基于有限元的節(jié)流截止放空閥結(jié)構(gòu)分析*

徐青青 ， 趙海芳 ， 朱 磊

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

0 引言

長輸管線在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用以及我國多項(xiàng)重點(diǎn)天然氣長輸管線項(xiàng)目的在建和擬建，大大增加了市場對節(jié)流截止放空閥的需求。高壓力大口徑的節(jié)流截止放空閥是石油、天然氣長輸管線的關(guān)鍵設(shè)備，其主要安裝在管道主泵出口，起到調(diào)節(jié)管道介質(zhì)、輸送流量的作用，是管線中最重要的閥門之一。課題組設(shè)計(jì)的24-900LB節(jié)流截止放空閥是專為石油、天然氣、成品油管線輸送系統(tǒng)而開發(fā)的啟、閉閥門裝置，具有節(jié)流、截止、放空等功能，可在管道維修、緊急放空時(shí)使用。該閥門的成功研制展現(xiàn)了我國在該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)能力，提高了閥門產(chǎn)品的市場競爭力，還對我國在高技術(shù)、精加工等領(lǐng)域和對外貿(mào)易方面產(chǎn)生了重大意義。

首先，高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥是在學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的特殊閥門。改進(jìn)的閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、閥板和閥座的密封面配置選擇，使得閥門具備自清潔、防腐蝕、耐沖刷等功能；其在調(diào)節(jié)流量時(shí)，操作方便；關(guān)閉閥門時(shí)，密封可靠；閥門工作壽命長達(dá)30年，且相關(guān)性能可以長期滿足工況要求[1]。

其次，課題組在設(shè)計(jì)研制放空閥的過程中，引進(jìn)了先進(jìn)制造技術(shù)/現(xiàn)代制造技術(shù)（AMT/MMT），進(jìn)行了閥門計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）。在ANSYS有限元軟件平臺上，建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，進(jìn)行了機(jī)械動(dòng)態(tài)數(shù)字化仿真、零件到裝配/結(jié)構(gòu)件到整體分析、應(yīng)力與變形分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析、強(qiáng)度校核、焊接溫度場和殘余應(yīng)力分析[2]。

最后，在有限元分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化放空閥的結(jié)構(gòu)并試制最高壓力為22 MPa的900通徑高壓力超大口徑放空閥，實(shí)現(xiàn)閥門設(shè)計(jì)與開發(fā)數(shù)字化，確保所設(shè)計(jì)閥門的質(zhì)量和可靠性。

1 放空閥的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓力大口徑硬密封調(diào)節(jié)型放空閥在國內(nèi)長輸油管線、煉油廠、油罐區(qū)、油田管道等管路中占有重要地位，但當(dāng)前大多使用進(jìn)口產(chǎn)品。進(jìn)口產(chǎn)品不但價(jià)格昂貴，而且維修時(shí)間長、售后服務(wù)困難。高壓力大口徑硬密封調(diào)節(jié)型節(jié)流截止放空閥主要在輸送管道泵出口處使用，起到調(diào)節(jié)管道介質(zhì)、輸送流量的作用，它是在學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的特殊閥門，具備結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高，密封、調(diào)節(jié)性能好，耐沖蝕、抗磨損及使用壽命長等特點(diǎn)[3]。

1.1 高壓力大口徑調(diào)節(jié)型放空閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵參數(shù)的初步設(shè)計(jì)

放空閥主要用于油氣管道運(yùn)輸，工作時(shí)采用法蘭連接、全通徑、單平板、半導(dǎo)流閘板、全浮動(dòng)結(jié)構(gòu)；采用雙活塞效應(yīng)（DBB）閥座、雙向雙密封（DIB-1）；采用硬密封、軟密封加緊急注脂密封的多重密封結(jié)構(gòu)；采用閥桿防飛出結(jié)構(gòu)；采用高強(qiáng)度、抗外力，防靜電、防火結(jié)構(gòu)[4]。閥體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閥體的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 閥門內(nèi)腔壓力自平衡設(shè)計(jì)

閥門采用內(nèi)腔壓力自平衡設(shè)計(jì)，如圖2所示。由于閥門具備高壓力、大口徑等特點(diǎn)，為減輕閥門的重量與全壓差下的啟閉扭矩，閥瓣采用鏤空設(shè)計(jì)[5]。在閥瓣上設(shè)置介質(zhì)壓力平衡孔、閥瓣導(dǎo)套，采用活塞式密封，保證啟閉全壓差條件下穩(wěn)定操作，開啟輕便靈活、啟閉扭矩小。

圖2 閥門內(nèi)腔壓力自平衡設(shè)計(jì)

1.3 閥桿防飛出設(shè)計(jì)

閥桿設(shè)計(jì)為倒T形、帶圓錐形上密封面結(jié)構(gòu)，如圖3所示。裝配閥桿時(shí)倒裝入閥蓋，可防止閥桿被介質(zhì)壓力吹出，確保閥門安全運(yùn)行[6]。

圖3 閥體防飛出設(shè)計(jì)

1.4 雙重密封設(shè)計(jì)

當(dāng)壓力作用于閥板時(shí)，強(qiáng)制閥板緊貼閥座鑲嵌的PTFE密封圈，并壓縮其直到閥板停止在閥座金屬密封面上，這樣就形成了軟硬雙重密封。雙重密封設(shè)計(jì)如圖4所示。先是PTFE對金屬密封，然后是金屬對金屬密封，閥座也被牢固地推到凹槽，O型圈阻止任何后部介質(zhì)流[7]。

圖4 雙重密封設(shè)計(jì)

1.5 自動(dòng)泄壓設(shè)計(jì)

當(dāng)閥門中腔壓力異常升高時(shí)，中腔壓力推動(dòng)浮動(dòng)式閥座，將中腔壓力釋放到上游或下游管道。當(dāng)中腔壓力降低時(shí)，兩端介質(zhì)推動(dòng)閥座緊貼閥板，從而達(dá)到密封效果[8]。圖5為自動(dòng)泄壓設(shè)計(jì)。

圖5 自動(dòng)泄壓設(shè)計(jì)

2 放空閥的有限元數(shù)據(jù)分析

課題組設(shè)計(jì)閥體壓力為15 MPa、16.5 MPa、22 MPa，分別對不同工況下閥體關(guān)閉狀態(tài)的應(yīng)力與變形分布進(jìn)行分析。

1）根據(jù)設(shè)計(jì)壓力為15 MPa的工況，對閥體關(guān)閉狀態(tài)下的應(yīng)力與變形分布進(jìn)行分析。

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。閥體內(nèi)腔設(shè)計(jì)壓力為15 MPa，約束和加載圖如圖6所示。

圖6 約束和加載圖

閥體內(nèi)壁變形分布云圖如圖7（a）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。閥體外壁變形分布云圖如圖7（b）所示。閥體外壁最大變形分布在上蓋與閥體貫穿處。通過模擬計(jì)算，得到閥體最大等效應(yīng)力為211 MPa，分布在內(nèi)孔對稱面的邊緣處[9]。

圖7 閥體15 MPa變形分布云圖

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

閥體內(nèi)壁變形分布云圖如圖8（a）所示，最大變形分布在內(nèi)孔相交處。閥體外壁變形分布云圖如圖8（b）所示，最大變形分布在上蓋與閥體貫穿處。

圖8 閥體16.5 MPa變形分布云圖

3）根據(jù)密封試驗(yàn)壓力為22 MPa的工況，對閥體關(guān)閉狀態(tài)下的變形分布進(jìn)行分析。

閥體內(nèi)壁變形分布云圖如圖9（a）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)孔處。閥體外壁變形分布云圖如圖9（b）所示。閥體外壁最大變形分布在上蓋與閥體貫穿處。

圖9 閥體22 MPa變形分布云圖

3 結(jié)論與展望

近年來，世界上主要油氣生產(chǎn)國大量使用長輸管線來解決油氣資源的運(yùn)輸問題，石油、天然氣長輸管線得到了廣泛的應(yīng)用和長足的發(fā)展。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。創(chuàng)新設(shè)計(jì)節(jié)流截止放空閥，符合國家產(chǎn)業(yè)政策，符合高速發(fā)展的長

輸管線市場需求，其在石油、天然氣長輸管線市場中需求迫切，故節(jié)流截止放空閥的發(fā)展?jié)摿薮?，?yīng)用前景廣闊[10]。

課題組的主要工作和研究成果如下：

1）設(shè)計(jì)了高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥的原理方案，完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，包括閥體結(jié)構(gòu)、閥蓋結(jié)構(gòu)、閥芯結(jié)構(gòu)、閥桿結(jié)構(gòu)、閥座、節(jié)流套等。

2）在SolidWorks中建立了放空閥的三維模型，利用ANSYS軟件建立了高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥的仿真模型，根據(jù)不同工況對閥體關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力與變形受力分析，并形成有限元分析報(bào)告。通過仿真分析，驗(yàn)證了放空閥的功能和性能，實(shí)現(xiàn)閥門設(shè)計(jì)與開發(fā)數(shù)字化，確保閥門設(shè)計(jì)與開發(fā)的質(zhì)量和可靠性。

3）在仿真的基礎(chǔ)上，優(yōu)化放空閥的結(jié)構(gòu)并試制了最高壓力22 MPa的900通徑高壓力大口徑節(jié)流截止放空閥的樣機(jī)。試驗(yàn)表明，放空閥的整體性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。