīng)力表

圖3 上下壓緊面

圖4 3 種狀態(tài)下上下壓緊面間距測(cè)量圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)階段，帶有纏繞墊和溝槽的活閥座的閥門(mén)樣閥已完成生產(chǎn)裝配，打水壓46 MPa，試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)API598 標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明按照上述理論設(shè)計(jì)纏繞墊溝槽深度的方法是可靠的。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹2500 Lb 四通閥門(mén)活閥座處纏繞墊的溝槽深度設(shè)計(jì)，通過(guò)理論計(jì)算及有限元分析得到此處應(yīng)力云圖、墊片壓縮量并計(jì)算得出壓緊應(yīng)力，為纏繞墊溝槽的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，該設(shè)計(jì)方法對(duì)閥門(mén)內(nèi)部纏繞墊溝槽設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。