淺析平衡式截止閥設計及應用

祖 昱（沈陽三三牌閥門制造有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

淺析平衡式截止閥設計及應用

祖 昱
（沈陽三三牌閥門制造有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

摘 要：截止閥在管路運行中，通過操控閥件（旋轉手輪）帶動閥桿軸向運動來啟閉閥瓣對介質進行流通和阻斷控制，從而實現管路連通與關閉。在閥瓣啟閉過程中閥瓣及密封面會受到介質的沖擊力，而且隨著工稱壓力和公稱通徑的增加，沖擊力增大，這樣會使閥門關閉力相當大，從而使閥門外形尺寸加大，所占空間增加，操控性能不好等問題出現。平衡式閥瓣能有效解決這些問題。

關鍵詞：平衡式；截止閥；設計；應用

一、平衡式截止閥的特征及應用

平衡式截止閥門主要由1閥體、2閥盤、3閥桿、4閥蓋、5填料、6手輪、和7“O”型密封圈等零件組成（如圖1所示）。平衡式的閥瓣上設有導流孔8 （如圖1所示）。閥門關閉時，閥瓣下方的高壓介質通過導流孔進入閥瓣上方的閥腔內，介質在閥腔內對閥瓣產生一個向下的推力，該力與下方介質對閥瓣向上的推力相平衡，使閥門的關閉力減小。不僅有效降低了閥門關閉力矩，而且減少了閥門開啟瞬間介質對閥盤及腔體的沖擊。同時由于閥盤承受的介質力有效減小，也使得對閥桿、閥蓋的強度要求大為降低，有效的減小了閥門結構、重量。閥瓣與閥體襯套間裝有“O”型密封圈7（如圖1所示），具有密封性能好，摩擦阻力小，拆卸方便等特點。

平衡式截止閥充分體現輕量化、小型化，能滿足水下設備對外形重量、高壓下的安全密封、開關方便、摩擦副耐磨、減振降噪等要求。

根據樣機的各項測試結果看，閥門安全性高，運行平穩，外形小重量輕，有很強的推廣意義。

二、平衡式截止閥的工作原理

平衡式截止閥的工作原理：按指示標識旋轉手輪6，帶動閥桿3順時針轉動，從而帶動閥瓣2垂直上升，當閥桿上密封面與閥蓋密封面接觸時閥門全部開啟，此時閥桿與閥蓋組成密封副（見圖1局部放大圖），達到防止閥桿處泄漏和可帶壓更換填料的目的，閥門處于開啟狀態。反之，則閥門關閉。在平衡閥的閥瓣上設計有導流孔8（如圖1所示），閥門關閉時，閥瓣下方的高壓介質通過導流孔進入閥瓣上方的閥腔內，高壓介質在閥腔內對閥瓣產生一個對閥瓣向下的推力，該力與閥瓣下方介質對閥瓣向上的推力相平衡，因此閥瓣在關閉時就減少了介質對閥瓣向上的推力，使閥瓣的關閉力減小，也就是閥門的關閉力減小，相應的閥門零件及外形尺寸減小。平衡式結構在滿足承壓、密封等安全要求的前提下不僅有效降低了閥門關閉力矩，而且減少了閥門開啟瞬間介質對閥盤及腔體的沖擊。同時由于閥盤承受的介質力有效減小，也使得對閥桿、閥蓋的強度要求大為降低，有效的減小了閥門結構、重量。閥瓣與閥體襯套間裝有“O”型密封圈，具有密封性能好，摩擦阻力小，拆卸方便等優點。

三、閥門重要件設計過程及受力分析

1 閥體強度校核。閥體是重要的承壓件，其壁厚值按第四強度理論計算：

S'b=PDn/（2.3[σL]P）+C （式1）

式中：Dn-閥體計算內徑mm；[σL]-材料的許用拉應力（MPa）；P-設計壓力（MPa）；C-考慮鑄造偏差、工藝性和介質腐蝕等因素而附加的裕量（mm）。

2 閥瓣受力分析。通過三維設計軟件對閥瓣進行有限元計算和分析，分析結果表明閥瓣在試驗壓力下各項參數指標均在規定范圍內，完全滿足使用要求。閥瓣夾具固定和承壓情況（如圖2所示）；閥瓣應力分析圖（如圖3所示）。

3 閥桿螺紋副耐磨性校核。為了保證螺紋副在多次帶壓開關狀態下不失效，通常是限制螺紋接觸處的壓強p。按公式：

p=Q/πd2 h Z≤[p] （式2）

式中：Q-軸向力（N）； Z-參加接觸的螺紋圈數；d2-螺紋中徑（mm）；h-螺紋工作高度（mm），梯形螺紋h=0.5t；t-螺距； [p]-許用壓強N/mm2。

4 流阻系數。該閥門流道設計時充分考慮流阻影響，內腔流道均圓滑過渡，各型腔截面積及閥盤和閥體內腔之間的簾面積在設計時均小于閥門出口面積。利用軟件對截止閥三維模型進行分析求得閥門內腔各處液體流速，再算出內腔流場的平均流速。然后根據《閥門設計手冊》壓差計算公式求出流阻系數。壓差公式：

式中：?P-被測閥門的壓力損失（MPa）；ζ-閥門的流阻系數；ρ-流體密度（T/mm3）；U -流體在管道內的平均流速（mm/s）。

結語

根據樣機的各項測試結果看，平衡式截止閥性能好、重量輕、外形小巧，能滿足水下設備對安全密封、操作方便、摩擦副耐磨、減振降噪等要求，閥門有很強的推廣意義。

參考文獻

[1]陸培文，高鳳琴.閥門設計計算手冊（第二版）[M]. 北京：中國標準出版社，2009.

中圖分類號 ：TH134

文獻標識碼：A